青藏高原牦牛粪燃烧源黑碳气溶胶老化机制及对区域气候环境的影响

The atmosphere of the Qinghai-Tibetan Plateau affected by anthropogenic black carbon (BC) aerosol has become a hot topic in international aerosol research. Previous aerosol studies in Qinghai-Tibetan Plateau mainly focused on the pollutants transported from outside of the plateau as well as the routine observation of atmospheric pollutant concentration levels. Few investigations involving the evolution mechanism of BC physical and chemical properties from local yak dung burning and their effects on climate during BC aging in the atmosphere are found at present. In this project, we will focus on the household fuel of yak dung in Qinghai-Tibetan Plateau. We will take a combination method of filed observations and laboratory simulations to obtain physicochemical characteristics and optical properties of BC emitted from yak dung burning. A Potential Aerosol Mass (PAM) flow oxidation reactor will be used to get new insights into the evolutions of physical and chemical properties of BC under different aging conditions. The scheme of radiative transfer in WRF-Chem will be improved to accurately assess the impacts of BC from yak dung burning in Qinghai-Tibetan Plateau on aerosol radiative forcing. The results obtained will provide useful dataset for national and local government protecting atmospheric environment in Qinghai-Tibetan Plateau.

受人为源黑碳(BC)气溶胶影响的青藏高原大气圈已成为国际气溶胶研究的热点。既往青藏高原气溶胶研究多注重高原外污染物输入的影响以及大气污染物浓度水平的常规观测，鲜见报道涉及局地牦牛粪燃烧源BC在大气老化过程中，其物理、化学性质的演变规律及其对气候环境影响等内容。本研究拟针对藏民家用牦牛粪燃料，采取现场与实验室模拟燃烧相结合的研究方法，获得牦牛粪燃烧源BC气溶胶的理化特征与光学性质；结合Potential Aerosol Mass(PAM)流动反应管，揭示不同老化条件下BC气溶胶的多物理、化学性质的演变规律与作用机制；采用中尺度区域–辐射–云物理–大气化学全耦合模式WRF-Chem，改善辐射传输计算方案，准确评估青藏高原牦牛粪燃烧源BC对气溶胶辐射强迫的影响，为国家和地方部门制定保护青藏高原大气环境决策提供科学依据。

受人为源黑碳（BC）气溶胶影响的青藏高原大气圈已成为国际气溶胶研究的热点，以往较多的研究集中在青藏高原气溶胶外污染物输入的影响以及大气污染物浓度水平的常规观测，而作为在当地能源结构中占据重要地位的牦牛粪燃烧排放BC的环境效应却鲜见报道。本项目利用固定燃烧源采样平台，将收集干燥后的牦牛粪放入燃烧腔进行源排放模拟实验。结果显示在相同燃烧质量和条件下，不同海拔高度的牦牛粪源BC的浓度差异较大，且不同燃烧阶段BC排放强度不同，总体质量和数浓度范围可达0.9–28 μg/m3和713–7574 #/cm3；燃烧过程中排放BC的粒径分布无显著差异，其混合态呈先下降后上升的趋势；BC类型颗粒物的m/z谱图显示新鲜排放的BC中也包含有复杂的化学成分（主要时有机碳（OC）、硝酸盐（46[NO2]−、62[NO3]−）和硫酸盐（97[HSO4]−））。光学特征分析发现，牦牛粪源BC在不同波段的吸光系数随着波段的增大而降低（平均AAE值为2.99），且与无机盐（如硫酸根、硝酸根、铵根）及有机物等其他物质存在内混现象，MAC平均值为7.1 m2 g-1。经过不同老化程度的BC的粒径大小增加，化学组分中的二次组分的峰面积会上升，尤其是草酸。结合外场观测，研究了青藏高原大气环境中BC的粒径分布、混合状态、质量吸收截面和吸光增强倍数等特征及影响因素；通过定量不同燃烧源对BC的贡献源以及区域输送的影响，结果显示青藏高原西部BC浓度较高主要是受到了自东南亚生物质燃烧污染传输的影响，而与化石燃料相关的BC气溶胶主要来源于交通和煤碳燃烧，其AAE和MAC分别为0.9和12.3 m2 g-1，且通过改进的“Aethalometer模型”估算出生物质和化石燃料排放BC的质量浓度。最后，将实验模拟和外场观测中获取的BC理化特征参数应用到数值模型中，通过改善辐射传输方案计算BC辐射强迫时发现，当气团经过东南亚生物质燃烧区时，BC的大气DRE可高达+6.4 W m-2，对大气的加热速率从0.02到0.3 K day-1不等；且生物质排放BC的加热速率略高于化石燃料排放BC。相关研究成果发表论文5篇，入选中科院青年创新促进会，获中国颗粒学会气溶胶青年科学家奖。