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行业动态|中科院大气物理研究所武云飞团队研究揭示排放控制和气象输送对北京地区黑碳气溶胶变化特征的影响
发布时间:2021-06-19 浏览量: 扫码(ma)(ma)访(fang)问

近日,中国(guo)科学(xue)院大气物(wu)理研究所武云(yun)飞老师课题(ti)组(zu)利用北京地区多(duo)站点Aethalometer®黑碳仪的(de)观测(ce)资料,分析了(le)黑碳气溶胶的(de)时空变化特征及影(ying)响(xiang)因(yin)素。此项研究成果对深(shen)入了(le)解(jie)我(wo)国(guo)典型城(cheng)市(shi)区域近地面黑碳气溶胶的(de)变化趋势、定量评估城(cheng)市(shi)大气污染的(de)减排(pai)效果具有一定借鉴意义。文章在(zai)环境领(ling)域知名学(xue)术期(qi)刊Chemosphere上发表。

合作单位(wei):中国(guo)科学院地球环境研(yan)究所,中国(guo)气象局气象探测(ce)中心(xin)
关键词:黑碳、北(bei)京、排放管控、传(chuan)输变化
第(di)一(yi)作者:夏(xia)芸洁(博士研究生)
通讯(xun)作者:武云(yun)飞副(fu)研究员
原文链接:http://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126849

背景介绍
由于化石能源的(de)(de)(de)高消耗,中(zhong)国被认为是(shi)全球黑碳(Black Carbon,BC)排放量最大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)国家之(zhi)一,特别是(shi)在(zai)华北(bei)平原的(de)(de)(de)冬季,由于住宅供暖和工(gong)业活动的(de)(de)(de)需求,煤(mei)炭的(de)(de)(de)大(da)(da)(da)量消费和以煤(mei)为主的(de)(de)(de)能源结构(gou)成为导致(zhi)大(da)(da)(da)气(qi)(qi)污染物排放负荷(he)巨大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)主要根源。随着2013年(nian)《大(da)(da)(da)气(qi)(qi)污染防治行(xing)动计划(hua)》的(de)(de)(de)实(shi)施,北(bei)京地(di)区(qu)的(de)(de)(de)细(xi)颗粒物浓(nong)度显(xian)著降低,然而(er)作为PM2.5的(de)(de)(de)重要组分(fen),以及气(qi)(qi)候和大(da)(da)(da)气(qi)(qi)环境变化的(de)(de)(de)重要驱动因子之(zhi)一,BC的(de)(de)(de)变化及对其控(kong)制措施的(de)(de)(de)响应是(shi)人们迫(po)切关注(zhu)的(de)(de)(de)科学问(wen)题(ti)。
图文解析
图1. 站(zhan)点的地理位置(zhi) (a) 和BC浓度年均(jun)(jun)值的时间序列(lie),灰色实线表示(shi)市区的平均(jun)(jun)水平(包括PKU、IAP、BNU和BAST四(si)个站点)
图2. 不同时期的BC与PM2.5 (a) BC与CO (b) 的散点对比

空间(jian)(jian)分布(图1b)来(lai)看(kan),BC浓度整体呈(cheng)明显(xian)南高北低的(de)分布特征(zheng),在供暖(nuan)(nuan)期间(jian)(jian)这(zhei)种(zhong)南北差异更加(jia)明显(xian)。时间(jian)(jian)尺度上,由(you)于(yu)本地排放(fang)量(liang)的(de)大(da)幅减(jian)少,过去(qu)13年间(jian)(jian)BC浓度下降约61%。供暖(nuan)(nuan)期间(jian)(jian)BC与(yu)CO、PM2.5的(de)相关性(xing)更强(qiang)(图2),表明排放(fang)源(yuan)相似(si)且BC对细(xi)颗粒物的(de)贡(gong)献较大(da),同时由(you)于(yu)CO排放(fang)量(liang)增加(jia)导致 BC/CO 总体较低;而非供暖(nuan)(nuan)期间(jian)(jian)的(de) BC/CO 较高,反(fan)映了柴油车的(de)重要贡(gong)献。
图3. 不同时期的α,αBrC和KBrC的直方图和日变化
图4. 不同时期、不同地点的气溶胶吸收系数的波长指数 (a) 为总吸收,(b) 为棕碳贡献的吸收

