黑碳气溶胶混合态与吸光性特征的实测研究

来源 :北京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yinje2004_2005
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黑碳(BC)气溶胶是大气中的首要吸光物质,对气候变化有着重要影响。黑碳混合态是影响吸光强度的重要因素,其变化特征及对吸光的增强作用是研究黑碳吸光性的重要内容。此外,短波段有机碳的吸光贡献也不容忽视。深入开展黑碳混合态与吸光性特征的实测研究,对全面认识我国黑碳吸光特征与准确评估黑碳辐射强迫作用有着重要意义。  本论文首先建立了基于差分电迁移粒径筛分仪-单颗粒黑碳光度计(DMA-SP2)联用的黑碳混合态测定新方法,相比传统方法不仅可获得BC不同混合态比例,同时可获得外层覆盖物厚度及各自粒径分布特征,实现了在我国复杂大气环境下准确、全面的测定,为掌握不同来源黑碳混合态变化规律提供了有效的方法体系。此外,本论文研究采用三波长光声黑碳光谱仪(PASS-3)可获得可见光范围内(405 nm-532 nm-781 nm)颗粒物原位吸收系数,避免了基于膜带方法的测量误差,是进一步讨论质量吸收效率(MAE)变化特征及BC混合态影响的方法保障。  本论文将以上方法应用于多点位不同大气环境和源排放的研究中,其中选取黑碳典型排放源生物质和机动车、区域背景点香河与洪泽湖和城市点金华与深圳,共进行了2次源排放模拟燃烧实验和5次外场观测实验,分析了不同源和大气环境下黑碳在不同入射波长下吸光性质及主要影响因素,深入探讨了黑碳混合态变化特征及其对吸光强度的影响作用。主要发现有:  (1)建立DMA-SP2联用系统测定黑碳混合态。以Mie核壳模型为理论依据,在原SP2准确测量BC质量浓度与核粒径的基础上,结合DMA筛分获得颗粒粒径,建立了DMA-SP2联用系统。根据测得BC的Dp-D。分布特征,判定BC不同混合态。新方法测量结果经时间延迟、效率校正后,并与传统SP2单采方法进行交替采样进行比对验证。结果表明新建DMA-SP2混合态判定方法不仅可以有效测得更大粒径范围内BC混合态比例,同时可获得BC包裹物厚度及各自粒径分布特征,可有效得被应用于认识黑碳混合态变化特征的实测研究中。  (2)颗粒物在不同入射波长下光吸收和MAE特征。不同来源颗粒物在不同入射波长下吸光强度不同,体现出不同的波谱依赖性,短波段有机碳吸收贡献是主要影响因素。波谱依赖性越强,谱特征值AAE越大。其中生物质露天堆烧较灶台燃烧排放颗粒物光谱依赖性更为显著,短波段有机碳吸收贡献在50%以上;相比之下,机动车燃烧排放吸光性有机碳可以忽略不计。在不同大气环境下,区域背景点洪泽湖和城市点金华颗粒物光谱依赖性最强,405 nm下有机碳吸光贡献占到15%以上,表明长三角地区可能受生物质排放影响较大。不同大气环境下黑碳MAE值有一定差异。利用光吸收谱特征识别有机碳吸收贡献,可获得更为准确的短波段MAE值。  (3)利用DMA-SP2实测研究BC粒径分布与混合态变化特征。BC粒径分布特征与混合态比例可体现BC不同来源。生物质(稻草)燃烧排放BC粒径分布峰值较机动车小,且分布较窄;BC内混态比例显著高于机动车排放,且变化范围较大。由于源排放BC均未经大气老化长大,机动车排放以BC为主,而生物质燃烧过程同时会排放大量有机碳而使BC包裹在内,所以内混态比例相对较高。不同大气环境下,香河点BC粒径分布峰值大于深圳,内混态比例较深圳稍高,一定程度上体现了区域背景环境下BC经传输老化长大的过程。进一步解析混合态变化规律,结果表明BC包裹物绝对厚度随核粒径增大而增加,而相对厚度所占比例减小。BC内混态比例随着核粒径的增大而以负指数趋势降低。受粒径分布与包裹物厚度影响,不同大气环境下变化率不同。  (4) BC混合态是影响吸光强度的重要因素。不同大气环境下,MAE值均随BC内混态比例增大而增大。入射光波长越小,增强作用越大。进一步解析结果表明,BC核粒径大小及外层包裹物厚度分布不同对MAE的影响作用有差异。深圳核粒径分布较小,且外层包裹物相对厚度比例较大,对吸光增强作用相对较大。此外,BC外层包裹物成分对MAE也可能有影响。区域点BC粒子在迁移转化的过程中与其他组分充分混合,所以受各二次组分影响较多。香河点有机物和硫酸盐影响最为显著;而城市点主要受硫酸盐影响,且显著性低于区域点。
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