大气气溶胶富集系统探测黑碳与棕碳气溶胶及其光学特性研究

康慧慧 ,尚晓娜 ,张路明 ,陈建民,2

(1.复旦大学 大气与海洋科学系,上海 200438;2.复旦大学 环境科学与工程系 上海市大气颗粒物污染防治重点实验室,上海 200438;3.上海应用技术大学 化学与环境工程学院,上海 201418;4.山东省泰安生态环境监测中心,山东 泰安 271215)

近年来,我国空气质量明显改善,大气细颗粒物(PM2.5)浓度大幅度降低。然而秋冬季仍经常爆发雾霾事件,引起了人们的密切关注。大气细颗粒物不但能通过呼吸系统进入人体危害人体健康[1],还可以通过散射和吸收太阳光等直接效应影响地球的辐射收支和能量平衡,进而影响全球和区域气候变化[2]。虽然几乎所有的颗粒物对太阳光都具有散射效应,但是在PM2.5中主要的光吸收成分是含碳物质(碳质气溶胶)[3]。其中,黑碳(Black Carbon,BC),又称元素碳(Elemental Carbon,EC)[4],对太阳辐射的吸收宽泛,从可见光区域一直到红外光区都具有强烈的吸收[5]。大气中的有机碳(Organic Carbon,OC)长期以来仅仅被视为光散射物质,不具有吸光性[6]。然而,最近发现部分有机碳除了光散射特性外,在紫外光近可见光区也呈现出吸光性,这一类有机碳被称为棕碳(Brown Carbon,BrC)[7-10]。BrC气溶胶作为复杂的有机混合物[11],不仅会参与化学过程[12],还能产生显著的区域辐射强迫[13-15]。全球模型的模拟表明,BC气溶胶直接辐射强迫为0.09～1.26 W·m-2[16],产生的气候效应与甲烷相当,由BC气溶胶引起的全球变暖高达0.3～0.4℃[17-18]。而BrC气溶胶产生的产生辐射强迫为0.1～0.6 W·m-2,约为BC气溶胶的20%,在生物质燃烧和生物燃料燃烧为主的区域,这一比例可能更高[14,19]。虽然碳质气溶胶在全球气候变化中发挥着重要作用,但政府间气候变化专门委员会(Intergovernment Panelon Climate Change,IPCC)第5次评估报告指出[20-21],气溶胶产生的辐射强迫作用是影响气候变化的关键因素中最不确定和亟待深入认识的。迄今为止,大部分气溶胶光学性质研究中测得的吸光系数和单次散射反照率,误差都在20%～35%,甚至更高[22-24],使得气溶胶辐射强迫的不确定因子高达4～9[21]。因此,大气模式中对气溶胶直接气候效应精确可信的估算离不开对BC和BrC吸收和散射系数的准确观测。目前,由于PM2.5浓度相对较低,已有的技术手段对气溶胶光学性质的观测受到仪器检测线、背景噪音等因素的干扰较大,获得的测量结果误差较大。因此,亟需发展高效的测量方法,实现碳质气溶胶光学特性的精确观测。

为了克服传统膜采样和光学测量中出现的问题,实现对碳质气溶胶及其光学特性的有效观测,最大限度地减少数据误差,提高结果可信度,本文将多功能气溶胶浓缩富集系统(Versatile Aerosol Concentration Enrichment Systern,VACES)融合到了PM2.5采集和在线光学观测中。VACES 最早由Kim 等[25-27]研发,用于体内外细颗粒物毒性效应的评估。对VACES 进一步的外场评估发现,VACES 的浓度富集过程很少影响PM2.5的粒径分布和化学组成,致密性和密度也未出现显著变化[27-28]。VACES 出色的浓缩效果和对颗粒物原有物化性质的完好保留使得这一技术得到了很多研究者的青睐,被广泛应用于动物暴露和人体毒理学研究[29-31]。Shang等[32]将VACES 与离子色谱技术相结合,用于颗粒物中毒性组分亚硝酸盐()的在线测量及形成机理研究,有效降低了检测限,实现了对这一痕量物种的小时分辨率观测。Kang等[33]首次将VACES 与光学仪器联用,实现了对碳质气溶胶污染特征和光学特性的高精度观测。