气溶胶的(de)吸收特(te)性(xing)也表(biao)现出明显(xian)的(de)空间和(he)季(ji)节差(cha)异。北京北部地区及(ji)供暖(nuan)期(qi)间的(de)α,αBrC和(he)KBrC值较高(图3、图4),主(zhu)要是由于(yu)区域范围内煤和(he)生物质燃(ran)烧产生的(de)棕碳(BrC)引起的(de)强吸收所致。在非(fei)供暖(nuan)期(qi)间,本地新鲜排放(fang)的(de)BC是主(zhu)要贡(gong)献(xian)者(zhe)。不(bu)同时(shi)期(qi)吸收特(te)性(xing)的(de)日变化(hua)规律揭示了不(bu)同的(de)排放(fang)源和(he)老化(hua)过(guo)程。
图5. 不同方向气(qi)团(tuan)上变量的统计平均值

结合气团轨迹(ji)的聚(ju)类分析、PSCF、CWT等方法,讨论了污染源(yuan)的潜在区域,结果(guo)表明(ming),来自南部(bu)和西(xi)(xi)部(bu)的气团带来了高浓度的BC、PM2.5及(ji)二次颗(ke)粒(li)物(wu),而西(xi)(xi)部(bu)和西(xi)(xi)北区域为最大(da)的BrC排放贡献源(yuan)(图5)。
图6. 2016和2017年由于排放(fang)控制(zhi)和气象输送(song)引起的各变量的相对变率
(蓝色表示相对于2015年的总变率,绿色和红色分别表示由于排放控制和输送变化引起的变率)

这里提出了一种基(ji)于(yu)聚类(lei)分析的(de)(de)新方法,用于(yu)估算由于(yu)排(pai)放(fang)控制(zhi)和输送场变(bian)化对污(wu)染物产生(sheng)的(de)(de)影响。基(ji)于(yu)2015年(nian)的(de)(de)观测结果,计算出2016和2017年(nian)由于(yu)两种因素引起的(de)(de)各参数的(de)(de)相对变(bian)率(图6)。从2015至2016年(nian),减排(pai)作用导致BC浓度降(jiang)低(di)了38%,到了2017年(nian),减排(pai)和输送的(de)(de)共同作用导致BC浓度进一步降(jiang)低(di)。

文章结论
1、基于(yu)不同站点(dian)的(de)连续观测数(shu)据以及文献中调研的(de)历史数(shu)据对北京市区的(de)BC气溶胶进行了(le)综合分析,BC浓度整体呈现南高北低的(de)空间分布特征(zheng),2005至2017年期(qi)间年均值下降了(le)约61%。
2、与(yu)排放源相(xiang)关的气溶胶(jiao)吸收特性表现出明显的空(kong)间(jian)和季(ji)节差异(yi),北(bei)京北(bei)部地区(qu)和供暖期(qi)间(jian)BrC贡献较(jiao)大。
3、聚类(lei)分析(xi)和受体模型(xing)分析(xi)结果表明,南向和西向气团携带(dai)较高浓度的(de)BC和PM2.5,西部(bu)和西北方(fang)向存(cun)在BrC的(de)潜(qian)在源(yuan)区。
4、定量分离了(le)排放控制和输送变化对污(wu)染物的影响(xiang),减排作用(yong)是(shi)2015至2017年期间BC降低的主(zhu)要原因。

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Real-time BC mass concentrations were measured using sevenwavelength aethalometers (Model AE-31, Magee Scientific Company,Berkeley, CA, US)