关中地区棕碳气溶胶的地球化学特征及环境效应

Brown Carbon (BrC) is regarded as an important light-absorbing organic matter and has been drawing much scientific attention recently due to its role in driving global warming. The distribution, origin and optical properties of BrC aerosol will be investigated at Guanzhong Plain in Shaanxi province under this project. A state of the art 7 waves DRI 2015 carbon analyzer will be applied to measure ambient BrC levels along with light absorption of water-soluble organic carbon to obtain the optical properties of BrC (e.g. mass absorption coefficient and Ångström). Further properties such as size distribution and optical properties of BrC in biomass and coal burning emissions will also be determined in order to identify BrC source profile during heating season. The origin of BrC in Guanzhong Plain will ultimately be resolved by combining the chemical composition between ambient and sources samples together with the formation of BrC and corresponding visibility effect in haze/normal days.

棕碳（BrC）作为气溶胶中有机碳的重要组成，由于其吸光效应明显，其分布、来源和环境气候效应是当前国际气溶胶领域研究的前沿和热点问题。关中地区是我国空气污染较为严重的地区之一，碳气溶胶浓度较高。本项目通过对关中地区气溶胶进行为期2年的观测研究，采用先进的7波段DRI 2015碳分析仪结合水溶性有机碳吸光性实验测定环境空气中BrC的浓度分布和光学特征。开展取暖燃烧源（秸秆和煤）棕碳排放谱研究，获得不同排放源BrC的粒径分布和光学特征，定量评估不同排放源BrC的排放量。结合环境和源排放样品化学组成数据，准确评估关中地区BrC的分布和来源，探讨正常天气和重霾天气BrC的形成和对能见度的影响。

棕碳气溶胶因其特殊的光学性质，成为近年来研究的热点问题之一。本项目开展了关中城市西安PM2.5中水提取和甲醇提取棕碳光学性质的季节变化和来源研究，结果显示，babs值具有显著地季节差异，即冬季高夏低。对比水提取和甲醇提取的babs365值，可以得出水提取的BrC被低估了1/3以上。棕碳babs与生物质燃烧源示踪指标水溶性K+和左旋葡聚糖具有非常强的相关性，表明生物质燃烧是西安PM2.5中棕碳的重要来源。冬季二次有机碳中的棕碳明显高于夏季，且冬季二次有机棕碳主要来源于液相反应产生的新鲜二次有机碳，而夏季二次有机棕碳主要是光化学反应形成的二次有机碳老化后的产物。揭示西安PM2.5中棕碳主要来自生物质燃烧、燃煤排放及其二次有机碳。关中农村生物质燃烧源棕碳研究表明，BrC主要为生物质的低温燃烧的产物，传统火炕，babs365，methanol，MAC365，methanol，钾离子（K+）以及OC呈现单峰分布：babs365，methanol，MAC365，methanol与钾离子（K+）的峰值出现在小于0.4 µm的粒径段，OC出现在0.4-0.7µm粒径段。对于清洁炉灶，babs365，methanol与MAC365，methanol呈现双峰特征，其中一个与传统火炕相同，另外一个峰出现在4.7-5.8µm粒径段。西安冬夏季霾和正常天气下棕碳研究揭示，棕碳的吸光数值在冬、夏季灰霾中较为稳定，但日内变化差异大，说明棕碳的来源较为复杂。结合PM2.5中特征化学示踪物及气体前体物等变化及相关分析，揭示在高湿度和低氧化性环境下液相反应是冬季二次棕碳形成的主要机制，而夏季棕碳则主要形成于人为源前体物的光化学反应过程。在二次棕碳气溶胶形成机制及光学性质变化方面，指出白天异戊二烯的主要反应模式是与OH反应，O3则在白天夜晚都有参与反应。异戊二烯通过OH 和O3氧化生成荃、酮、酸类物质，且该反应过程是一个“光漂白”过程。NO3主要在夜间参与异戊二烯的氧化反应，终产物往往是亚硝酸或硝酸酯类物质。硝酸酯类物质的吸收峰在会红移到300-450nm左右，产物具有明显的可见光吸光效应，即“棕炭化”过程。转化过程出现的“光漂白”和“棕碳化”两种不同的效应。