本文搭建并改进VACES与光学仪器联用,富集系统的浓缩使PM2.5的浓度提高10倍,通过对比上海市夏季和冬季的高分辨率数据,探讨BC和BrC对光吸收的贡献,并进一步厘清碳质气溶胶光学特性与来源之间的关系。

1 实验部分

1.1 大气气溶胶富集系统-光学仪器联用装置搭建

PM2.5富集系统的搭建主要包括3大模块(图1): 进样模块、在线浓缩模块以及在线膜样品收集与光学观测模块。在进样模块,利用武汉天虹公司生产的多功能组合式PM2.5的切割器对大气颗粒物进行粒径筛选。该切割器根据冲击原理设计,利用不同粒径颗粒的冲击惯性,实现颗粒物的分离。通过该切割器,空气动力学直径大于2.5μm 的悬浮颗粒物被冲击分离收集板捕获,小于或等于2.5μm 的颗粒物通过冲击孔板,进入在线浓缩模块。在线浓缩系统包括饱和器、冷凝管和虚拟切割器3部分[32-33]。饱和器是一个装有一定量(2/3容量)去离子水的密封水箱,水箱底部设有U 形加热管和温度检测器,可以实时控制水温并在水箱上空形成稳定的饱和蒸汽环境。当大气颗粒物被吸入水箱,经过饱和器上部,便被水汽包裹达到过饱和状态。饱和颗粒物在真空泵的抽力下,沿饱和器出口上方的冷凝管上行。冷凝管被灌有低温乙醇的铜管缠绕,外置冷凝机可以通过控制铜管内循环冷凝液的温度调节冷凝管的温度。在冷凝管中,气溶胶快速冷凝长大成3～4μm 的液滴。大液滴继续上行经过虚拟切割器中的喷嘴,获得加速度进入浓缩气路,而气体和小于3μm 的液滴通过旁路气体出口,被大流量真空泵排出。从浓缩气路出来的颗粒物,经硅胶管干燥(RH±22.7%),恢复至原始粒径大小,随后进入在线膜样品收集与观测系统。

图1 多功能气溶胶浓缩富集系统-光学仪器联用装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the VACES integrated into optical instruments

富集后的大气颗粒物一部分从气流(6 L·min-1)中进入自动换膜颗粒物采样器(德国康姆德润达,PNS 16 T-3.1),完成颗粒物的连续自动采集;一部分(3 L·min-1)连接至积分浊度计(美国TSI,Model3563),实时测量其散射系数;一部分(3 L·min-1)通入黑碳仪(美国Magee,Model AE33),获得吸光值;最后一小部分(0.3 L·min-1)到达静电迁移率分析仪(DMA,美国TSI,3081型)与冷凝颗粒计数器(CPC,美国TSI,3775型),共同测定富集后颗粒物的浓度,通过与环境中颗粒物浓度的对比,可以获得实时富集效率。因此,光学观测模块所抽取的浓缩流量总计为12.3 L·min-1。

1.2 碳质气溶胶及其光学性质的高精度外场观测

本研究在复旦大学江湾校区环境系楼(31.344°N,121.518°E)7楼进行,高度约为20 m,PM2.5切割器由铁架台支撑,高约为1.5 m,进样口附近开阔无遮挡。复旦大学江湾校区位于东海以东约40 km,黄浦江下游1 km 处,附近主要是为居民和商业区,其大气污染特征可能受当地排放影响,也可能受长距离输送影响,具有一定的代表性。

