大气吸收性气溶胶（主要包括黑碳、棕碳和沙尘）及其辐射效应是大气科学领域的国际前沿科学问题。近日，兰州大学大气科学学院田鹏飞教授团队围绕该方向持续攻关，在吸收性气溶胶光谱吸收定量分离、来源识别及气候效应评估等方面取得系列创新性成果，相关论文连续发表于国际期刊《Environmental Science & Technology》、《Atmospheric Chemistry and Physics》和《Atmospheric Environment》，并获得国家发明专利授权。
量化工业与自然沙尘的光谱吸收贡献
沙尘（亦称为“矿物粉尘”）是大气中重要的吸收性气溶胶，但在以往的观测研究中，其光吸收贡献常被低估，甚至误归因于碳质气溶胶。在工业源与自然源并存的城市环境中，此前研究未能准确区分工业与自然沙尘的光谱吸收特性。依托兰州大气组分监测超级站（LACMS）三年高分辨率观测数据，团队创新性地将气溶胶光学与化学观测数据通过受体模型耦合，实现了工业沙尘、自然沙尘及其他来源吸收性气溶胶光谱吸收贡献的精确分离。
图1. ES&T期刊封面（Supplementary Cover）
研究发现，自然沙尘在春季370 nm波段对气溶胶吸收的贡献最高可达12.6%，工业沙尘在夏季贡献达10.5%，且两类沙尘的吸收Ångström指数（AAE）均呈现明显季节变化。考虑沙尘光谱吸收后，有机碳在370 nm波段的质量吸收截面得到显著提升，改善幅度达21%-59%。该成果作为封面论文发表于大气环境领域顶级期刊《Environmental Science & Technology》（图1），第一作者为萃英博士后关勖，通讯作者为田鹏飞教授，合作者包括资源环境学院杨胜利教授和大气科学学院张镭教授等。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c17112
发展量化黑碳与棕碳光谱吸收新方法
针对传统方法在分离黑碳与棕碳吸收贡献时高度依赖经验假设的局限性，团队提出了示踪-最小二乘耦合方法（Tracer-Guided Least-Square, TGLS），在不预设黑碳吸收Ångström指数（AAE）的情况下，准确反演黑碳和棕碳的光谱吸收贡献（图2）。新方法已经成功应用于北京和兰州的观测研究。北京站，黑碳AAE为0.81，棕碳AAE为4.89；棕碳在405 nm波段贡献约19%的碳质气溶胶吸收，在近红外波段快速降至约1%。兰州站与北京站差异明显，黑碳AAE为0.75，棕碳AAE为5.40，棕碳对光谱吸收性贡献较小。研究进一步显示，传统假设黑碳AAE固定为1.0会产生系统性偏差，且棕碳辐射强迫对AAE变化的敏感性是黑碳的四倍以上。
图2. 示踪-最小二乘耦合法定量计算黑碳与棕碳吸收流程图
该成果发表于大气环境领域经典期刊《Atmospheric Environment》，第一作者为2023级硕士生王文芳，通讯作者为田鹏飞教授与中国科学院大气物理研究所武云飞研究员，合作者包括兰州大学大气科学学院教师史晋森、曹贤洁、梁捷宁和张镭等。以上述新方法为核心，团队已获得国家发明专利授权（发明名称：碳气溶胶的光谱吸收分析方法、电子设备及存储介质）。该专利覆盖了碳质气溶胶光谱吸收的定量分析方法及相关实现手段，为科研成果的应用与转化提供了技术支撑。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2026.121988
量化气溶胶光谱吸收性及辐射效应
团队利用可解释机器学习方法（SHAP），结合北京和兰州地面观测及两地多年大气柱反演数据，系统量化了化学组分、粒径谱与气溶胶AAE之间的关系，并评估了辐射强迫对AAE的响应。结果显示，化学组分对大气柱AAE变化作用显著强于粒径参数，其中北京粗模态吸收性沙尘、棕碳和黑碳对大气柱AAE的预测贡献分别为18.9%、18.5%和13.9%，化学组分累计贡献约65%。兰州棕碳、粗模态吸收性沙尘和黑碳的重要性分别为19.4%、17.4%和17.3%，化学组分累计贡献约68%（图3）。近地面观测表明，北京近地面AAE的升高主要与细沙尘增加和非沙尘水溶性离子减少有关，而兰州近地面AAE更易受沙尘控制。
图3. 机器学习模型对气溶胶AAE参数的解释
SHAP分析进一步表明，大气柱AAE在预测大气顶直接辐射强迫方面具有较高解释力；在控制气溶胶总量的前提下，北京和兰州的大气柱AAE成为影响辐射强迫效率预测的主要因子，贡献均约40%。该研究为气候模式中气溶胶吸收特性的参数化提供了系统观测依据，并为减少辐射效应评估不确定性提供了重要参考。
该成果发表于大气化学与物理领域顶级期刊《Atmospheric Chemistry and Physics》，第一作者为2023级硕士生王文芳，通讯作者为田鹏飞教授和大气科学学院教师陈敏，合作者包括中国科学院大气物理研究所武云飞研究员和大气科学学院张镭教授等。
原文链接：https://doi.org/10.5194/acp-26-6471-2026
上述系列研究得到西部生态安全学科突破先导项目、国家自然科学基金委面上项目、甘肃省陇原青年英才经费、兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金优秀青年支持计划与甘肃省高校研究生“创新之星”项目等的资助。田鹏飞教授团队立足西北半干旱区人为污染与自然沙尘共存的典型环境，系列成果聚焦气溶胶光谱吸收的定量分离与气候效应评估等关键科学问题，形成了从方法创新、机制解析到辐射效应评估的系统研究体系，提升了兰州大学在大气气溶胶及其气候效应研究领域的国际影响力。
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