第49卷 第3期
Vol.49, No.3, 262–272
2020年5月
GEOCHIMICA
May, 2020
收稿日期(Received): 2019-10-07; 改回日期(Revid): 2019-10-28; 接受日期(Accepted): 2019-11-06 基金項目: 國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0200500); 國家自然科學基金項目(41775118, 21607054) 作者
簡介: 董書偉(1995–), 男, 碩士研究生, 環(huán)境科學與工程專業(yè)。E-mail: * 通訊作者(Corresponding author): WANG Xin-feng, E-mail: xinfengwang@; Tel: +86-532-58631963
Geochimica
▌ Vol. 49
▌ No. 3
▌ pp. 262–272
▌ May, 2020
泰山大氣棕色碳的光吸收特性、吸光貢獻及影響因素
董書偉1, 王新鋒1*, 張 君1, 李洪勇1, 李衛(wèi)軍2,
李 敏1, 顧蓉蓉1, 蔣 瑩1, 單 業(yè)1, 高曉梅3,
劉恒德4, 國兆新4, 薛麗坤1, 王文興1
(1. 山東大學 環(huán)境研究院, 山東 青島 266237; 2. 浙江大學 地球科學學院, 浙江 杭州 310007; 3. 濟南大學 水利與
環(huán)境學院, 山東 濟南 250022; 4. 山東省泰山氣象站, 山東 泰安 271000)
摘 要: 棕色碳是大氣氣溶膠中重要的吸光性物質(zhì), 會影響大氣光化學過程、改變區(qū)域氣候。本次研究于2017年冬季和2018年春季在泰山頂采集了大氣細顆粒物(PM 2.5)樣品, 在實驗室測定了樣品中棕色碳和黑碳的光吸收系數(shù), 并測定了棕色碳成分硝基苯酚類化合物的含量。測定結(jié)果表明, 泰山冬、春兩季PM 2.5樣品中棕色
碳的平均吸收系數(shù)Abs 365分別為(4.61±2.42) Mm ?1和(2.38±0.98) Mm ?1, 質(zhì)量吸收效率MAE 365分別為(0.72± 0.12) m 2/g 和(0.52±0.24) m 2/g, 棕色碳在365 nm 處的吸收系數(shù)分別占碳質(zhì)氣溶膠總吸收系數(shù)的(32±7)%和
(20±9)%。通過對比與相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)泰山周邊地區(qū)人為活動對泰山頂上棕色碳的光學特性有重要影響, 泰山冬季受鄰近區(qū)域煤炭燃燒活動影響很大, 排放的大量一次有機物增強了棕色碳的吸光能力和吸收系數(shù), 導(dǎo)
致泰山冬季棕色碳的吸收系數(shù)與吸光貢獻顯著高于春季。根據(jù)測定結(jié)果, 泰山冬、春兩季硝基苯酚類化
合物在365 nm 處對棕色碳吸收系數(shù)的貢獻分別為(3.5±1.2)%和(2.5±1.0)%, 其中在紫外和紫光區(qū)域4-硝基酚的吸光貢獻最大, 而在420~450 nm 的藍光區(qū)域4-甲基-2,6二硝基酚的貢獻最大。硝基苯酚類化合物的吸光貢獻相對較小, 說明泰山棕色碳的吸光作用大部分來自于其他有機成分, 將來有待進一步的識別和評估。 關(guān)鍵詞: 棕色碳; 吸收系數(shù); 吸光貢獻; 硝基苯酚類化合物; 泰山
中圖分類號: P593; X513 文獻標識碼: A 文章編號: 0379-1726(2020)03-0262-11 DOI: 10.19700/j.0379-1726.2020.01.011
Light absorption properties, absorption contributions, and the influencing
factors of atmospheric brown carbon on Mount Tai
DONG Shu-wei 1, WANG Xin-feng 1*, ZHANG Jun 1, LI Hong-yong 1, LI Wei-jun 2,
LI Min 1, GU Rong-rong 1, JIANG Ying 1, SHAN Ye 1, GAO Xiao-mei 3, LIU Heng-de 4, GUO Zhao-xin 4 , XUE Li-kun 1 and WANG Wen-xing 1
1. Shandong University , Environment Rearch Institute , Qingdao 266237, China ;
