难熔黑碳(refractory Black Carbon,rBC)是大气细粒子(PM2.5)的重要组分,由化石、生物质等含碳燃料的不完全燃烧产生。rBC具有极强的直接吸收太阳辐射的能力,能够改变太阳辐照平衡,进而影响区域气候乃至全球气候。rBC排放到空气中后,已存在于环境大气中的各种物质(包括有机物及无机盐)会通过物理或化学过程包覆在其表面,伴随rBC排出并附着其上的初始一次组分也会缓慢氧化,进而改变含rBC的颗粒物的结构,吸光性质以及吸湿性质等。老化的含rBC气溶胶的包覆层通常较厚,通过所谓的“棱镜效应”,可增强rBC核的吸光能力,影响地球辐射平衡,进而引起区域及全球气候变化。rBC被亲水性物质包覆后,还能够作为云凝结核,改变云的物理和化学性质,影响降雨及太阳辐射等。此外,受不同区域的产业布局及环境等要素影响,不同区域的rBC的排放源以及大气老化过程会存在较大的差异。因此,研究不同区域的含BC气溶胶的排放源,化学组成,混合状态及其光学吸收能力的变化等是准确评估BC的气候效应及制定有效的大气灰霾控制政策等的关键。本研究以一台黑碳气溶胶质谱仪(Soot-Particle Aerosol Mass Spectrometer,SP-AMS)为主,结合了一系列在线仪器,系统地开展了三次针对大气rBC气溶胶的外场观测研究。首先,于2015年2月20日至3月23日,对一种广泛存在于大气环境中的特殊的rBC类型(富勒烯类,Fullerenes)的来源及表征方法等进行了探讨,然后于2015年5月31日至6月30日和2016年11月15日至12月13日,分别以青藏高原纳木错地区(夏季)和北京城区(冬季)作为典型的洁净环境与重污染城市环境,研究了不同环境大气中rBC气溶胶的来源,化学组成,粒径分布,混合状态以及光学吸收性质等。在部署于南京北郊工业区的外场观测活动中,首次观测到了富勒烯类碳簇的存在。观测期间结果表明,富勒烯类碳簇质量浓度范围为从0.8 ng m-3至83.2 ng m-3,平均质量浓度为14.0 ng m-3。多线性回归算法结合正矩阵因子分解法(Positive Matrix Factorization,PMF)解析表明,石化产业(70%)及交通排放(30%)是富勒烯类碳簇主要来源。本研究中也针对rBC观测数据进行了类似的分析,结果表明约55%的rBC来自交通源,45%来自工业排放。该部分研究结果充分说明富勒烯类碳簇可作为某些特殊排放源的示踪组分(如石化工业及柴油引擎等),SP-AMS还可作为未来表征富勒烯类组分的参考方法。典型洁净环境的外场观测研究发现,包覆于rBC上的有机组分氧碳比(O/C)较高,平均为0.51,rBC气溶胶的老化程度较高且包覆层偏厚(RBC最高达14,RBC=包覆物质量浓度/黑碳核质量浓度),各化学组分真空空气动力学直径(Dva)较一致,介于450～550nm,表明观测期间rBC气溶胶内部混合较充分。PMF共解析出4个有机包覆因子,包括一个区域输送的生物质燃烧源(TBBOA),一个背景源因子(RBOOA),一个半挥发性二次源(SV-OOA)以及一个低挥发性二次源(LV-OOA)。研究还发现季风前生物质燃烧排放的有机包覆组分(TBBOA,约占30%)对该区域rBC包覆厚度的影响较大,但包覆较厚并不代表含rBC气溶胶老化程度高。通过比较黑碳仪(MAAP)测定的BC光吸收转换的质量浓度和SP-AMS测定的rBC浓度,发现“棱镜效应”可增加rBC的吸光能力(Eabs)约1.4倍以上。此外,本地的牦牛粪或其它燃料的燃烧排放源贡献也不可忽视,季风期间本地源有机包覆物平均占比高达43%。典型重污染城市环境的外场观测研究发现,冬季北京城区大气rBC气溶胶受本地排放源及外来传输贡献均很重要,平均有机组分O/C仅为0.25,RBC最大值为8。含硫酸盐,硝酸盐及铵盐的rBC气溶胶粒径分布较一致,含氯盐和有机组分的rBC气溶胶在200nm左右均有明显的分布且包覆较薄,表明存在新鲜的rBC源贡献。PMF共解析出5个有机包覆因子,包括两个一次因子和三个二次因子。一次因子分别为化石燃料燃烧排放源(FOA=燃煤+机动车)和生物质燃烧排放源(BBOA)。二次因子分别为液相主导的AQOOA以及两个OOA(OOA1和OOA2)。重污染事件多数发生在以南向风主导或近地面风速较低的情况下,日间光化学反应主导了rBC气溶胶二次组分的生成(占SOA的67%)。PMF结果还表明重污染期间北京大气rBC气溶胶中有机包覆组分中一次源(POA)与二次源(SOA)贡献都很重要,POA甚至可能占主导;与高分辨率气溶胶质谱仪(HR-AMS)比对结果表明,两台仪器所测POA随时间变化序列通常情况下一致,但在一些污染事件中差异较大。最后通过比较BC光吸收(PAX测定)转换的质量浓度和SP-AMS测定的rBC浓度发现,包覆物对rBC的吸光能力(Eabs)最终可增加至1.3倍以上。研究结果表明:(1)我国大气环境中存在富勒烯类碳簇,SP-AMS可作为未来研究富勒烯的有效检测方法;(2)典型洁净区域rBC气溶胶的老化程度较高,粒径分布也较为一致,可能呈典型的核-壳结构,而典型重污染城市区域rBC气溶胶的相对较新鲜,粒径分布差异较大,内混不够充分;(3)生物质燃烧对典型洁净区域rBC气溶胶的贡献不可忽视,化石燃料排放是典型重污染城市环境的rBC气溶胶的主要来源,城市居民炊事对rBC气溶胶的贡献可忽略不计。(4)光化学反应对生成二次rBC包覆的贡献较大。