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中国作为最大的发展中国家，在经济迅速发展的同时也面临着严重的空气污染问题。空气中高浓度的颗粒物不仅会危害人体健康，而且能降低能见度从而影响出行，另外由于颗粒物能吸收和散射太阳辐射或者作为凝结核参与云过程，从而对天气和气候变化产生影响。在这些颗粒物中，黑碳气溶胶(BC)具有很强的吸光能力，能直接吸收太阳辐射并加热大气，从而改变地气系统能量平衡。黑碳与其他组分混合在一起时，其光学特性和吸湿性等都会发生改变。黑碳表面的包覆物不仅能改变光的传播路径增强黑碳的吸光能力，而且也会增加含黑碳颗粒物的吸湿性使其更容易被活化成为云凝结核。不同地区、不同高度黑碳的来源及经历的氧化过程差异很大，这会导致含碳颗粒物形态及包覆物组分也存在差异。此外，即使平均组分特征相同，而微物理混合状态不一样也会导致光学特性产生较大差异。因此，研究黑碳气溶胶的垂直分布、黑碳包覆物以及混合状态特征对光学特性的影响有利于加深对黑碳气溶胶不同状态下光学特性及影响其变化的物理化学过程的认识，并为大气污染控制提供依据。
本研究依托北京325米气象铁塔及地面实验室观测平台，先后对黑碳气溶胶的垂直分布、吸收增强和单颗粒混合状态进行了观测，其中包括2016年11月16日至12月13日利用多种质谱仪及光学仪器对气溶胶化学组分及光学特征进行260m与地面同步观测及其垂直廓线的观测，2017年6月4日至6月13利用热溶蚀器结合黑碳气溶胶质谱仪和腔衰减相移式颗粒物单次散射反照率监测仪研究黑碳包覆物对黑碳光学特性的影响，2018年5月4日至7月3日及2018年11月27至12月24日利用单颗粒气溶胶质谱仪结合颗粒物化学组分监测仪和黑碳仪分析了含黑碳颗粒物的混合特征及光学特性。
研究结果表明，2016年冬季260m的散射系数(6sca)和吸收系数(babs)平均值分别为337.6和36.6Mm-1，比地面分别小了26.5％和22.5％。尽管bsca和6abs在260m与地面的变化趋势整体相似，260m与地面的比值变化范围非常大，在污染物清除阶段小于0.4而在下午的时候大于0.8。更详细的分析表明，低对流层bsca、babs和单次散射反照率(SSA)与气象条件、混合层高度、化学组分和来源密切相关。当混合层高度较低时，地面与260m垂直交换较马马，导致吸收和散射系数垂直差异比较明显。地面吸收系数或散射系数显著大于260m往往伴随着以下一种或者多种气象条件:(1)明显的逆温层导致地面污染物积累，(2)污染物清除过程中，260m风速显著大于地面，导致高空污染物比地面提早清除而形成较大的垂直差异，(3)地面大雾，吸湿性增长导致地面污染浓度显著增加。除了与气象条件有关，化学组分及污染物来源的不同也是导致垂直差异的重要原因。日变化研究表明，由于夜间垂直方向混合较弱且地面排放增强导致260m与地面吸收系数相关性较弱。而260m与地面的散射系数表现出较好的相关性，这是因为散射系数主要是由二次气溶胶决定的，而二次气溶胶的形成是区域尺度的，所以不同高度的散射系数表现出相似的变化趋势。冬季黑碳的吸收截面(MAC)变化范围为9.5-13.2m2g-1。含黑碳颗粒物(BCc)中非黑碳组分与黑碳质量比(RBC)的平均值为4.66(士0.95)，说明含黑碳颗粒物中含有大量的非黑碳物质。随着RBC的增加，一次有机气溶胶组分显著下降，而二次组分比例显著增加。进一步研究发现，MAC随着RBC以及含黑碳颗粒物中的有机物氧化程度的增加显著增加。对比含黑碳颗粒物中的有机物与总有机物在370nm的吸收截面发现，含黑碳颗粒物中的有机物在近紫外波段的吸收能力比总有机物的吸光能力强，说明含黑碳颗粒物是棕色碳的重要来源。结合有机物的吸收系数以及PMF(正矩阵因子分析)得到的有机物因子分析发现，冬季棕色碳的主要来源是煤燃烧(48％-55％)、生物质燃烧(17％)和二次有机气溶胶(～20％)。
不同地区黑碳的吸收增强差别很大，研究发现北京夏季的观测到的平均吸收增强因子(Eabs)为1.59(±0.26)，说明北京城市地区黑碳包覆物能够显著增加黑碳的吸光能力。进一步分析表明，黑碳的吸收增强不仅受包覆物厚度的影响，与包覆物组分占比也有很大的关系。当RBC从2增加到6时，Eabs增加了45％(从1.34增加到1.94)。当RBC一定时，Eabs在硝酸盐高质量占比(＞10％)时段比低质量占比(＜10％)时段增加了7-21％，相对应的，在硫酸盐高质量占比的时段比低质量占比时段Eabs增加了6-17％，在MO-OOA(氧化程度较高的有机气溶胶)高质量占比时段比低质量占比时段增加了6-7％。而在LO-OOA(氧化程度较低的有机气溶胶)和HOA(与交通排放相关的有机气溶胶)高质量占比时段比低质量占比时段反而减小了7-11％。这说明硝酸盐、硫酸盐以及氧化程度较高的二次有机气溶胶能够明显促进黑碳的吸光能力，而氧化程度较低的二次有机气溶胶对吸收增强的影响很小。
