北极地区污染气溶胶地基遥感研究取得进展。在“全球变化及应对”重点专项的支持下,“黑碳的农业与生活源排放对东亚气候、空气质量的影响及其气候-健康效益评估”项目团队揭示了黑碳气溶胶跨南北区域相互传输影响。

黑碳是由化石燃料和生物质不完全燃烧产生、仅次于CO2的大气升温因子,具有强烈吸光性。当黑碳气溶胶沉降到冰川、积雪、海冰等冰冻圈表面后,将降低雪冰表面的反照率,加大雪冰对太阳辐射的吸收,进一步加速冰冻圈消融,对区域气候和水循环带来影响。

近日,中国科学院空天信息研究院环境遥感应用技术研究室关于北极地区污染气溶胶地基遥感研究成果发表于Nature集团出版刊物北极地区污染气溶胶地基遥感研究取得进展。北极地区污染气溶胶地基遥感研究取得进展。Scientific
Reports
北极地区污染气溶胶地基遥感研究取得进展。,第一作者为助理研究员谢一凇,通讯作者为研究员李正强。

[北极地区污染气溶胶地基遥感研究取得进展。video:20160906中科院:揭示青藏高原冰川消融黑碳源头]

js金沙官网登入,中国地质大学(武汉)环境学院孔少飞教授团队通过对华北平原南部和华中地区设置的5个黑碳气溶胶观测站的同步在线观测数据的研究表明:污染天气条件下,由化石能源燃烧产生的黑碳使得大气中黑碳的质量浓度和吸收系数分别增加了26.4%-163%和18.2%-236%;南方城市来源于生物质燃烧产生的黑碳浓度在逐渐降低,而在北方和郊区,生物质燃烧产生的黑碳呈上升趋势。冬季重污染期间,黑碳不仅可以从北向南传输,也可以从南向北传输(图1)。黑碳在传输过程中,其质量浓度和吸收系数会增加,而吸收系数随波长的衰减指数会降低(图2)。

北极地区污染气溶胶地基遥感研究取得进展。青藏高原毗邻南亚黑碳高排放区,已有研究发现,南亚黑碳气溶胶能够跨越喜马拉雅山被传输到青藏高原内陆地区。目前,南亚黑碳气溶胶跨境传输通量和传输途径尚不清晰,不同区域不同季节对青藏高原黑碳气溶胶的贡献量也需进一步研究。

作为全球对气候变化最敏感的区域,极地一直是相关环境研究关注的重点。然而,自然条件的恶劣导致有效观测难以长期维持。在北极地区,传输自中高纬区域的气溶胶颗粒物对辐射平衡、冰雪圈有重要影响,但获取可靠的极地气溶胶观测数据是一个很大的挑战。气溶胶成分中,具有较强吸光特性的黑碳、棕色碳等对极地气候变化和大气环境等的影响尤其重要,因此极地地区的气溶胶遥感研究具有独特的研究价值。

8月23日,《自然-通讯》(Nature
Communications
)杂志发表了中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室、青藏高原地球科学卓越创新中心研究员康世昌课题组与瑞典斯特哥尔摩大学合作研究论文Sources
of black carbon to the Himalayan–Tibetan Plateau
glaciers
。该论文通过对跨越喜马拉雅山脉中段两条监测断面及青藏高原的8个台站气溶胶样品和8条冰川雪坑样品的黑碳同位素组成分析,给出了该地区黑碳来源的最新证据。

该研究对于理解黑碳气溶胶在关键传输节点,尤其是农村和郊区黑炭理化和光学性质及在传输过程中的变化具有重要意义;同时,城市和郊区、南方和北方的差异可为区域性灰霾期间各地制定精细的污染减排管控措施提供依据,也可为黑碳对区域空气质量影响模拟等提供基础数据支撑,相关成果发表在《Atmospheric
Chemistry and
Physics》。js金沙官网登入 1

据此,中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室、青藏高原地球科学卓越创新中心康世昌团队联合中山大学、瑞典哥德堡大学开展了相关模拟研究。该团队通过数据同化、次网格地形参数化、下垫面静态数据更新及对比不同化学方案,显著提高了新一代中尺度大气化学-气象模式在青藏高原上的适用性。通过敏感性试验分析,发现青藏高原黑碳主要来自于南亚的人为排放。在非季风期,青藏高原有61.3%的黑碳来自于南亚的人为排放;季风期南亚的人为排放黑碳的贡献率为19.4%。非季风期,中亚和印度西北部的黑碳可以通过西风传输到青藏高原。同时,喜马拉雅山脉局地的山谷风也是非季风期黑碳气溶胶跨境传输的重要途径。在季风期高原以南地区存在辐合上升气流,将低层黑碳气溶胶携带到大气中高层,随后被南风气流传输到青藏高原。该研究明确了南亚人为排放对青藏高原黑碳的贡献及其传输过程和机制,可为政府决策、环境外交和气候谈判提供科学参考数据,为国际间黑碳减排合作提供有效指导。

