暗褐色碳：生物质燃烧对全球气候变暖的“隐形推手”

本研究聚焦生物质燃烧产生的暗褐色碳（d-BrC），揭示其对全球气候的显著增温效应，为准确评估火灾气候影响提供关键视角。

　　随着全球变暖，森林火灾和农业焚烧等生物质燃烧事件愈发频繁，释放出大量碳质气溶胶，其中暗褐色碳（d-BrC）作为一种新兴的气候变暖因子，其对全球气候的影响逐渐受到关注。传统气候模型中，黑碳（BC）被认为是主要的增温气溶胶，而棕色碳（BrC）因吸收能力较弱常被忽视。然而，近年来的研究发现，生物质燃烧产生的d-BrC具有显著的可见光和近红外吸收能力，其气候变暖潜力不容小觑。为此，香港城市大学的研究人员开展了全球尺度的模型模拟研究，量化d-BrC对气候的直接辐射效应（DRE），并将其与BC进行对比，揭示了d-BrC在火灾气候影响评估中的关键作用，相关成果发表于《One Earth》。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下技术方法：一是利用全球化学传输模型GEOS-Chem v.14.2.3模拟d-BrC的排放、传输和化学老化过程；二是结合快速辐射传输模型（RRTMG）计算d-BrC的直接辐射效应；三是对比分析WE-CAN、FIREX-AQ、ORACLES和ATom-4等多次飞机观测活动以及AERONET地面观测数据，验证模型模拟结果的可靠性。

研究背景与问题

近年来，全球范围内森林火灾和农业焚烧等生物质燃烧事件不断增加，释放出大量碳质气溶胶，包括黑碳（BC）和有机气溶胶（OA）。这些气溶胶对全球气候产生了深远影响。传统观点认为，BC是主要的增温气溶胶，而棕色碳（BrC）因主要在短波长可见光区域吸收，且易被光漂白，其增温效应相对较小。然而，最新研究发现，生物质燃烧产生的一类特殊BrC——暗褐色碳（d-BrC），具有显著的可见光和近红外吸收能力，且难以溶于水，其气候变暖潜力可能被严重低估。目前，气候模型中尚未充分考虑d-BrC的影响，导致对火灾气候影响的评估存在偏差。

研究方法与验证

研究人员利用全球化学传输模型GEOS-Chem v.14.2.3，将d-BrC作为新的物种引入模型，模拟其从生物质燃烧源的排放以及与其他气溶胶的混合过程。模型假设d-BrC的排放因子是BC的四倍，并根据观测数据设定其光学性质，包括质量吸收系数（MAC）和复折射率的虚部（k）。通过与WE-CAN、FIREX-AQ、ORACLES和ATom-4等多次飞机观测活动获取的黑碳（BC）、有机气溶胶（OA）浓度以及气溶胶吸收数据进行对比，验证了模型对d-BrC模拟的可靠性。此外，研究人员还结合AERONET地面观测数据，进一步评估了模型在全球尺度上对气溶胶吸收光学深度（AAOD）的模拟能力。

研究结果

全球模拟与分布

模型结果显示，2019年全球d-BrC排放量约为2.6 TgC，占生物质燃烧有机气溶胶总排放量的17%。其年均地表层浓度在非洲、西伯利亚和东南亚等生物质燃烧区域可达约4 μg/m3。d-BrC对总AAOD的贡献在不同地区差异显著，范围从1%到73%，全球均值为25%。

与飞机观测对比

在WE-CAN、FIREX-AQ和ORACLES等飞机观测活动中，模型能够较好地复现观测到的BC和OA浓度的垂直分布，但在未考虑d-BrC时，模型对气溶胶吸收的模拟严重低估，偏差可达60%以上。加入d-BrC后，模型对气溶胶吸收的模拟与观测数据的偏差显著降低，表明d-BrC对气溶胶吸收的贡献不可忽视。特别是在ATom-4观测中，d-BrC对海洋上空气溶胶吸收的贡献超过50%，进一步证实了其在全球尺度上的重要性。

气溶胶辐射效应

研究人员通过GEOS-Chem模型与RRTMG模型的耦合，计算了d-BrC的直接辐射效应（DRE）。结果显示，d-BrC在全球范围内产生了显著的增温效应，其全球均值吸收DRE为+0.208 W/m2（范围为+0.02到+0.68 W/m2），与BC的增温效应（+0.269 W/m2）相当，远超传统BrC的估计值。这一结果表明，d-BrC作为一种被低估的气候变暖因子，对全球气候的影响可能与BC相当。

研究结论与讨论

本研究首次在全球尺度上量化了生物质燃烧产生的暗褐色碳（d-BrC）对气候的直接辐射效应，揭示了其作为重要气候变暖因子的潜力。研究结果表明，d-BrC在全球范围内的增温效应显著，其吸收DRE与黑碳相当，远高于传统棕色碳的估计值。这一发现不仅填补了当前气候模型中对d-BrC影响的空白，还为准确评估生物质燃烧对全球气候的影响提供了关键依据。未来，随着全球火灾频率的增加，d-BrC的气候影响可能会进一步加剧，因此，深入研究d-BrC的性质、来源和老化过程，对于制定有效的气候缓解政策具有重要意义。