黑碳的混合状态在冬夏季具有明显的差异，冬季的含黑碳颗粒物中含有更多的有机物信号，包括左旋葡聚糖、多环芳烃等，说明冬季黑碳受到生物质燃烧以及煤燃烧影响比较大。尽管夏季PM2.5中，硫酸盐的质量占比明显大于冬季(23.3％vs.11.1％)，但是含黑碳颗粒物中含有硫酸盐的颗粒物个数比例远小于冬季。夏季含黑碳颗粒物中富含硝酸盐的类型(BC-N)占到总颗粒数的一半以上，说明夏季黑碳混合状态主要受到交通排放的影响。
本研究依托北京325米气象铁塔及地面实验室观测平台，先后对黑碳气溶胶的垂直分布、吸收增强和单颗粒混合状态进行了观测，其中包括2016年11月16日至12月13日利用多种质谱仪及光学仪器对气溶胶化学组分及光学特征进行260m与地面同步观测及其垂直廓线的观测，2017年6月4日至6月13利用热溶蚀器结合黑碳气溶胶质谱仪和腔衰减相移式颗粒物单次散射反照率监测仪研究黑碳包覆物对黑碳光学特性的影响，2018年5月4日至7月3日及2018年11月27至12月24日利用单颗粒气溶胶质谱仪结合颗粒物化学组分监测仪和黑碳仪分析了含黑碳颗粒物的混合特征及光学特性。
研究结果表明，2016年冬季260m的散射系数(6sca)和吸收系数(babs)平均值分别为337.6和36.6Mm-1，比地面分别小了26.5％和22.5％。尽管bsca和6abs在260m与地面的变化趋势整体相似，260m与地面的比值变化范围非常大，在污染物清除阶段小于0.4而在下午的时候大于0.8。更详细的分析表明，低对流层bsca、babs和单次散射反照率(SSA)与气象条件、混合层高度、化学组分和来源密切相关。当混合层高度较低时，地面与260m垂直交换较马马，导致吸收和散射系数垂直差异比较明显。地面吸收系数或散射系数显著大于260m往往伴随着以下一种或者多种气象条件:(1)明显的逆温层导致地面污染物积累，(2)污染物清除过程中，260m风速显著大于地面，导致高空污染物比地面提早清除而形成较大的垂直差异，(3)地面大雾，吸湿性增长导致地面污染浓度显著增加。除了与气象条件有关，化学组分及污染物来源的不同也是导致垂直差异的重要原因。日变化研究表明，由于夜间垂直方向混合较弱且地面排放增强导致260m与地面吸收系数相关性较弱。而260m与地面的散射系数表现出较好的相关性，这是因为散射系数主要是由二次气溶胶决定的，而二次气溶胶的形成是区域尺度的，所以不同高度的散射系数表现出相似的变化趋势。冬季黑碳的吸收截面(MAC)变化范围为9.5-13.2m2g-1。含黑碳颗粒物(BCc)中非黑碳组分与黑碳质量比(RBC)的平均值为4.66(士0.95)，说明含黑碳颗粒物中含有大量的非黑碳物质。随着RBC的增加，一次有机气溶胶组分显著下降，而二次组分比例显著增加。进一步研究发现，MAC随着RBC以及含黑碳颗粒物中的有机物氧化程度的增加显著增加。对比含黑碳颗粒物中的有机物与总有机物在370nm的吸收截面发现，含黑碳颗粒物中的有机物在近紫外波段的吸收能力比总有机物的吸光能力强，说明含黑碳颗粒物是棕色碳的重要来源。结合有机物的吸收系数以及PMF(正矩阵因子分析)得到的有机物因子分析发现，冬季棕色碳的主要来源是煤燃烧(48％-55％)、生物质燃烧(17％)和二次有机气溶胶(～20％)。
不同地区黑碳的吸收增强差别很大，研究发现北京夏季的观测到的平均吸收增强因子(Eabs)为1.59(±0.26)，说明北京城市地区黑碳包覆物能够显著增加黑碳的吸光能力。进一步分析表明，黑碳的吸收增强不仅受包覆物厚度的影响，与包覆物组分占比也有很大的关系。当RBC从2增加到6时，Eabs增加了45％(从1.34增加到1.94)。当RBC一定时，Eabs在硝酸盐高质量占比(＞10％)时段比低质量占比(＜10％)时段增加了7-21％，相对应的，在硫酸盐高质量占比的时段比低质量占比时段Eabs增加了6-17％，在MO-OOA(氧化程度较高的有机气溶胶)高质量占比时段比低质量占比时段增加了6-7％。而在LO-OOA(氧化程度较低的有机气溶胶)和HOA(与交通排放相关的有机气溶胶)高质量占比时段比低质量占比时段反而减小了7-11％。这说明硝酸盐、硫酸盐以及氧化程度较高的二次有机气溶胶能够明显促进黑碳的吸光能力，而氧化程度较低的二次有机气溶胶对吸收增强的影响很小。
黑碳的混合状态在冬夏季具有明显的差异，冬季的含黑碳颗粒物中含有更多的有机物信号，包括左旋葡聚糖、多环芳烃等，说明冬季黑碳受到生物质燃烧以及煤燃烧影响比较大。尽管夏季PM2.5中，硫酸盐的质量占比明显大于冬季(23.3％vs.11.1％)，但是含黑碳颗粒物中含有硫酸盐的颗粒物个数比例远小于冬季。夏季含黑碳颗粒物中富含硝酸盐的类型(BC-N)占到总颗粒数的一半以上，说明夏季黑碳混合状态主要受到交通排放的影响。