1.3 小流量连续PM2.5 膜采样

使用直径47 mm 的石英膜(英国Whatman)对颗粒物进行收集。采样前,先将石英膜用铝箔纸包裹,置于马弗炉中,900℃连续灼烧5 h,以去除膜上的有机污染。一体式自动换膜颗粒物采样器每次可装入16个石英膜用于连续采样,每次换膜前用酒精仔细擦拭清洁各个膜夹,以防样品间相互污染。收集到的石英膜分别装入47 mm 的滤膜保存盒中,贴好标签后放入冰箱(-10℃)保存,减少物质挥发。每个样品的采样周期为2 h,采样流速低至6 L·min-1。本研究分别采集了2021年夏季(2021年6月15日—7月15日)和冬季(2021年12月29日—2022年1月25日)的样品,共收集超过800张膜样品,实现了较低流速下较高时间分辨率大气颗粒物样品的收集。

1.4 光学性质在线观测

富集后的颗粒物由3波长(450、550和700 nm)积分浊度计测定其散射系数。运行时,仪器内部自带的汽轮鼓风机将气流样品吸入测量室。卤素灯在7°～170°的范围内照射样品,光学管道和光学玻璃用于扩散卤素灯的光路,通过一系列和仪器主轴平行的狭缝,样品最终由3个光电倍增管检测[34]。仪器使用具有很强吸光特性的光阱产生极暗的背景,并在此环境下测量气溶胶的散射系数。光阱、狭缝和仪器内壁上覆有非常薄的涂料,以阻止仪器内部自带的散射信号,降低样品池的背景噪音。仪器测量时的体积流量为3 L·min-1,时间分辨率为1 min。实验前后用清洁空气和高纯CO2对仪器进行校准,仪器每2 h自动进行一次基线校准。针对测量过程中可能出现的截断误差和非理性光源误差,利用Anderson等[35]提出的方法,对测得的原始数据进行修正。修正后的数据除以实时的浓缩效率,即可得到大气环境中气溶胶的实际散射系数。

利用7波长黑碳仪AE33对气溶胶的吸光值进行检测,黑碳仪的主要工作原理: 将气溶胶沉积到滤带的一个点上,测量透射光通过该滤带后衰减率的变化,从而计算出气溶胶的实时吸光效率。吸光效率的计算过程如下:

其中:ATN为负载颗粒物处滤带引起的光衰减;I和I0分别为光透过滤带前后的光强度值;babs为吸收系数;S为沉积点位的面积;Fin为流量;t为时间;C是多重散射参数,主要由滤带的材质决定。由7个不同波长(λn)下(370、470、520、590、660、880、950 nm)气溶胶的吸光值,可以进一步计算其各个波长间的吸收埃氏指数(AAE):

AE33测量采用的体积流量和时间分辨率均与TSI3563保持一致。使用过程中仪器每天自动进行清洁空气测试与校准。

2 结果与讨论

2.1 大气气溶胶光学性质

由浊度计和黑碳仪测得上海市夏季和冬季大气气溶胶的光学参数见表1,最终结果为换算到环境水平的小时平均值。

由于气溶胶的散射系数几乎由颗粒物的浓度决定,浓度越高,粒子越多,对光的散射越强烈[23],所以冬季颗粒物的散射系数远远高于夏季,在450、550 和700 nm 的散射系数分别为(153.35±129.21)、(114.26±100.41)和(74.44±69.54)Mm-1,几乎是章林缘等[36]在2018年冬季所测数据的1.5倍,但远远低于Cui等[37]在南京冬季和夏季测得的数据。利用黑碳仪在470、520、590、660和880 nm 处吸光值计算出实时AAE470,520、AAE520,590以及AAE660,880,最后根据方程(3)推导出黑碳气溶胶在450、550和700 nm 的吸光系数。从表1的结果可以看出,虽然冬季OC和BC的总含量与夏季相当,但其吸光系数却显著高于夏季。3 个波长下,夏季的吸光系数分别为(25.96±14.44)、(19.54±11.03)和(14.30±8.10)Mm-1,冬季的吸光值增量超过40%,分别为(37.98±35.25)、(27.45±24.90)和(18.79±16.98)Mm-1。

