基于在线观测研究南京大气棕碳吸光特性、来源及演变过程

作     者：陈星州 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：盖鑫磊

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

主      题：棕碳 吸光特性 来源解析 演变过程 在线观测 

摘      要：棕碳(BrC,brown carbon)是大气颗粒物中吸光性有机物,对大气能见度、气候、人体健康均有重要的影响。由于受观测技术的限制及观测资料的有限性,针对BrC的吸光特性和来源以及其大气演变过程的认识依然有限,从而也导致了在对BrC气溶胶的环境和气候效应评估中的很大不确定性。因此,进一步针对BrC理化性质和演变机制的观测研究,对验证和优化针对大气BrC的模拟有重要的科学意义。本文基于BrC高时间分辨率在线观测系统在我国长三角洲典型城市南京选择两个观测点(分别代表郊区和城市环境)开展外场观测实验,主要研究内容和结果如下:首先,本文研究了BrC的吸光特性的变化规律,其吸光系数呈现明显的季节性变化规律,其均值在春季(8.90 Mm)和冬季(8.31 Mm)高而夏季(6.70 Mm)和秋季(6.75 Mm)低的变化趋势。四季中,BrC对气溶胶总吸光系数的贡献在冬季最大(24.9%),而在夏季最小(19.3%)。BrC吸光系数随着波长的增加而降低,其四季波长依赖指数((?)ngstrom,AAE)值分别为1.25、1.29、1.20和1.32。利用最小相关性法(MRS,Minimum R correlation method)定量分离出了一次棕碳(BrC,primary brown carbon)和二次棕碳(BrC,secondary brown carbon)。四季中,BrC的吸光系数及贡献和总BrC吸光系数相同的季节变化趋势,且冬季吸贡献最高为69.10%,表明一次排放源对BrC有重要的贡献。夏季BrC对总BrC吸光系数的贡献为44.15%,相比其他季节(30.90%–40.02%)有明显的升高,表明夏季二次形成过程对BrC有重要的贡献。BrC的光谱依赖性总体而言要明显强于BrC,BrC的贡献率始终随着波长的增加逐渐降低。其次,本研究探究了南京大气棕碳的来源,通过BrC和气体污染物的相关性分析,结合BrC和BrC日变化趋势发现,郊区冬季BrC受到煤炭和生物质燃烧影响较大,而交通排放在其他季节排放BrC影响较大,且对夏季郊区和城市BrC的影响相当。液相反应是冬季BrC的主要生成途径,夏季主要来自光化学反应,但城市夏季BrC可能受到其他二次生成的影响。此外,本研究也进一步结合高分辨气溶胶质谱在线观测技术定量解析了城市站点BrC的来源,本研究利用正交矩阵因子分解(PMF,positive marrix factorization)确定了城市BrC的主要来源,它们分别是交通排放的有机气溶胶(HOA,traffic-related hydrocarbon-like OA)、烹饪相关有机气溶胶(COA,cooking-related OA)、低氧化性有机气溶胶(LO-OOA,less oxidized oxygenated OA)、中氧化性有机气溶胶(MD-OOA,medium oxidized oxygenated OA)、高氧化性有机气溶胶(MO-OOA,more oxidized oxygenated OA)以及LSOA(当地排放二次有机气溶胶(LSOA,local secondary OA)。利用多元线性回归(MLR,Multiple linear regression)模型定量了不同来源的吸光截面值和贡献,HOA和LO-OOA是BrC的主要来源,在370 nm下对BrC的吸光贡献分别为26.4%和42.6%,贡献了BrC的大部分吸光。通过气象数据辅助分析BrC传输路径和潜在来源,气象要素分析发现,水平风速对BrC有一定的影响,而边界层高度的影响作用相对更大,表明大气垂直扩散和稀释能力对大气棕碳含量有重要影响。通过后向轨迹分析探究了远距离传输对不同季节BrC的影响,发现来自海上的气团BrC贡献较大,对春季、夏季和秋季的BrC有显著的影响,而冬季主要受到气团短途运输的影响。潜在来源分析(PSCF,potential source contribution analysis)结果表明,春季和夏季BrC主要受到当地排放的影响,秋季的主要受到观测地点周围局部区域的排放,而冬季由于燃烧活动的增加,导致当地排放区域相对集中且更广泛。最后,针对BrC典型演变过程的分析发现,短期减排(如煤炭和生物质燃烧)使春节后期排放BrC减少了40%,表明其对BrC有显著的影响。二次生成包括液相反应和光化学反应是BrC生成的主要途径,且在不同时期的影响大小不同。进一步结合BrC的来源对不同污染时期的分析发现,HOA和MO-OOA是污染较轻时期BrC的主要来源,两者吸光贡献能达到44.57%和29.03%,而LO-OOA在污染较重时期吸光贡献能达到67.31%,因此它是BrC污染时期的主要来源。同时,该时期O浓度表明大气氧化性增加,促进LO-OOA的生成,也导致了BrC吸光能力增强。