针对结合星地观测与模型定量模拟消光性气溶胶光学特性及黑碳质量空间分布这一热点问题，利用TROPOMI卫星紫外波段观测数据与AERONET地基观测数据，基于“核-壳”假设下的米散射模型提出了一种准确量化黑碳气溶胶质量空间分布的模拟方法，并对北京、香港、首尔三个站点的模拟结果进行分析与验证。多源数据约束后米散射模型模拟得到的结果显示：北京的吸收系数在0.04~0.13之间，香港的吸收系数整体小于0.08，首尔的吸收系数介于0.02~0.06之间。计算得到的黑碳气溶胶柱内质量空间分布结果显示：北京站黑碳气溶胶柱内质量在200~600 kg/grid之间，香港站黑碳气溶胶柱内质量在180~650 kg/grid之间，首尔站黑碳气溶胶柱内质量在300 kg/grid以下。结合卡尔曼滤波排放清单与一阶箱模型对黑碳气溶胶柱内质量结果进行间接验证，计算得到的黑碳气溶胶生命周期为1~4 d不等，符合其在大气中的真实状态，说明结果具有一定可靠性。通过对比加入TROPOMI紫外波段卫星观测数据前后对模型进行约束得到的粒径分布及吸收系数结果的差异发现：加入紫外波段观测数据对模拟结果具有一定增强作用。所提方法模拟结果良好，方案具有一定应用潜力。

大气黑碳气溶胶具有强吸光能力，由于形状和混合结构十分复杂，其光学特性具有较大不确定性。使用三维仿真建模工具EMBS建立不同分形维数（D_f为1.8和2.6）和混合结构的黑碳单颗粒模型，采用耦合离散偶极近似（DDA）方法计算光吸收强度（E_abs）、单次散射反照率（SSA）和光吸收截面（C_abs），并与多球T矩阵（MSTM）和Mie散射方法的计算结果进行对比。研究发现MSTM模型的E_abs结果对包裹程度F比较敏感，而DDA模型的E_abs结果对黑碳包裹层厚度的敏感性更高。DDA和MSTM模拟结果的差异主要来源于：1）DDA和MSTM方法中黑碳聚集体和包裹层形状的差异造成E_abs和C_abs的相对偏差分别为20%和23%；2）黑碳包裹层的相对位置变化导致光学结果具有2%~4%的相对偏差。因此DDA和MSTM方法的模型形状和结构差异导致光学模拟结果可能出现较大差异。

黑碳气溶胶是化石燃料和生物质不完全燃烧的产物之一, 不仅影响着空气质量和人体健康, 还通过吸收太阳辐射改变辐照平衡从而影响区域乃至全球气候。亚洲地区作为世界七大洲中人口最多、面积最广的地区, 黑碳气溶胶排放量占全球排放量二分之一以上。对当前黑碳气溶胶观测所用主要仪器与方法, 以及亚洲地区从上世纪九十年代至今有关黑碳气溶胶的观测结果进行了系统性总结。通过总结发现亚洲地区大气黑碳浓度分布特征与人口分布特征相一致, 中国地区黑碳浓度分界线与胡焕庸线大致吻合, 佐证了黑碳主要受人为活动影响的结论；并进一步分析了亚洲地区黑碳排放来源及影响因素,以及黑碳光学性质的最新研究成果；最后总结了当前研究中存在的不足, 并对黑碳气溶胶未来研究方向提出了展望。

黑碳 (BC) 和棕碳 (BrC) 是大气中重要的吸光物质。近年来, 大气棕碳光吸收贡献已成为国内外研究热点之一。2014 年青奥会期间在位于南京江心洲的南京市气象局, 利用三波长光声黑碳光度仪 (PASS-3), 热熔蚀器 (TD), 气溶胶质量分析仪 (APM), 扫描电迁移率粒径谱仪 (SMPS) 和空气动力学粒径谱仪 (APS) 进行了大气实时观测。基于 Mie 模型和 AAE方法, 计算得出 BrC 在 405 nm 和 532 nm 处的平均光吸收系数分别为 (8.5±4.5) Mm－1 和 (3.2±2.1) Mm－1, 相应的平均光吸收贡献分别为 (22.7±12.0)% 和 (13.6±9.2)%, 说明 BrC 的光吸收能力具有波长依赖性。进而对核-壳和外混两种模型中 αBC 随复折射指数变化做了敏感性分析。在这两种模型中, αBC 均对 BC 核复折射指数虚部最为敏感, 其次是 BC 核复折射指数的实部; 不同的是, 在外混模型中非吸光物质复折射指数实部的改变不会影响 αBC。