2. School of Earth Sciences , Zhejiang University , Hangzhou 310007, China ;
3. School of Water Conrvancy and Environment , University of Jinan , Jinan 250022, China ;
4. Taishan Meteorological Station of Shandong Province , Taian 271000, China
Abstract: Brown carbon (BrC) is a kind of important light-absorbing compounds in atmospheric aerosols. It has significant effects on atmospheric photochemical reactions and regional climate change. In this study, samples of fine particulate matters (PM 2.5) were collected in the winter of 2017 and the spring of 2018 at the summit of Mount Tai. The light absorption coefficients of brown carbon and black carbon in the samples were measured in a laboratory and the concentrations of nitrated phenols, a major component of brown carbon, were also determined. The measurement results show that the average values of light absorption coefficients at 365 nm for brown carbon in PM 2.5 during winter and spring on Mount Tai were (4.61±2.42) Mm –1 and (2.38±0.98) Mm –1, respectively and
w
w w
.g
e o c
h i m
i c
a .c n
第3期
董書偉等: 泰山大氣棕色碳的光吸收特性、吸光貢獻及影響因素 263
Geochimica
▌ Vol. 49
▌ No. 3
▌ pp. 262–272
▌ May, 2020
the mass absorption efficiencies at 365 nm were (0.72±0.12) m 2/g and (0.52±0.24) m 2/g, respectively. The
contributions of the absorption coefficient of brown carbon at 365 nm to the total light absorption of carbonaceous aerosols in winter and spring reached (32±7)% and (20±9)%, respectively. Bad on comparison and correlation analys, it was found that anthropogenic activities from the surrounding areas had considerable influences on the optical properties of brown carbon at the summit of Mount Tai. Particularly, coal combustion process in adjacent regions strongly affected the brown carbon on Mount Tai in winter. A large amount of primary organic matters relead from coal combustion enhanced the light absorption efficiency and the light absorption coefficient of brown carbon and led to substantially higher absorption coefficients and absorption contributions