表1 上海夏季和冬季大气颗粒物光学性质Tab.1 Optical properties of atmospheric particulates in Shanghai in summer and winter

本结果夏季的数据要远远低于广州[38]、天津[39]、北京[40]等地。通过散射太阳辐射,大气气溶胶会对地气系统产生冷却作用,而碳质组分对太阳光的吸收又会给地气系统增温[41],气溶胶粒子的单次散射反照率(SSA)可以反映大气颗粒物散射作用占总消光(散射与吸光的总和)的比例,是评估气溶胶气候效应的关键变量。在本研究中,气溶胶在夏季3个波长的SSA平均值为0.70,略低于冬季平均值0.76,这可能是由于冬季颗粒物中非吸光成分的占比较高,同时也说明上海大气气溶胶的光学污染仍然以对太阳辐射的散射为主。

利用不同波长下的吸光系数,可以计算出AAE 值,评估气溶胶对光吸收的波长依赖程度。由于纯BC的AAE值约为1,若AAE值大于1,则说明有其他物质参与光吸收,若大于1.6则说明Br C的吸收贡献较大。本文计算了AAE450,700,发现夏季均值为1.36,冬季为1.54,均大于1,说明虽然观测期间BC 为主要吸光物质,但Br C对吸光的贡献也不容忽视。用同样的方法计算出气溶胶的散射埃氏指数(SAE),发现上海大气颗粒物的SAE 值在1.70～1.80之间。一般而言,SAE 与气溶胶中颗粒的平均尺寸成反比,颗粒越小,指数越大。SAE值小(SAE450,700＜0.5),表明粗颗粒占优势,例如海盐或灰尘,而SAE450,700＞1.5,表明小颗粒占优势,例如二次硫酸盐、硝酸盐气溶胶和生物质燃烧颗粒[42],因此对比发现本研究期间的颗粒物以较细粒子为主。

图2给出了夏季和冬季实验观测期间得到的时间序列图,其中颗粒物散射系数的时间变化趋势基本与PM2.5质量浓度的变化一致,散射系数在6月22日、7月4日、12月30日、1月10日和1月16日前后出现的峰值与该时段内PM2.5浓度的升高相对应,这也表明富集系统-光学仪器联用装置在应用过程中并不会改变颗粒物原有的散射属性。同样,在吸收系数上,夏季光吸收的最大值出现在6月22日OC 和BC总浓度最高处,而另一个小的峰值则出现在7月4日前后BC 浓度较高时。此外,冬季的吸收系数只出现两个较高时段,即12月30日与1月10日,而1月16日左右虽然颗粒物浓度较高,却并未观察到吸收系数的升高,初步推测该污染时段的排放源发生了变化。夏季SAE和AAE的值整体变化不大,但在1月10号前后SAE出现了一段低值区。整个观测期间,富集系统的浓缩效率维持在9.5～10.5倍之间。

图2 气溶胶光散射系数(bsca)、吸收系数(babs)、单次散射反照率(SSA)、埃氏系数(AAE,SAE)以及富集效率的时间序列图Fig.2 Time series of scattering coefficient(bsca),absorption coefficient(babs),single scattering albedo(SSA),scattering Angström exponent(SAE),absorption Angström exponent(AAE)and enrichment factor(EF)

2.2 棕碳气溶胶吸光特性

通过AAE法分别计算出BC与BrC的吸光效率,得到夏季和冬季二者在370 nm 的光吸收值以及BrC吸光贡献的时间序列图(804页图3)。可以看到,冬季BrC的吸光系数明显高于夏季,且对总吸光的贡献增加。夏季BC的小时平均吸光值为(26.09±14.38)Mm-1,略低于冬季的(34.82±30.60)Mm-1。夏季BrC的吸光值为(4.78±3.51)Mm-1,占总吸光的15%左右。冬季BrC 的吸光值为夏季的3 倍,达到(13.03±15.46)Mm-1,吸光占比增加到21%。Shen等[43]发现冬季大气PM2.5中BrC气溶胶的含量较高,冬季由BrC产生的吸光是夏季的4.7倍。在Yuan等[44]对珠三角地区的观测中,也报道了类似的季节差异。

