典型城市和乡村大气黑碳气溶胶的质量吸收截面和吸光增强效应

摘要

碳质气溶胶是环境和气候变化的驱动因子，其中元素碳(EC)，或者称之为黑碳(BC)，具有吸光吸热性质，是一种能够造成全球温室效应的空气污染物。BC有着积极的辐射强迫，其热辐射强迫被认为仅次于CO2，这使得黑碳减排成为一种可以在短期内缓解全球升温的有效途径，但黑碳的排放、浓度水平、来源和光学特征等问题尚无明确的科学定论。
　　大气中，黑碳与有机碳(OC)、硫酸盐等非吸光气溶胶混合后，非吸光气溶胶可能在BC表面形成涂层（外混或者内混），该包裹体会增加黑碳的质量吸收截面(MAC)，从而造成黑碳的吸光增强效应。国内外对环境黑碳气溶胶的MAC和吸光增强效应的评估存在较大不确定性，研究尚不完善，进一步导致对黑碳的全球辐射强迫以及气候效应的估算产生巨大的误差。
　　为了进一步准确测定黑碳的质量吸收截面(MAC)及吸光增强因子(EMAC)，本研究选择气溶胶污染严重的华北平原的两个站点（城市济南以及乡村禹城），收集其气溶胶样品进行分析。建立了气溶胶滤膜溶解过滤(AFD)系统，两步去除滤膜样品的黑碳包裹物，分离出样品中“纯黑碳”，并利用OCEC分析仪以及一系列野外在线观测仪器，对黑碳光学性质（MAC和EMAC）进行着重研究。
　　在济南市和乡村站禹城，观测到黑碳的MAC分别为8.99±2.29m2/g、9.58±1.83m2/g，通过与文献数据对比得知:不同地区、不同排放源，表现出不同的MAC数值，并整体呈现出较大的变化范围(3.4～16.8m2/g)。同时发现MAC与OC/EC、NO3-/EC、NH4+/EC以及SO42-/EC均有一定的相关性，表明二次气溶胶对黑碳的包裹作用造成了MAC的增强。
　　为此，本研究建立了AFD系统，用水和有机溶剂两步去除了90％的有机物质和全部的水溶性离子，AFD处理方法使得EC的回收率为～99％。处理之后，观测到济南市和乡村禹城样品中“纯黑碳”的MAC分别为4.78±1.72m2/g、4.38±0.79m2/g，均低于原始样品MAC，对比处理前后的MAC，即可计算包裹物所造成的黑碳吸光增强因子(EMAC)。
　　济南市和乡村禹城观测到的EMAC分别为2.07±0.72和2.25±0.55，由于白天光化学反应强烈，白天EMAC(济南2.22±0.74，禹城2.63±0.36)均大于夜晚EMAC（济南1.76±0.60，禹城1.75±0.31）。随气溶胶老化，EMAC呈现增长趋势，在乡村禹城，EMAC与SO42-/EC的关系指示EMAC随气溶胶老化可达到3，是化石燃料不完全燃烧新鲜排放的EMAC的2倍。这项结果表明，重污染地区的黑碳气溶胶的热辐射强迫可能高于以前的评估。
　　本论文通过对重污染地区黑碳的光学性质进行着重深入分析，进一步了解黑碳的MAC和EMAC，为全球辐射强迫和气候效应模拟估算提供更详细的观测数据，从而提高模式评估的精确度，对正确理解区域气候变化机制、改善区域空气质量具有重要意义，为我国合理科学的控制大气污染提供强有力的依据。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 气溶胶概述

1．2 碳质气溶胶

1．2．1 碳质气溶胶定义及基本特性

1．2．2 碳质气溶胶对人体健康的影响

1．2．3 碳质气溶胶对气候变化的影响

1．3 黑碳光学性质的国内外研究现状

1．3．1 黑碳质量吸收截面的不确定性

1．3．2 黑碳吸光增强效应的不确定性

1．4 论文研究意义及内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 实验与研究方法

2．1 研究站点及采样时间介绍

2．1．1 城市站点-济南

2．1．2 乡村站点-禹城

2．1．3 柴油汽车尾气及隧道气溶胶采样

2．2 采样、观测、分析仪器介绍

2．2．1 碳质气溶胶膜采样方法

2．2．2 碳质气溶胶观测仪器

2．2．3 OC-EC浓度分析

2．3 光学参数计算

第三章 城市站济南、乡村站禹城的MAC特征

3．1 济南-黑碳质量吸收截面MAC

3．2 禹城-黑碳质量吸收截面MAC

3．3 不同地区的MAC对比

3．4 本章小结

第四章 气溶胶滤膜溶解过滤系统两步法除黑碳包裹物

4．1 气溶胶滤膜溶解过滤系统(AFD)两步法介绍

4．2 AFD空白试验及样品重复性

4．3 样品处理前后对比

4．3．1 样品处理前后非BC物质的量变分析

4．3．2 激光以及OCEC分割点变化特征

4．3．3 EC的分离提纯

4．4 本章小结

第五章 黑碳的吸光增强效应(EMAC)

5．1 样品去除包裹物后MAC特征分析

5．2 汽车尾气样品的光学验证

5．3 黑碳吸光增强因子(EMAC)

5．3．1 济南市EMAC变化分析

5．3．2 禹城EMAC变化分析

5．3．3 昼夜EMAC分析

5．4 黑碳包裹物的吸光增强效应

5．5 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 主要结论

6．2 论文的创新性

6．3 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文及获奖情况