of brown carbon in winter than in spring on Mount Tai. According to the determination results, the contributions of nitrated phenols to the absorption coefficients of brown carbon at 365 nm in winter and spring were (3.5±1.2)% and (2.5±1.0)%, respectively. Among the 12 nitrated phenolic compounds, 4-nitrophenol was identified as the largest contributor in the ultraviolet and violet regions, whereas 4-methyl-2,6-dinitrophenol had the largest contribution at a wavelength of 420-450 nm in the blue region. The contribution of nitrated phenols was relatively small, indicating that most brown carbon light absorptio
n came from other organic components, which require further identification and evaluation in the future.
Key words: brown carbon; absorption coefficient; light absorption contribution; nitrated phenols; Mount Tai
0 引 言
大氣氣溶膠具有顯著的光學效應(yīng), 不僅能夠減
少到達地面的太陽輻射、降低大氣能見度[1–2], 還會影響大氣光化學過程、改變區(qū)域氣候[3]。一般而言,
黑碳(black carbon, BC)是大氣氣溶膠中最主要的吸
光性物質(zhì), 其光吸收能力僅次于溫室氣體CO 2且與CH 4相當[4]。早期的全球輻射模型通常認為有機碳
(organic carbon, OC)僅具有光散射作用[5], 但近二十
年的大量研究表明, 部分有機碳具有光吸收能力, 因其顏色呈現(xiàn)棕色而被稱為棕色碳(brown carbon,
BrC)[3]。棕色碳對太陽輻射的直接吸收可導(dǎo)致大氣增溫, 而且隨著海拔高度增加棕色碳相對于黑碳的增溫效應(yīng)變得更強, 其光吸收作用可顯著影響高海拔地區(qū)的大氣光化學反應(yīng)和成云降雨[6–8]。大氣棕色碳不僅來自于生物質(zhì)與化石燃料燃燒的一次排放,
還來源于有機物的二次生成與老化, 由于棕色碳來
源眾多[9–12]、
化學成分復(fù)雜[13–16], 典型地區(qū)棕色碳的光學特性以及人為活動的影響已成為當前大氣科學領(lǐng)域的研究熱點之一。
質(zhì)量吸收效率(mass absorption efficiency, MAE)和吸收系數(shù)(absorption coefficient, Abs)是用于評估棕色碳輻射強迫的兩個重要光學參數(shù)。以往研究指出, 棕色碳的質(zhì)量吸收效率和吸收系數(shù)呈現(xiàn)顯著的季節(jié)差異和區(qū)域特征, 不同來源的棕色碳的光學性質(zhì)有明顯區(qū)別。例如, 在美國和亞洲東部開展的觀
測研究表明, 氣溶膠提取液中365 nm 處棕色碳MAE 365的范圍約為0.1~2.6 m 2/g [17–20], 而實驗室模擬研究指出, 生物質(zhì)以及煤炭燃燒產(chǎn)生的棕色碳MAE 365相對較高(0.9~4.1 m 2/g)[21–22]。
在許多地區(qū)(特別是東亞)的冬季, 由于供暖導(dǎo)致煤炭和生物質(zhì)燃料的消耗量大幅增加, 因此冬季棕色碳的質(zhì)量吸收效率往往最高[15,23,24]; 而在夏季, 光化學反應(yīng)活性強,
且揮發(fā)性有機物轉(zhuǎn)化生成的二次棕色碳的吸光能力較弱[23,25], 因此夏季棕色碳的質(zhì)量吸收效率一般較低。此外, 由于化石燃料與生物質(zhì)燃燒排放了大量
的棕色碳物質(zhì), 東亞、南亞地區(qū)棕色碳的質(zhì)量吸收效率顯著高于歐洲、北美地區(qū), 而且人口與工業(yè)密集城市地區(qū)的棕色碳的質(zhì)量吸收效率往往高于農(nóng)村和偏遠山區(qū)[19,20,26]。