图3 BC和BrC的吸光系数(babs,BC 和babs,BrC)以及BrC对总吸光的贡献(babs,BrC/babs)的时间序列图Fig.3 Time series of absorption coefficient of black carbon(babs,BC)and brown carbon(babs,BrC)and the contribution of brown carbon to total light absorption(babs,BrC/babs)

Br C化学组分和光学性质的众多研究发现,冬季居民取暖和生物质燃料的燃烧是引起冬季Br C 含量显著升高的重要原因[45-48]。一般来说,生物质和生物燃料燃烧产生的BrC吸光系数为8～15 Mm-1,而来源于化石燃料的BrC,吸光系数约为3 Mm-1,因此,在本研究期间,夏季的BrC 可能主要来源于化石燃料,而冬季主要来源于生物质燃烧。

质量吸收效率(MAE)可以用来表征碳质气溶胶的吸光能力,用BC的吸光值除以由膜样品中测得的BC实际含量得到MAEBC。对于BrC,虽然大部分OC不具有吸光能力,但仍用测得的OC代替BrC的含量,得到MAEBrC的最小值,粗略评估上海市夏季和冬季Br C的吸光特性。经过计算,在370 nm 处,夏季MAEBC,370的平均值为20.22 m2·g-1,MAEBrC,370约为1.09 m2·g-1,与华山夏季[49]的观测数据一致;冬季MAEBC,370在23.37m2·g-1左右,较高的BrC 水平造成气溶胶混合状态的改变可能是导致相对稳定的BC在冬季出现吸光增强的主要原因[50]。

冬季MAEBrC,370约为4.24 m2·g-1,Br C气溶胶的吸光能力远远高于夏季。Br C 气溶胶既有一次源排放,又有二次源生成。一次源主要有生物质燃烧、碳氢化合物燃烧以及煤炭燃烧,对应的MAEBrC,370水平分别为3.4、0.5和5.7 m2·g-1[51]。二次Br C 可以由生物和人为二次有机气溶胶的前体物生成,甲苯在高浓度NOx下生成的MAEBrC,370约为0.8 m2·g-1,由α-蒎烯生成的MAEBrC,370为0.02 m2·g-1[9]。夏季大气氧化性高,光化学反应剧烈,Br C 以二次源为主,MAE值较小,而冬季由煤炭供暖和生物质燃烧等一次源产生的BrC质量吸收效率较高。

图4为夏季和冬季不同波长下BC和BrC的吸光值以及BrC对总吸光的贡献。由图4可见,随着波长的增大,BrC的吸光系数及其贡献率迅速下降,各个波长下,夏季与冬季的吸光贡献相差约5%。夏季BrC气溶胶在450 nm 处的吸光系数为(3.09±2.09)Mm-1,冬季为(8.62±7.44)Mm-1;在550 nm 处分别骤降至(0.92±0.81)和(3.73±3.51)Mm-1。由于BrC成分复杂,因此AAEBrC在一定程度上也能反映BrC的来源特征和形成机制。当AAEBrC接近1时,BrC主要来源于化石燃料燃烧[52];当AAEBrC在1到3之间,主要来源于生物质的不完全燃烧或木材燃烧;当其增大到3～7之间时,主要来源于大气老化过程中生成的二次有机气溶胶[53]。通过不同波长下的吸收系数,我们可以推算出BrC的AAE值。算得370和550 nm 间夏季的AAE370,550均值为4.14,冬季均值为3.15,与珠三角的结果较为相似[44],高于Luo等[54]在北方6大城市测得的值。

