兰州市冬季亚微米气溶胶的化学组成及其吸光特性研究

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具有吸光能力的气溶胶能够吸收辐射而对地气系统产生正强迫,从而影响地气系统的能量收支,并进一步对全球气候变化产生影响,而气溶胶的吸光特征在很大程度上取决于其化学组成,结合化学组分和吸光特征的研究有利于全面了解气溶胶的理化特征。本文首先利用高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪(HR-ToF-AMS)分析了兰州冬季亚微米气溶胶(PM1)的化学组成,然后通过分析黑碳仪(AE31)的观测数据,计算并修订了吸收系数,并根据黑碳和棕色碳吸光特征的差异对它们吸收系数进行了区分,最后结合化学组分信息和棕色碳吸光特征分析了棕色碳的可能来源,以期对中国西北地区典型城市亚微米气溶胶颗粒的组分特征和黑碳、棕色碳的吸光特征有更深的认识。研究结果表明:  (1)观测期间,PM1的平均质量浓度为56.7μg·m-3,其中含量最大的是有机物(OA),占到总质量浓度的到51.2%,其余依次为硝酸盐(NO3-,16.5%),硫酸盐(SO42-,12.5%),铵盐(NH4+,10.3%),黑碳(BC,6.4%),氯化物(Chl,3.0%)。而在有机物中半挥发低氧化态有机气溶胶(SV-OOA)的含量最大,占有机质量浓度的24.0%,其余依次为餐饮排放气溶胶(COA,19.8%),低挥发高氧化态有机气溶胶(LV-OOA,19.2%),烧煤排放(CCOA,17.8%),生物质燃烧(BBOA,10.3%),最低的是烃类有机气溶胶(HOA,8.9%)。CCOA、BBOA和HOA三者与BC的相关系数较大,分别为0.74、0.76和0.85,说明煤燃烧、生物质燃烧和汽车尾气等是BC的重要来源。  (2) PM1质量浓度的日变化呈现明显的双峰变化,在13时左右和20时左右达到两个峰值。OA,BC以及Chl的变化规律与PM1大体一致。SO42-、NO3及NH4+均呈现单峰变化。COA的日变化规律为明显的双峰变化,且对OA峰值的影响很大。HOA、BBOA以及CCOA均为不太规则的双峰变化,SV-OOA和LV-OOA大致呈单峰变化。  (3)棕色碳在550 nm处的平均吸收系数为9.9(±5.9)Mm-1,占到总吸收系数的16.3%,黑碳在550 nm处的平均吸收系数为51.0(±28.1) Mm-,占总吸收系数的83.7%。观测期间,黑碳的平均浓度为3.7μg·m-3,棕色碳吸收系数的Angstrom指数拟合值为4.2。黑碳和棕色碳吸收系数的日变化都呈双峰型,且变化趋势非常相似,黑碳吸收系数的两个峰值分别出现在上午11时和晚上21时,棕色碳吸收系数的两个峰值分别出现在上午10时和晚上20时,均比黑碳的早一个小时。黑碳晚上21时吸收系数的峰值明显比上午11时的峰值要高,而棕色碳吸收系数的两个峰值大小相当。能见度随黑碳浓度的增加呈指数型减小。当能见度大于15km时,能见度对黑碳浓度的变化较为敏感,而当能见度小于15km时,黑碳浓度变化对能见度的影响较小。  (4)550 nm处BBOA和CCOA的吸收系数占到棕色碳吸收系数的41.5%,其次是SV-OOA(32.8%)、LV-OOA(14.2%)、HOA(7.8%)和COA(3.8%),说明兰州冬季一次有机物是棕色碳的主要来源。从550 nm变为370 nm BBOA和CCOA吸收系数所占比例明显增大(由41.5%增加到52.8%),其他各成分吸收系数所占比例变小,这说明BBOA和CCOA的Angstrom指数比其他种类的有机物大,BBOA和CCOA在近紫外波段具有强烈的吸收作用。
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