气溶胶是空气中的悬浮颗粒物质，不仅严重影响地-气系统辐射收支，而且对气象、气候、交通、生态等，尤其是公众健康造成显著影响。整层大气气溶胶模型是气候变化评估、大气环境模拟、卫星遥感建模、辐射传输计算等的重要基础，而能够代表区域特征的气溶胶基础模型是这些应用的关键。
中国区域幅员辽阔，气溶胶来源繁多、特性复杂，长期以来缺少基于观测建立的基础气溶胶模型，这已成为限制上述应用精度的“卡脖子”问题。中国科学院空天信息研究院李正强研究员带领团队，基于自主太阳-天空辐射计观测网（SONET，www.sonet.ac.cn）的16个长期观测站多年的大气辐射观测数据，首次获得了中国区域气溶胶“基础模态”模型。相关成果近日在美国地球物理学会Geophysical Research Letters期刊发表（doi: 10.1029/2019GL082056）。
亮点1. 聚类拆解粒子谱分布函数，获得十个基础模态
基于观测网长期分布式观测获得的1万余条第一手观测资料，通过亚模态大气气溶胶特性遥感反演方法（doi: 10.5194/amt-10-3203-2017）拆解粒子谱分布函数，获得分模态的体积尺度谱和复折射指数两类参数，建立了代表性的气候学原始数据集。
随后，研究团队利用K-means聚类分析算法，从传统的气溶胶粗、细双模态中共解析出十个基础模态（图1）。在这些基础模态中，与污染密切相关的模态往往还存在亚模态特征，体现了中国区域气溶胶来源复杂的显著特性。
图1、中国区域十种气溶胶基础模态。上图为五种基础细模态；下图为五种基础粗模态。
填色曲线代表气溶胶体积尺度谱分布，灰色点线分别代表复折射指数实部和虚部。
亮点2. 基础模态可动态组合，实现中国复杂气溶胶特性的精细化模拟
大气气溶胶基础粗、细模型相互耦合，可组成多达36类（图2a）完整的多峰气溶胶模型。该研究发现，细模态主导的模型（图2b）往往与细颗粒物污染密切相关，多出现于中国东部大气污染区域。而粗颗粒物主导的模型（图2c）则大多与沙尘、扬尘等相关，多出现在中国西部、北部等区域。通过这些高频次基础模态的组合分析，该研究还获得了中国区域流行的气溶胶粒子谱分布等特征。
图2、基础模态组合概率分布图（a），以及中国区域高频次的5种典型气溶胶模型（3种细模态主导型（b）和2种粗模态主导型（c））（粗实线）。
该研究可为大气辐射传输、卫星信号模拟、模式预报同化等多个研究领域提供本地化基础模型，可为卫星遥感反演、地-气辐射收支计算、气候变化评估等重要应用在中国区域不确定性的降低提供重要支撑。相关工作得到了国家自然科学基金（编号：41671367、41222007）等项目的支持，模型结果可在http://www.sonet.ac.cn/cpin/html/?290.html获取。
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