棕色碳吸收系數(shù)與質(zhì)量吸收效率呈現(xiàn)相似的季節(jié)差異及區(qū)域特征, 人為活動與氣象條件對吸收系數(shù)有顯著影響。大氣棕色碳在365 nm 處的吸收系數(shù)(Abs 365)的范圍約為0.5~52 Mm ?1[20,25,26], 一般在冬季達到最高值[24,27]。歐洲與北美地區(qū)受化石燃料燃燒污染物排放的影響相對較小、大氣顆粒物排放強度較低, 其棕色碳吸收系數(shù)顯著低于東亞和南亞地區(qū)[25,28]。此外, 由于邊界層高度的變化和逆溫層的出現(xiàn), 在一些地區(qū)的冬季棕色碳的吸收系數(shù)呈現(xiàn)明顯的晝低夜高的晝夜變化特征[26]。
棕色碳的吸收系數(shù)呈現(xiàn)明顯的波長依賴性, 在紫光和近紫外區(qū)域吸收較強, 對大氣氣溶膠的總吸收系數(shù)有顯著貢獻。以往研究發(fā)現(xiàn), 大氣氣溶膠提取液中棕色碳吸收埃指數(shù)(AAE)的數(shù)值范圍一般為
w
w w
.g
e o c
h i m
i c
a .c n
264
2020年
Geochimica
▌ Vol. 49
▌ No. 3
▌ pp. 262–272
▌ May, 2020
3~7
[15,29,30]
, 不同來源棕色碳的吸收埃指數(shù)有顯著差異, 其中生物質(zhì)燃煤氣溶膠的吸收埃指數(shù)較高(7~ 18)[22,31], 而老化的二次有機氣溶膠的吸收埃指數(shù)則較低(約為4.7)[32]。另外, 棕色碳吸收埃指數(shù)的高低還受測定方式和擬合波長范圍的影響, 而且隨著提取液pH 值的降低而增大[29,33,34]。
近幾年的相關(guān)研究表明, 人為活動排放或者形成的棕色碳在近紫外區(qū)域?qū)Υ髿鈿馊苣z吸光作用的貢獻尤為顯著。英國德林、德國萊比錫、美國加州和中國西安等地區(qū)受生物質(zhì)燃燒嚴重影響時段棕色碳在400 nm 附近對氣溶膠總吸收系數(shù)的貢獻約為27%~46%[15,20,35,36], 亞特蘭大地區(qū)交通繁忙區(qū)域棕色碳在350 nm 處的吸光貢獻高達20%~40%[37], 而我國北京冬季受燃煤影響時段棕色碳在370 nm 處的
吸光貢獻高達46%[38]。此外, 喜馬拉雅山脈地區(qū)污染時段棕色碳在365 nm 處的吸收貢獻達到了碳質(zhì)氣溶膠的22%~35%, 整個紫外與可見光光譜范圍內(nèi)的貢獻也高達8~15%[30], 而Feng et al.[39]利用全球輻射模型估算發(fā)現(xiàn), 棕色
碳使得氣溶膠在370 nm 處的光吸收厚度增加56%。 目前, 關(guān)于棕色碳的研究多采用離線濾膜采樣
提取測定法[19,29], 這種方法不僅能夠獲得廣泛的光譜數(shù)據(jù), 還可以消除黑碳對棕色碳測定結(jié)果的影響, 并對棕色碳主要成分的吸光貢獻進行定量評估[15,20,40]。另外, 已有的相關(guān)研究大多集中在歐洲和北美等發(fā)達地區(qū), 而在我國大氣氣溶膠污染嚴重的華北地區(qū)
還相對缺乏, 尤其缺少對棕色碳具體成分的測定以
及吸光貢獻的評估。泰山為華北地區(qū)最高點且地勢突出, 研究泰山棕色碳的光學特性, 有助于明確城市人為活動對高山站點棕色碳的影響, 對理解整個
華北地區(qū)棕色碳的光學效應(yīng)及環(huán)境氣候影響有重要意義。本次研究分別于2017年冬季和2018年春季在泰山山頂采集了大氣PM 2.5樣品, 測定了棕色碳的吸收系數(shù)、質(zhì)量吸收效率等光學參數(shù), 擬分析光
學參數(shù)的季節(jié)和晝夜差異及其影響因素, 估算棕色碳在碳質(zhì)氣溶膠中的吸光貢獻, 并探討棕色碳成分
硝基苯酚類化合物的吸光占比與變化特征。
1 實驗方法
1.1 采樣點、樣品采集與在線測定
采樣站點位于山東省泰安市泰山山頂日觀峰(36.26°N, 117.11°E, 海拔高度1520 m)。泰山坐落于泰安市區(qū)北部, 泰山北邊與濟南市相連。泰安、濟
南的市區(qū)和郊區(qū)分布著火電廠、水泥廠和鋼鐵廠等燃煤工業(yè), 因此泰山周邊地區(qū)的工業(yè)鍋爐燃煤、民用做飯和供暖燃煤、道路機動車尾氣等排放的污染物, 可能會通過煙羽傳輸及山谷風等過程到達泰山采樣點。
采用武漢天虹中流量采樣器(TH-150A, 天虹, 中國武漢), 使用石英纖維濾膜采集大氣PM 2.5樣品, 采樣流量為100 L/min, 采樣時間為2017年冬季的11月28日至12月9日以及2018年春季3月22日