图4 不同波长下BC和BrC的吸光系数(babs,BC 和babs,BrC)以及BrC对总吸光的贡献(babs,BrC/babs)Fig.4 Absorption coefficient of black carbon(babs,BC)and brown carbon(babs,BrC)and the contribution of brown carbon to total light absorption(babs,BrC/babs)at different wavelength

由于观测期间上海市二次有机碳(SOC)污染较高,尤其是夏季,高温条件下光化学反应活跃,SOC占比大,使得本研究测得的AAEBrC较大。此外,值得一提的是,不同方法测得的AAE值略有差异。水溶性成分测得的AAEBrC一般较大,例如,在美国[55]测得365～700 nm 间水溶性Br C的AAE 为6.2～8.3,在北京[56]测得300～500 nm 间的值为5.8～11.7。而通过在线观测获得的数据则较小,如Wang等[57]在北京的研究结果为4.0～5.0。因此,本文的观测结果可能偏小,SOC在实验期间尤其是夏季对气溶胶吸光性的影响可能更大。

2.3 碳质气溶胶污染源分析

2.3.1 聚类分析

对夏季和冬季观测期前后半个月的后向轨迹分别进行计算并展开聚类分析,结果见图5。如图5(a)所示,6月底的后向轨迹主要被划分为两类,且均为路径较短的区域输送。一类是来自南京、合肥等附近城市的本地气团,占比为61.7%,另一类为来自黄海的沿海运输气团,占比为38.3%。在7月,后向轨迹的类型变的更为多样,共分为4类。其中来自东海的气团途径福建、浙江等地到达上海,在所有轨迹中占比最高,达50.0%。此外,一部分(22.1%)来自中国南海的气团在珠三角地区登陆后沿湖南、江西以及安徽等地对上海气团产生影响,而同等占比的沿海气团则从东海区域直接登陆上海。最后,还有一小部分来自日本和韩国等亚洲地区的沿海气流,经过山东连云港、宿迁等海滨城市汇入上海的气团。冬季上海市受城市间短距离传输气团的影响巨大,来自上海西北部地区的气流在一月上旬和下旬分别占总轨迹的79.4%和46.9%,且在后期污染源逐渐北移。除了轨迹较短的区域传输,冬季的第二类污染气团来源于中国西北部地区的长距离输送,从前期的26.0%增加到后期的46.9%。

图5 夏季(S1-S2)和冬季(W1-W2)的72 h后向轨迹图,数字表示聚类分析集群占比Fig.5 Mean 72-h backward trajectories of each trajectory cluster in different periods.The numbers indicate the percentage of allocation to a cluster

2.3.2 PSCF源解析

由PSCF模型算得夏季和冬季各个典型污染天棕碳和黑碳气溶胶污染来源和传输情况见图6。区域颜色越红代表污染水平越高,越蓝代表越低。在6月20日至24日(图6(a、b))期间,碳质气溶胶的源区主要集中在黄海东部,靠近烟台、青岛、连云港沿海。其中BC的吸光污染源更集中于岸边港口,而BrC也有较高比重的污染源来自于港口附近的近海区域。在最近的一项研究中,Zhao等[58]发现长三角区域是世界上最繁忙的港口群之一,占全球海运货物吞吐量的11%。而先前一些关于沿海地区航运排放的研究报告称,近海船舶排放对海滨城市PM2.5的贡献要大于陆地远距离传输[59-61]。

图6 夏季(E1和E2)和冬季(E3和E4)各污染天潜在源贡献因子分析Fig.6 PSCF analysis of different episodes in summer(E1 and E2)and winter(E3 and E4)

