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大气中黑碳气溶胶混合状态研究取得新进展
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2017-12-14 | 【 【关闭】

  黑碳气溶胶作为短寿命气候辐射强迫因子(short-lived climate forcer)在全球气候变化中扮演极为重要的角色,大气中的黑碳颗粒可以强烈吸收太阳辐射,导致大气增温,同时它的老化过程也会影响云的生成、生命时间和反照率。黑碳在大气灰霾的形成也发挥极为重要的作用。在我国北方地区,生物质燃烧是大气黑碳气溶胶的重要来源之一,燃烧过程不但排放小的黑碳颗粒(soot),也同时排放了大量的半挥发性有机物(semi-volatile organic matter),二者在大气中发生了极为复杂的混合演变过程,从而改变其成云结核的能力。目前对于该过程的研究通常是通过外场观测获得,由于受到气象因素、扩散传输等多种因素的影响,其黑碳的混合状态会随老化时间发生明显的改变,为更好表征黑碳气溶胶的老化速率及其影响,需要对燃烧过程释放的新鲜黑碳的混合状态进行测定。 

  1 (a)不同燃烧状态下黑碳气溶胶质量粒径分布。(b)黑碳气溶胶鞘核比随生物质燃烧过程的变化规律。   

  针对以上问题,近期我所“青年千人计划”潘小乐研究员及其团队,设计了在实验室的生物质燃烧实验,模拟生物质黑碳释放的全过程,观测在不同燃烧条件下黑碳气溶胶混合状态的特征。研究表明,黑碳气溶胶颗粒质量粒径分布的峰值粒径随燃烧状态的不同又明显不同,在明燃(MCE > 0.95)的状况下黑碳粒径约为215纳米,比阴燃(MCE < 0.90)的情况大40%左右,这主要是由于明燃状态下产生高浓度的soot颗粒,颗粒间的碰并过程造成了黑碳颗粒的快速增长(图1a)。在混合状态方面,明燃情况下半挥发性有机物浓度较低,造成黑碳气溶胶包裹较薄;但在阴燃的情况下,由于大量有机物的释放,黑碳颗粒物包裹层较厚,其鞘核比(含黑碳气溶胶颗粒物的整体粒径与黑碳粒径的比值)大约大约在1.4左右(图1b)。本试验同时测定了生物质燃烧黑碳气溶胶的排放比(ΔrBC/ΔCO)在 1.8-34 ng/m3/ppbv之间,MCE数值越大,排放比越高。该研究对于全面认识黑碳气溶胶混合状态的演变规律以及气候辐射强迫作用具有重要的科研价值。 

  该研究论文发表在国际期刊Atmospheric Chemistry and PhysicsImpact factor 5.89),具体可查阅论文全文: 

  Pan X, Kanaya Y, Taketani F, et al. Emission characteristics of refractory black carbon aerosols from fresh biomass burning: a perspective from laboratory experiments[J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2017, 17(21):1-26.    

  其他参考文献: 

  1.Yugo Kanaya, Xiaole Pan, et al., Long-term observations of black carbon mass concentrations at Fukue Island, western Japan, during 2009–2015: constraining wet removal rates and emission strengths from East Asia, Atmos. Chem. Phys., 16, 10689–10705, 2016 www.atmos-chem-phys.net/16/10689/2016/ doi:10.5194/acp-16-10689-2016
 

  2.Inomata, S., H. Tanimoto, X. Pan,
 F. Taketani, Y. Komazaki, T. Miyakawa, Y. Kanaya, and Z. Wang (2015), Laboratory measurements of emission factors of nonmethane volatile organic com- pounds from burning of Chinese crop residues, J. Geophys. Res. Atmos., 120, 5237–5252, doi:10.1002/2014JD022761.   

  3.Pan, X.L., Y. Kanaya, Z. Wang, F. Taketani, H. Tanimoto, H. Irie, H. Takashima, and S. Inomata,  Emission ratio of carbonaceous aerosols observed near crop residual burning sources in a rural area of the Yangtze River Delta Region, China, J. Geophys. Res., doi:10.1029/2012JD018357, 2013.    

  4.Pan, X.L., Y. Kanaya, Z.F. Wang, Y. Komazaki, F. Taketani, H. Akimoto, P. Pochanart., Variations of carbonaceous aerosols from open crop residue burning with transport and its implication to estimate their lifetimes, Atmospheric Environment, 74, Pages 301–310, 2013. 

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