至4月5日。大氣PM 2.5樣品分晝夜進行采集, 每個樣品采集11.5 h (白天07: 30~19: 00, 夜間19: 30~07: 00), 共采集PM 2.5樣品44個, 其中冬季19個, 春季25個。采樣之前, 石英濾膜放入馬弗爐中于600 ℃高溫下灼燒2 h 以除去膜上可能吸附的有機物[22]。采樣之后的PM 2.5濾膜樣品用膜盒及鋁箔紙包好并用封口袋密封, 放置于?20 ℃冰柜中保存, 等待后續(xù)的稱重、預(yù)處理與化學成分分析。
采樣期間泰山站點的風向風速等氣象參數(shù)從泰山氣象站獲得, NO 2、 NO 、 CO 和 SO 2濃度數(shù)據(jù)分別
通過美國API 和熱電公司的痕量氣體分析儀在線測得, PM 2.5濃度使用顆粒物同步混合監(jiān)測儀(SHARP 5030, 熱電, 美國)實時在線測定。另外, 春季還使用
多角度吸收光度計(Model 5012 MAAP, 熱電, 美國)
在線測定了黑碳濃度, 該數(shù)據(jù)用于和濾膜樣品的黑碳吸收系數(shù)進行對比。
1.2 碳質(zhì)氣溶膠與硝基苯酚類化合物的測定
采集之后的PM 2.5濾膜樣品使用穿孔器裁取2 cm 2
的圓片, 放入OCEC 分析儀(半連續(xù)性O(shè)CEC 分析儀, Sunt Laboratory Inc., 美國)中, 采用光熱法參照NIOSH 5040 協(xié)議測定有機碳與元素碳(element carbon, EC)的含量, 測定過程中加入一定量的甲烷標準氣體作為內(nèi)標[41]。每一批樣品測定有機碳和元素碳前后, 均使用不同濃度的蔗糖溶液進行標定, 確保測定結(jié)果準確、可靠。本次研究利用元素碳示蹤法來估算二次有機碳(SOC)與一次有機碳(POC)的濃度[42], 用于后續(xù)污染物來源分析, 計算公式為:
SOC = OC ?EC × (OC/EC)min (1)
POC = OC ?SOC (2)
式中, (OC/EC)min 為采樣期間OC/EC 比值的最小值。
裁取半張PM 2.5濾膜樣品, 剪碎后放入裝有15 ml 甲醇的玻璃瓶中, 使用恒溫軌道搖床震蕩提取, 重復(fù)提取3次, 將提取液旋蒸濃縮至約1 mL, 過濾后氮吹至近干, 最后加入300 μL 甲醇進行定容, 得到
w
w w
.g
e o c
h i m
i c
a .c n
第3期
董書偉等: 泰山大氣棕色碳的光吸收特性、吸光貢獻及影響因素 265
Geochimica
▌ Vol. 49
▌ No. 3
▌ pp. 262–272
▌ May, 2020
PM 2.5樣品甲醇提取液。PM 2.5樣品提取液使用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(UHPLS-MS, 熱電, 美國)對12種主要的硝基苯酚類化合物的含量進行測定, 包括: 4-硝基酚(4-nitrophenol, 4NP)、2-甲基-4-硝基酚(2-methyl-4-nitrophenol, 2M4NP)、3-甲基-4-硝基酚(3-methyl-4-nitrophenol, 3M4NP)、4-硝基兒茶酚(4-nitrocatechol, 4NC)、4-甲基-5-硝基兒茶酚(4-methyl-5-nitrocatechol, 4M5NC)、3-甲基-5-硝基兒茶酚(3-methyl-5-nitrocatechol, 3M5NC)、3-甲基-6-硝基兒茶酚(3-methyl-6-nitrocatechol, 3M6NC)、3-硝基水楊酸(3-nitro-salicylic acid, 3NSA)、5-硝基水楊酸(5-nitro-salicylic acid, 5NSA)、2,4-二硝基酚(2,4-dinitrophenol, 2,4DNP)、2,6-二甲基-4-硝基酚(2,6-dimethyl-4-nitrophenol, 2,6-DM-4NP)和4-甲基- 2,6-二硝基酚(4-methyl-2,6-dinitrophenol, 4M-2,6- DNP)。分析柱為Atlantics T3 C18柱(2.1mm×150 mm, 3 μm, 100 ?), 流動相為含有11%乙腈的甲醇、含有11%乙腈與0.1%乙酸的超純水, 使用負離子和選擇
離子監(jiān)測模式, 根據(jù)內(nèi)標(苦味酸)和標準曲線進行定量。關(guān)于樣品預(yù)處理與硝基苯酚類化合物測定方法的更多詳細信息可參見文獻[43]。
1.3 棕色碳與硝基苯酚類化合物光學參數(shù)的測定
與計算
PM 2.5樣品甲醇提取液的吸光度A λ使用紫外可
