基于在线观测的大气PM2.5中棕色碳吸光贡献估算

崔 杰,黄晓锋,袁金凤,曹礼明,王 川,兰紫娟,何凌燕

(北京大学深圳研究生院,环境与能源学院,城市人居环境科学与技术实验室,广东 深圳 518055)

基于在线观测的大气PM2.5中棕色碳吸光贡献估算

崔 杰,黄晓锋*,袁金凤,曹礼明,王 川,兰紫娟,何凌燕

(北京大学深圳研究生院,环境与能源学院,城市人居环境科学与技术实验室,广东 深圳 518055)

使用三波长光声黑碳光度计(PASS-3)和气溶胶质谱仪(AMS),于2011年秋季在浙江城市点金华和2014年夏季河北区域点望都进行了大气在线观测,采用改进的光吸收Angstrom指数(AAE)的方法统计外推黑碳AAE值,估算这2个典型地区PM2.5中棕色碳的吸光贡献.结果表明:经统计外推获得的金华和望都的黑碳AAE在405nm下的基准值分别是1.12和0.77,532nm下的基准值分别是0.87和0.63;进而估算金华和望都PM2.5中的棕色碳在405nm下的吸光贡献分别为9.8%和22.3%;532nm下的吸光贡献分别为5.9%和15.2%,表明我国大气中气溶胶棕色碳在短波段下的吸光贡献和辐射强迫影响不可忽视.

棕色碳(BrC)；黑碳(BC)；光吸收系数；光吸收Angstorm指数(AAE)

吸光性碳质气溶胶包括黑碳(BC)和棕色碳(BrC),是大气PM2.5中主要的吸光物质.近年来,棕色碳对气候变化的辐射强迫效应逐渐受到重视[1-4].棕色碳为吸光性有机碳,主要来源有生物质及生物燃料的燃烧、大气环境中的类腐殖酸和挥发性有机物的光化学反应[5-7],其对光的吸收从长波段到紫外波段呈现明显的增加趋势[8-9].

近期全球模型研究中,发现美国、欧洲和东亚的棕色碳在440nm下对总气溶胶吸收光学厚度贡献分别占到25%、20% 和15%[10].美国南加州夏季外场观测的数据显示棕色碳在短波段440nm下的吸收占到了颗粒物总吸收的40%,而在中波段675nm下的吸收仅占到总吸收的10%[11].我国有利用沉积膜方法对北京地区黑碳气溶胶的质量吸收效率及有机碳的吸光性进行研究[12],膜沉积采集到的有机组分在632nm波长下的吸光率高达1.4×104cm2/g,显然棕色碳的存在影响了膜带中黑碳的测量.我国对于棕色碳吸收谱特征的研究还远远不够,所以评估我国棕色碳吸光贡献对改善气候模型有着重要的意义.

目前有两种估算棕色碳吸光贡献的方法:一种是基于实际大气的光学和化学观测结果,结合米散射模型进行复杂的计算[13];一种是基于光学观测结果,结合吸收Angstrom指数(AAE)的方法,根据黑碳AAE基准值(纯黑碳吸收时的AAE值,AAE_BC)推算黑碳的吸收系数,从而获得棕色碳的吸收贡献[14-16],第二种方法因其考量因素少从而比较常见.然而,以往研究运用AAE方法时,通常不区分实际采样地点和季节对AAE的影响,仅从理论上将AAE_BC取为1.但在实际大气环境中,AAE_BC值因各种因素常不为1,将AAE_BC取为1虽然计算简便,但会带来较大的误差.之前有研究表明环境AAE值受OC/EC(有机碳/元素碳)影响较大,暗示有机碳在气溶胶吸光作用中的重要作用[17].

金华市处于浙江省中部,可代表长三角城市大气情况.望都县地处北京、天津、石家庄三角地带,观测点位于北京的上风向,一定程度上可以反映京津冀大气污染的区域性特征.本研究采用三波长光声黑碳光度计(PASS-3)和气溶胶质谱(AMS),于2011年金华秋季和2014年望都夏季进行了大气细粒子高时间分辨率在线测量,采用改进的AAE方法,评估我国不同大气环境下PM2.5中棕色碳的吸光贡献.

1 仪器和方法

1.1 观测点设置

金华观测点位于金华市东面金东区环保大楼(29.1°N, 119.7°E),站点周边空旷,无显著的工业源.距离观测大楼南面200m左右为区主干道,测量仪器放置于大楼7楼实验室,PM2.5采样头架设于楼顶距离地面1.5m左右(距地面25m)处.