利用 AE-31 型黑碳仪于 2019年 2 月 4-26 日对宝鸡市的黑碳 (BC) 气溶胶进行了在线连续监测, 并结合 PM2.5 质量浓度、风速风向等数据, 采用聚类分析研究了该地区污染期间 BC 质量浓度的变化及来源。结果表明, 观测期间 BC 平均质量浓度为 2.8 μg·m－3, 范围为 0.4～8.0 μg·m－3; PM2.5 平均质量浓度为 119.9 μg·m－3, 范围为 17.3～221.9 μg·m－3; 重度污染期间 BC 和 PM2.5 平均质量浓度分别为 3.4 μg·m－3 和 176.4 μg·m－3。空气质量为“良”, BC 质量浓度日变化有明显峰值; 空气质量为“ 轻度污染”时, BC 质量浓度日变化呈“双峰双谷”型; 当空气质量为“中度和重度污染”时, BC 质量浓度呈现白天低夜间高的变化趋势。研究结果还发现东南和东北风向对 BC 影响较大。在静风和非静风条件下, 当空气质量为“良、轻度、中度和重度污染”时, BC 质量浓度分别为 1.9 μg·m－3 和 1.5 μg·m－3、2.4 μg·m－3 和 2.2 μg·m－3、3.5 μg·m－3 和 3.0 μg·m－3、3.7 μg·m－3 和 3.3 μg·m－3, 表明污染越重 BC 浓度越大, 静风条件下, 污染物易累积。进一步的后向轨迹聚类分析表明, 来自宝鸡东部的气团以及秦岭的阻挡效应对宝鸡 BC 的浓度影响较大。

为了研究黑碳气溶胶对星地量子通信性能及传输质量的影响,根据黑碳气溶胶的复折射率及米氏散射理论得到其消光效率因子,分析了黑碳气溶胶粒子数浓度对量子通信链路衰减、信道容量、信道生存函数以及信道误码率的影响,并进行了仿真实验。结果表明,当传输距离为2 km,黑碳气溶胶粒子数浓度由1.2×10 ⁷ m ^-3增加至3.6×10 ⁷ m ^-3时,链路衰减由0.5079 dB增加至1.524 dB,误码率由0.006增加至0.0101,幅值阻尼信道与退极化信道的信道容量、信道生存函数也呈现出不同程度的衰减,而幅值阻尼信道的衰减更加明显。因此,黑碳气溶胶对星地量子链路通信的性能有显著影响。为了保证量子通信顺利进行并提高传输系统的可靠性,应适当调整相关策略及参数,减小黑碳气溶胶对量子通信链路的影响。

积雪中的黑碳气溶胶粒子会导致积雪光谱反射率显著下降, 进而引起的气候辐射变化会推迟或提前积雪融化时间, 严重影响了干旱区地表径流特征、 区域水循环过程, 由此引起的干旱区生态水文问题也越来越受到关注。 2018年1月在新疆北疆地区开展积雪中气溶胶粒子观测实验, 借助ASD地物光谱仪、 Snow Folk积雪特性仪与HR-1024外场分光辐射度计等仪器获取原始积雪光谱数据与其他积雪参数, 应用Snow, Ice, and Aerosol Radiation model(SNICAR)模型模拟了不同雪粒径下、 不同太阳天顶角、 不同Black Carbon（BC）浓度下的积雪光谱反照率变化状况, 讨论了BC、 雪粒径在不同光谱范围内敏感性, 结果表明： 太阳天顶角对雪面光谱反照率的影响在近红外波段比其他波段表现得更明显, 在积雪光谱曲线中太阳天顶角从0°变化到80°, 可见光波段600 nm处光谱反照率升高了0.045, 近红外波段1 000, 1 200和1 300 nm处光谱反照率分别升高了0.16, 0.225和0.249； 在天顶角为60°时, 雪粒径从100 μm增大到800 μm, 对应的光谱反照率减少量最大可达到0.15, 且100~300 μm范围内的雪粒径比400~800 μm范围内的引起光谱反照率的下降量明显增大, 雪粒径的增大能使吸光性颗粒物的光吸收效应增强； 随着BC浓度的增加, 积雪反照率会显著下降, 且不同浓度的BC对积雪的反照率的差值不同, 随着BC浓度的增加, 反照率的差值量越来越小。 不同的BC浓度在近红外波段对光谱反照率影响较小, 影响较大的范围主要集中可见光波段, 在光谱800和1 100 nm处, 5 μg·g-1的BC浓度使光谱反照率减小了0.13和0.04, 5 μg·g-1的BC可使350与550 nm处的光谱反照率减小0.25与0.23； 比较不同粒径下, BC浓度对积雪光谱宽波段反照率的减少情况可发现, 在BC存在的情况下, 雪粒径的增加会增大BC的光吸收效应, 且浓度越高, 吸收增加的越多； 从光谱指数角度表明BC在可见光波段350~740 nm比较敏感, 相关系数较高； 雪粒径在近红外波段1 100~1 500 nm比较敏感, 尤其在1 000与1 300 nm左右, BC与雪粒径在积雪光谱曲线中的敏感波段相关性都较高, R2高达0.9以上； 最后将模型模拟的积雪反照率与实测数据进行验证对比, R2为0.738, 模拟效果较好, 可为干旱区积雪光谱反照率的研究奠定数据基础。