見光譜儀(USB4000-UV-VIS, Ocean Optics, 美國)進
行測定, 光譜范圍為178~887 nm, 測量光程為1 cm 。
使用式(3)計算表征吸光物質(zhì)濃度的吸收系數(shù)Abs (Mm ?1)[19]:
700a
Abs (A A )ln10l V
l V λ=-??? (3)
式中, V l 是PM 2.5樣品提取液的體積, V a 是PM 2.5樣品的大氣采樣體積, l 是測量光程, 減去A 700是為了減少基線漂移的影響。為方便與早期相關(guān)研究進行比較, 本次研究吸收系數(shù)的波長選為365 nm, 即Abs 365。
PM 2.5樣品經(jīng)過甲醇提取后, 提取液中的有機物
及其他成分相互分離, 其吸收系數(shù)顯著降低。為與黑碳的吸收系數(shù)進行對比, 本次研究根據(jù)MIE 理論將樣品提取液中測得的棕色碳吸收系數(shù)乘以轉(zhuǎn)換因子2, 得到大氣氣溶膠中棕色碳的實際光吸收系數(shù)b abs, BrC [37](b abs 代表實際大氣中氣溶膠的吸收系數(shù))。
質(zhì)量吸收效率MAE (m 2/g)由式(4)計算獲得[15]。
MSOC
Abs
MAE =
C (4)
式中, C MSOC 為甲醇提取液中有機碳(OC)的濃度。本次研究未專門測定甲醇溶液中有機碳的濃度, 故采用OCEC 分析儀測得的有機碳含量乘以系數(shù)0.85[44]代替甲醇提取液中有機碳的質(zhì)量(MSOC), 但由于不同樣品的甲醇提取液中有機碳與樣品中總有機碳的質(zhì)量比值有較大差異, 因此本次研究計算所得的MAE 值存在一定誤差。本次研究中的MAE 均為365 nm 處的質(zhì)量吸收效率。
吸收埃指數(shù)(AAE)用來表征棕色碳吸收系數(shù)隨
波長變化的趨勢, 通過對310~450 nm 波長范圍內(nèi)的Abs 利用式(5)進行線性擬合得出[44]:
AAE Abs =K λ? (5)
式中, K 是與顆粒物質(zhì)量濃度相關(guān)的不定常數(shù)?；?/span>
硝基苯酚類化合物標準溶液的吸光度, 計算得出每
種硝基苯酚類化合物的單位質(zhì)量吸收效率, 根據(jù)樣品提取液中硝基苯酚類化合物的濃度, 進一步得到12種硝基苯酚類化合物的吸收系數(shù), 并與棕色碳的吸收系數(shù)進行對比[45]。 1.4 黑碳吸收系數(shù)的估算
由于缺少夏季大氣黑碳濃度的在線測定數(shù)據(jù), 考慮到有機碳在大于660 nm 波長的吸收很小(<10%)[36,46], 本文中黑碳的吸收系數(shù)根據(jù)OCEC 分析儀測得的
660 nm 處PM 2.5濾膜樣品上氣溶膠的光衰減程度通過式(6)進行估算[47–48]。
S
abs 660, BC*Sca a
ATN ()=
A b C R V ?? (6)
式中, (b abs )660, BC*為根據(jù)元素碳(EC)估算的黑碳的吸
收系數(shù), 光衰減系數(shù)(attenuation, ATN) = ln(I 0/I ) × 100 (I 0和I 分別為入射光和透射光強度), C Sca 和R 是兩個為了避免多重散射和遮蔽效應(yīng)的經(jīng)驗參數(shù), A S 和V a 分別為濾膜面積以及大氣采樣體積。估算得到的黑碳吸收系數(shù)利用春季多角度分光光度計測定的黑碳濃度進行驗證, 二者呈現(xiàn)很好的一致性。假設(shè)黑碳的吸收埃指數(shù)為1, 進一步估算365 nm 處黑碳
的吸收系數(shù)。
2 結(jié)果與討論
2.1 泰山棕色碳的吸收系數(shù)
圖1展示了泰山冬、春兩季大氣PM 2.5樣品甲醇提取液中棕色碳的吸收系數(shù)Abs 365以及相關(guān)污染物濃度的變化情況。如圖所示, 泰山大氣棕色碳在
w
w w
.g
e o c
h i m
i c
a .c n
266
2020年
Geochimica ▌ Vol. 49 ▌ No. 3
▌ pp. 262–272
▌ May, 2020
圖1 泰山冬、春兩季氣溶膠吸收系數(shù)Abs 365、NO 2、SO 2、CO 、PM 2.5濃度以及氣象參數(shù)(溫度和相對濕度)的時間序列
Fig. 1 Time ries of Abs 365, NO 2, SO 2, CO, PM 2.5, and meteorological parameters (temperature and relative humidity) in winter and spring on Mount Tai
RH 為相對濕度; 橫坐標每個刻度代表24小時