综合以上结果,我们推测该污染时段内BrC和BC的排放源可能归因于附近港口商业航运的柴油燃烧,而在此期间观察到的高浓度SOC可能是由于夏季海面强烈的太阳辐射和较高的温度为二次有机气溶胶的生成创造了有利条件。因此,沿海港口活跃的航运排放可能显著影响海滨城市PM2.5中碳质气溶胶的成分和光学性质,引起较为剧烈的污染事件。7月3日—5日,光吸收污染主要来源于珠三角、福建省、安徽和江西省等中国内陆地区。这些能源消耗高、工业排放大的地区通过远距离输送和中尺度迁移影响着上海的碳质气溶胶污染状况。此外,东日本海和日本、韩国等亚洲国家以及山东省港口区域也是BrC的部分来源。

对于冬季的两个污染时段,据前一节的聚类分析可知,上海冬季的污染源主要来自西北方向的城市间短距离和长距离传输。在1月8日—12日,BC和BrC主要来源于山东及长三角区域的局地排放,冬季的燃煤供暖是碳质气溶胶生成的重要原因。从PM2.5的浓度水平来看,E4也是一个污染天,出现了颗粒物浓度的峰值,但从碳质气溶胶的吸收系数来看,该时段污染并不严重。相比于E3,E4的污染源范围更大,主要来源于河北、山东等地,且BC比Br C在当地的污染更严重。

不过,与E3不同的是,来自河北和山东的污染源并不经陆地到达上海,而是途径海洋。张泽锋等[62]曾发现大于1μm 的粒子的吸收系数将随环境相对湿度增加而有所减小。因此,我们推测E3和E4光学性质的差异并不完全归因于排放源,还可能由污染传输过程的不同引起,经过海洋到达观测点的碳质气溶胶,由于湿度、混合状态的改变,表现出了吸光系数的降低。

3 结论

本文对富集系统-光学仪器联用装置获取的高精度光学数据进行了分析,计算了上海市夏季和冬季BC与Br C气溶胶的吸光系数,研究了其季节差异,并对实验期间碳质气溶胶的潜在污染源区进行了探究,得到以下结论:

(1) 冬季颗粒物的散射系数远远高于夏季,在450、550 和700 nm 波长的平均散射系数分别为(153.35±129.21)、(114.26±100.41)和(74.44±69.54)Mm-1,略高于上海之前的一些研究值。冬季大气气溶胶在这3 个波长下的平均吸光系数分别为(37.98±35.25)、(27.45±24.90)和(18.79±16.98)Mm-1,约为夏季均值的1.5倍。气溶胶SSA 在观测期间的平均值在0.70～0.78之间,说明上海大气气溶胶的光学特性以散射效应为主,同时颗粒物吸收占比较高。

(2) 在370 nm 处,夏季BC的小时平均吸光系数为(26.09±14.38)Mm-1,BrC 的吸光值为(4.78±3.51)Mm-1,占总吸光的15%左右。冬季Br C的吸光系数为夏季的3倍,在总吸光系数中的占比增加到21%。夏季MAEBC,370的平均值为20.22 m2·g-1,冬季在23.37 m2·g-1左右,较高BrC水平下形成的包裹层可能是冬季BC出现吸光增强的主要原因。冬季MAEBrC,370约为4.24 m2·g-1,约为夏季的4倍,这是因为夏季Br C以二次源为主,所以MAE值较小。由于观测期间整体SOC水平较高,所以本研究得到的370和550 nm 间BrC的AAE370,550在3～4之间,且夏季低于冬季。

(3) 对碳质气溶胶光学污染进行聚类分析发现,6月的后向轨迹主要来源于路径较短的区域输送,一是附近城市间的本地气团,二是来自黄海的沿海运输气团。在7月,后向轨迹主要为经珠三角、福建、浙江等沿海地区汇入上海的海洋气团以及小部分来自日本和韩国等亚洲地区的沿海气流。冬季上海市主要受西北部地区城市间短距离传输气团影响。通过PSCF分析,我们发现沿海港口活跃的航运排放可能显著影响上海市PM2.5中碳质气溶胶的成分和光学性质,此外,不同污染天光学性质的差异,一方面可能由排放源的变化引起,另一方面,也可能由污染传输过程的不同引起。