基于不同来源含碳气溶胶具有不同光学吸收特性的原理, 采用黑碳仪模型对杭州市含碳气溶胶进行来源解析。结合气溶胶飞行时间质谱仪和黑碳仪数据, 对黑碳仪模型参数进行校正。通过分析2015年杭州市朝晖环境监测站点的黑碳仪数据, 解析化石燃料和生物质燃料的燃烧对朝晖地区含碳气溶胶的贡献率及其变化规律。结果表明, 2015年化石燃料燃烧对朝晖地区含碳气溶胶的年均贡献值为15.4 μg/m3, 年均贡献率为71.8%; 生物质燃料对含碳气溶胶的月均贡献率为20%~38%, 7月份贡献率最小, 12月份贡献率最大, 各月份的贡献率存在明显阶梯性变化。含碳气溶胶吸收指数没有体现出本地早晚高峰现象, 该现象可能是由于外地传输引起的。上述研究为识别杭州市能源消费结构和大气治理提供一定的理论与实验支持。

基于扩散限制凝聚模型仿真生成了黑碳团簇粒子和具备核-壳结构（核为黑碳团簇，壳为包覆水层）的混合态粒子，并模拟了黑碳团簇粒子的老化过程，利用团簇T矩阵方法计算并研究了粒子形态结构和包覆水层对两种粒子在550 nm波长处的光学特性。分析表明，新生黑碳团簇粒子的光学特性参数与等体积球形黑碳粒子之间的差异最大，当分形维数Df为1.8时，散射截面和单次散射反照率的相对偏差分别达到61.58%和49.44%，随着黑碳团簇粒子的老化，差异逐渐减小。对于混合态粒子，忽略黑碳核的团簇结构会导致前向散射强度、散射截面、消光截面、单次散射反照率、不对称因子和F34/F11被低估，导致后向散射强度、吸收截面、-F12/F11、F33/F11、F44/F11被高估；包覆水层厚度的增加会加剧混合态粒子散射矩阵中元素随散射角的振荡程度，且忽略黑碳核或球形黑碳核假设所引起的光学特性参数相对偏差呈逐渐减小的趋势。该工作有助于进一步减小黑碳气溶胶辐射强迫估算误差。

为了研究不同混合方式对气溶胶粒子光学性质的影响，利用典型外混合模型和三种内混合模型，计算了黑碳与硫酸盐及有机碳组成的混合气溶胶在550 nm波长处的光学性质。结果表明，除Maxwell-Garnett模型与Bruggeman模型的差异普遍小于2%外，所有混合模型对混合粒子及粒子群的光学性质都有明显影响。相比于外混合粒子群，内混合粒子群的吸收系数增强了20%以上，散射系数则削弱了10%~15%，并导致消光系数的最大增强达到25%；内混合模型对于单次散射反照率的减弱效果最明显，尤其在黑碳体积比小于30%和相对湿度高于70%的情况下，内混合模型使粒子群的单次散射反照率降低了20%以上。此外，除不对称因子外，混合气溶胶的其他光学性质与体积混合比以及相对湿度均呈现出明显的相关性。