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科研进展

STOTEN:北京地区气溶胶化学成分消光贡献演变特征

  气溶胶消光引起的大气能见度下降是气溶胶污染的一个显著环境效应,量化气溶胶化学成分的消光贡献是大气污染防控研究的一项重要研究内容。

  辛金元研究员团队利用2012-2013年北京地区高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪和黑碳仪的长期观测数据,系统分析了不同季节与不同气团来向控制条件下气溶胶化学成分消光贡献演变特征。基于中午前后细颗粒物在混合层内均匀分布的特征,提出了新的大气混合层整层气溶胶消光系数(σ)的计算方法,即气溶胶光学厚度(AOD)除以混合层高度(MLH)的理论方法来计算大气整层消光系数。新方法计算的整层垂直气溶胶消光系数与传统使用水平能见度经验算法计算的近地面消光系数有很高的一致性(图1)。
  利用多元线性回归方法建立了气溶胶化学成分和消光系数的闭合算法,结果表明,PM1.0中的非难熔成分(NR-PM1)和黑碳(BC)贡献了气溶胶总消光的88%,即使在春季和受西北来向气团影响时,气溶胶中粗模态粒子占比上升,非难熔成分(NR-PM1)和黑碳(BC)贡献仍可达80%和83%(图2)。在整体情况下,有机质、硫酸铵、硝酸铵、氯化铵和黑碳对消光的贡献占比分别为30%、26% 、24%、6%和6%;对比不同控制条件下气溶胶各化学成分的消光占比发现,有机质在污染天的消光占比(36%)显著高于清洁天(21%)(图3)。研究采用NR-PM1和BC的质量比(MR)来表征黑碳的老化,在黑碳的老化过程中,MR达到7以后,伴随着大气湿度上升,气溶胶混合状态的改变,在“透镜效应”的作用下,气溶胶的质量消光系数(MEE)开始大幅上升(图4)。
  研究结果凸显了污染天气溶胶中有机质、铵盐及气溶胶老化过程对大气能见度下降的贡献,在区域大气污染防控和能见度改善策略中,需加强对气溶胶前体物VOCs及氨气排放的管控。
  该研究得到了中国科学院战略先导专项美丽中国生态文明建设科技工程专题任务(XDA23020301)与国家重点研发计划大气污染成因与控制技术研究专项课题(2016YFC0202001)等项目资助。
  Citation:Lingbin Kong, Jinyuan Xin*, Wenkang Gao, Guiqian Tang, Xuemei Wang, Yuesi Wang, Wenyu Zhang, Weihua Chen, Shiguo Jia. A comprehensive evaluation of aerosol extinction apportionment in Beijing using a High-Resolution Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer. Science of The Total Environment, 2021: 146976.
图1:气溶胶光学厚度和能见度计算消光系数的对比
图2:气溶胶消光系数观测值和多元线性方程拟合值的对比(α为波长指数,用来表征气溶胶模态,观测值和拟合值之间的相关方程截距设为0,斜率表示NR-PM1和BC的对消光的贡献)
图3:整体和不同控制条件下气溶胶各化学成分的消光占比(Type-1至Type-IV表示气团来向,其中Type-II对应大风清洁天,Type-IV表示南来气团,对应污染天)
图4:NR-PM1质量浓度和气溶胶质量消光系数随黑碳老化的变化特征
 

 

  

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