望都观测点位于保定市交通局绿化基地内(38.7°N, 115.2°E),周围是麦地和树木,无显著的工业污染源,PM2.5采样头架设在二层集装箱顶,距离集装箱顶部约2m(距离地面约10m).观测期间,当地及周边县城有小麦收割,偶有生物质燃烧事件.

1.2 观测仪器

观测采用三波长光声黑碳光谱仪(PASS-3)是由美国DMT公司生产制造的在线原位测量气溶胶吸收系数的仪器,测量波长分别为405,532和781nm.PASS-3测量范围＜8000Mm-1,测量精度＜10%,时间分辨率为2s,采样流量为1L/min.三波长下检测限分别为10.0Mm-1@405nm、10.0Mm-1@532nm和3.0Mm-1@781nm.本研究还利用高分辨率飞行时间气溶胶质谱AMS,该仪器能实现测量亚微米级颗粒物化学组成和粒径分布[18].使用该仪器与PASS同步观测,获得有机物的质量浓度信息.

2 结果与讨论

2.1 颗粒物吸收系数

图1给出了2011年金华秋季和2014年望都夏季观测期间三波长吸收系数及有机物质量浓度值时间序列.金华观测的时间为2011年10月30～11月29日,为期30d.整个观测期间环境平均温度为15.9℃,平均相对湿度为80.8%,降雨少.期间以东南风为主.颗粒物在405,532,781nm波段下的平均吸收系数,分别为65.85,42.28,28.48Mm-1.有机物的质量浓度的平均值为14.43µg/m3.

图1 2011年金华秋季和2014年望都夏季观测期间三波长吸收系数及有机物质量浓度值时间序列Fig.1 The time series of aerosol light absorption and mass concentration of organic aerosol in Jinhua and Wangdu

望都观测的时间为2014年6月4～7月4日,为期31d.整个观测期间环境平均温度为26.1℃,平均相对湿度为59.6%,在后期有几天连续的降水,观测期间主要受来自东南的气团影响.颗粒物在各波段的吸收系数分别为27.95、19.68和13.10Mm-1.有机物的质量浓度均值为12.02µg/m3.

金华的颗粒物吸收系数显著高于望都点,约为2倍.金华作为长三角的城市点,受本地一次排放与二次生成影响很大,污染物浓度水平较高,化石燃料的燃烧对吸光物质黑碳排放的贡献很大.望都作为区域背景点,除了受周边生物质燃烧和交通排放源影响外,很大程度上受到来自京津冀区域传输的污染物影响.

2.2 AAE_BC的确定

吸收Angstrom指数AAE,是Angstom指数在光吸收方面的进一步应用[19],被用来表征吸光物质的光谱依赖性,定义如下:

式中:Abs是波长λ下的吸收系数(Mm-1).传统的用AAE方法计算棕色碳贡献可以被简单地表述为如下公式[20].

式中:Absλ1和Absλ2分别代表短波段和长波段下的吸收系数(Mm-1), AAE_BC代表纯黑碳气溶胶吸收的AAE值.BC_Absλ1代表短波段下黑碳的吸收系数(Mm-1),由AAE_BC和Absλ2推算得到.短波段下总的吸收系数减去黑碳的吸收系数即为该波段下棕色碳的吸收系数BrC_Absλ1(Mm-1).

本研究通过关注棕色碳与黑碳的相对量对环境AAE值的影响,利用观测点位颗粒物的有机物质量浓度和781nm下的光吸收系数,统计外推符合当地当季实际情况的AAE_BC.公式如下:

式中:Morg表示有机物的质量浓度(μg/m3),由AMS测得; r_org/bc代表有机物质量浓度与黑碳吸光的比值,这一参数可用来表征OC/EC.

图2是金华和望都观测期间405～781nm和532～781nm波段下AAE与r_org/bc的比值的线性相关分析.R2均在0.90～0.96之间,说明AAE405_781和AAE532_781与r_org/bc线性相关显著,AAE与包含棕色碳在内的有机物相对浓度存在正相关.当r_org/bc的值取0时,此时为无棕色碳存在的假设状态,吸光物质只有纯黑碳气溶胶,拟合直线的截距即为AAE_BC,袁金凤已采用此方法对珠三角地区棕色碳的吸光贡献进行了分析研究[22].

金华和望都的AAE_BC在405nm下分别是1.12和0.77,532nm下分别是0.87和0.63,可以看出金华点的AAE_BC值显著高于望都点,暗示金华点黑碳的波谱依赖性较强,这与其黑碳气溶胶的具体来源、粒径分布特征和混合状态有关[23-25].