RH reprents relative humidity; Each tick on abscissa reprents 24 hours
365 nm 處的吸收系數(shù)變化幅度較大, 冬、春兩季棕
色碳吸收系數(shù)的范圍分別為1.8~9.6 Mm ?1和0.7~ 4.3 Mm ?1。吸收系數(shù)均值分別為(4.61±2.42) Mm ?1和(2.38±0.98) Mm ?1 (平均值±標準差), 冬季棕色碳的
吸收系數(shù)顯著高于春季。冬季部分時段棕色碳的吸收系數(shù)很高, 其中11月30日、12月1日和9日白天的吸收系數(shù)均高于8 Mm ?1。對比兩個季節(jié)的氣象條件與相關(guān)污染物濃度發(fā)現(xiàn), 泰山冬季棕色碳吸收系數(shù)較高的時段盛行西北風, 且伴隨著較低的大氣溫度和較高的相對濕度, SO 2、NO 2以及PM 2.5濃度
大幅度升高, 特別是11月30日和12月1日, SO 2和PM 2.5的濃度均值達到了觀測期間的最大值, 說明泰山冬季的棕色碳吸收系數(shù)高值明顯受到燃煤煙
羽及其他人為活動的影響, 尤其是來自北邊濟南市的燃煤排放影響很大。
與國內(nèi)外其他站點在365 nm 處的觀測數(shù)據(jù)相
比, 泰山棕色碳的吸收系數(shù)高于其他高山或背景地
區(qū), 但低于城市和工業(yè)區(qū)域。例如, 我國西藏魯朗鎮(zhèn)(海拔高度3326 m)冬季甲醇提取液中棕色碳吸收系
數(shù)Abs 365均值為(1.47±0.51) Mm ?1[17], 喜馬拉雅山脈地區(qū)棕色碳吸收系數(shù)均值范圍在0.04~2.86 Mm ?1之間[30], 美國北卡三角研究園夏季棕色碳吸收系數(shù)均值為(0.52±0.23) Mm ?1[49], 而西安市區(qū)冬季棕色碳吸
收系數(shù)的均值則高達(46.3±20.3) Mm
?1[15]
, 北京市區(qū)
[44]
冬季棕色碳吸收系數(shù)均值為(26.20±18.81) Mm ?1, 德國工業(yè)城市萊比錫冬季棕色碳吸收系數(shù)均值也達到了(6.80±3.94) Mm ?1[20]。總體而言, 泰山高山站點大
氣棕色碳的吸收系數(shù)處于較高水平, 說明泰山PM 2.5
中含有較高濃度的吸光性有機物。2.2 棕色碳的光學特性及其季節(jié)與晝夜差異
泰山冬、春兩季棕色碳的吸收系數(shù)有較大區(qū)別,
其他光學參數(shù)也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異。如表1所示, 冬、春兩季PM 2.5甲醇提取液中棕色碳在365 nm 處質(zhì)
量吸收效率(MAE)的均值分別為(0.72±0.12) m 2/g 和
(0.52±0.24) m 2/g, 呈現(xiàn)冬高春低的變化特征, 這與
表1 泰山冬、春兩季觀測期間棕色碳光學參數(shù)與
相關(guān)污染物濃度的平均值
Table 1 Mean values of brown carbon optical parameters and related pollutant concentrations during obrvation periods in
winter and spring on Mount Tai 化學組成及 光學參數(shù)
冬季(N =19) 平均值±標準偏差
春季(N =25) 平均值±標準偏差
Abs 365 (Mm ?1) 4.61±2.42 2.38±0.98 MAE (m 2/g) 0.72±0.12 0.52±0.24
AAE 6.22±0.35 6.29±0.35 b abs, BC, 365 (Mm ?1)
22.2±13.9 24.4±13.5
OC (μg/m 3) 7.54±3.87 5.49±2.01 EC (μg/m 3) 1.35±0.59 1.34±0.61 POC (μg/m 3) 5.31±2.31 3.16±1.44 SOC (μg/m 3) 2.23±2.12 2.33±1.81 PM 2.5 (μg/m 3) 37.4±16.7 48.2±18.7 SO 2 (μg/m 3) 9.3±5.1 6.1±4.1 CO (mg/m 3) 0.59±0.27 0.56±0.16 NO 2 (μg/m 3) 7.5±5.0 4.4±2.6 NO (μg/m 3) 1.5±2.3 0.3±0.3 O 3 (μg/m 3) 98.6±19.3 156.1±19.9
w
w w
.g
e o c
h i m
i c
a .c n