图2 2011年金华秋季和2014望都夏季AAE值随有机物/黑碳比值线性相关Fig.2 The linear relationship between AAE and r_org/bc of organic aerosol in Jinhua and Wangdu

2.3 棕色碳吸光贡献

依据公式(4)、(5)计算得到的AAE_BC和仪器测得的781nm下的光吸收系数,可以通过公式(2)、(3)计算得出棕色碳在405和532nm下的吸光系数,最终求出棕色碳的吸光贡献.

图3 2011年金华秋季和2014望都夏季棕色碳吸光系数的估算Fig.3 Estimation of BrC light absorption in Jinhua and W angdu

图3直观地展现了金华秋季和望都夏季观测期间颗粒物在各波段的平均吸收系数以及由AAE_BC外推的黑碳吸收系数,两条线之间的垂直距离就是某波段下棕色碳的吸收系数.金华观测期间,405nm下棕色碳的吸光贡献为9.8%, 532nm下棕色碳的吸光贡献为5.9%.望都夏季观测期间,405nm下棕色碳的吸光贡献高达22.3%, 532nm下棕色碳的吸光贡献为15.2%.可以看出金华的棕色碳吸光贡献显著小于望都,这可能与长三角地区的金华城市点在该季节的主要排放源有关,其一次源主要为化石燃料的燃烧,远不如生物质燃烧过程产生的棕色碳多[8].望都点受到京津冀的区域传输和本地污染的双重影响,观测期间正是京津冀地区夏季的麦收季节,生物质燃烧对PM2.5中有机碳的贡献可达30%以上[26]. Cheng等[27]和Du等[28]指出京津冀地区的棕色碳主要来源于生物质燃烧的一次排放.所以,可推断望都观测中的棕色碳受到了生物质燃烧一次排放的显著影响.

3 结论

3.1 观测期间,金华城市点的颗粒物在各波段下的平均吸收系数分别为65.85,42.28, 28.48Mm-1.而望都区域点的颗粒物在各波段下的平均吸收系数分别为27.95,19.68,13.10Mm-1.金华城市点受较强的本地污染物排放的影响,颗粒物消光系数明显大于望都背景点.

3.2 利用观测点位颗粒物的有机物质量浓度和781nm下的光吸收系数的比值,经统计外推获得的金华秋季和望都夏季的AAE_BC(405nm)分别是1.12和0.77,AAE_BC(532nm)分别是0.87和0.63.

3.3 金华和望都PM2.5中的棕色碳在405nm下的吸光贡献分别为9.8%和22.3%,在532nm下的吸光贡献分别为5.9%和15.2%.金华的棕色碳吸光贡献显著小于望都,望都点受到了周边生物质燃烧产生的棕色碳的影响.

3.4 研究结果说明,我国大气中黑碳虽然在颗粒物吸光中发挥着主导作用,但棕色碳在短波段下的吸光贡献不容忽视,值得在更多的时空条件下进行分析研究.

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Estimation of light absorption by brown carbon in PM2.5based on on-line measurement.

CUI Jie, HUANG Xiao-feng*, YUAN Jin-feng, CAO Li-ming, WANG Chuan, LAN Zi-juan, HE Ling-yan
(Key Laboratory for Urban Habitat Environmental Science and Technology, School of Environment and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：401～406

Two field campaigns were conducted using a three-wavelength photo-acoustic soot spectrometer (PASS-3) and aerosol mass spectrometers (AMS), including urban site Jinhua during autumn 2011 and rural site Wangdu during summer 2014 in this study. Light absorption of brown carbon with improved Absorption AngstromExponent (AAE) method was evaluated by extrapolating the more realistic AAE by “pure” BC (AAE_BC). The AAE_BCwere found to be 1.12, 0.77 between 405nmand 781nm, and 0.87, 0.63 between 532nmand 781nmin the campaign of Jinhua and Wangdu, respectively. The contributions of BrC aerosol light absorption of PM2.5at 405nmwere 9.8% and 22.3%, and 5.9% and 15.2% at 532nmin Jinhua and Wangdu, respectively. The results indicate that the contribution of brown carbon to the aerosol light absorption at shorter wavelength is not negligible in China.

brown carbon (BrC)；black carbon (BC)；light absorption；absorption angstromexponent (AAE)

X513

A

1000-6923(2017)02-0401-06

崔 杰(1990-),男,山东东营人,北京大学深圳研究生院硕士研究生,主要从事碳质气溶胶吸光性研究.

2016-03-28

国家“973”项目(2013CB228503);国家自然科学基金项目(21277003)

* 责任作者, 教授, huangxf@pku.edu.cn