该研究团队基于其发展的气溶胶成分遥感反演方法,与美国Brookhaven国家实验室教授R.
Wagener、加拿大环境与气候变化中心教授I.
Abboud等国际团队开展合作,利用分布在北极多个观测站点的地基遥感数据,首次反演获得了北极区域高气溶胶负载下的整层大气气溶胶成分信息,解析了北极气溶胶光学-物理-成分-辐射综合特性,为极地气候变化评估、大气环境效应等研究提供了关键数据。

黑碳由化石燃料和生物质燃烧产生。由于强烈的吸光性,黑碳是仅次于CO2的最重要的大气升温因子;同时,黑碳沉降到冰冻圈表面(如冰川、积雪、海冰等),可以降低雪冰表面反照率,进而导致雪冰的加速消融。由此,黑碳的研究已成为全球气候变化的一个热点问题。喜马拉雅山脉和青藏高原被称为世界的“第三极”,是中低纬度冰川分布最为集中的区域,是亚洲大江大河的发源地,也是全球气候变化最敏感的地区之一。由于毗邻东亚和南亚两个最大的黑碳排放源地,青藏高原的大气和冰川受到了上述两个地区排放黑碳的影响。黑碳引起的大气升温和冰川加速消融,将影响到亚洲区域的水资源,可能引发一系列严重的环境和社会问题。目前,基于黑碳含量、大气传输模型和排放因子等对该地区黑碳的来源研究还存在很大的不确定性,对黑碳的化石燃料和生物质燃烧的贡献不清楚,限制了减缓黑碳排放的政策制定。

图1
PM2.5的空间分布和观测点位位置及气团轨迹来源聚类(红安HA、漯河LH、随县SX、武汉WH、襄阳XY)js金沙官网登入 2

相关成果发表在Journal of Geophysical
Research
上。该研究得到了国家自然科学基金、中科院重点部署项目和冰冻圈科学国家重点实验室开放课题的资助。

研究显示,北极地区高浓度污染气溶胶基本以细模态为主,约90%以上的消光来自于细粒子。气溶胶成分遥感估计表明,质量占比最高的是散射性细粒子成分。而黑碳和棕色碳成分虽然浓度较低,但对光吸收的贡献高达98%。气溶胶成分与辐射强迫的多元线性回归分析模型显示,北极气溶胶中黑碳成分对整层大气的加热作用非常显著。

该研究通过对喜马拉雅山脉和青藏高原大范围的采样,利用黑碳的14C组成分析了黑碳的化石燃料和生物质燃料的相对贡献。发现位于尼泊尔南部的蓝毗尼站的气溶胶黑碳同位素组成与之前报导的南亚数据一致,随着海拔的升高和大气黑碳绝对含量的降低,黑碳的生物质燃烧贡献逐渐增大。雪坑中黑碳的同位素组成在区域上有显著差异:在高原东北部的祁连山老虎沟12号冰川雪坑中,黑碳具有最大的化石燃料贡献,这一数据与中国东部的数据比较接近;喜马拉雅山脉南坡的Thorung冰川雪坑中黑碳的化石燃料贡献
与南亚的比率一致;高原中部的小冬克玛底冰川黑碳主要来自生物质燃烧。因而,不论是气溶胶还是雪坑均显示从高原边缘到内部生物质燃烧对黑碳的贡献逐渐增大。因此,生物质燃烧排放的黑碳对青藏高原环境和气候具有更大的作用。此外,综合分析14C和13C的组成进一步区分了不同冰川区生物质、煤和液态化石燃料燃烧排放黑碳的相对贡献。

图2 各点位黑碳地表传输强度(微克/每秒/每平方米)的时间序列

论文链接

结合后向轨迹分析模型,该研究发现并指出了2类北极地区典型污染气溶胶的主要来源和成分特征:来源于欧洲大陆的污染气溶胶,其中散射性细粒子成分的质量占比高达90%;来源于北美、东亚的生物质燃烧气溶胶,其中碳质成分含量较高。

这些结果不仅明确界定了喜马拉雅山脉和青藏高原地区不同燃料对黑碳的贡献,可以为黑碳的大气传输模拟研究提供验证数据,更重要的是为相关国家制定黑碳减排政策提供明确的指导。

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论文信息:Yisong Xie, Zhengqiang Li*, Li Li, Richard Wagener, Ihab
Abboud, Kaitao Li, Donghui Li, Ying Zhang, Xingfeng Chen & Hua Xu.
Aerosol optical, microphysical, chemical and radiative properties of
high aerosol load cases over the Arctic based on AERONET measurements
,
Scientific Reports, 8, 9376, 2018, doi: 10.1038/s41598-018-27744-z

本研究得到国家自然科学基金创新群体(441421061)、国家杰出青年基金以及面上基金、中国科学院战略科技先导专项B类项目
(XDB03030504)和冰冻圈科学国家重点实验室资助。

图1.非季风和季风期青藏高原周边不同区域人为排放黑碳气溶胶的贡献量(浓度:ug
m-3)和贡献率。a-d,中国东部;e-h,南亚;i-l,中亚;m-p,中国北部。

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图2.不同区域不同季节人为排放对青藏藏高原黑碳的贡献率

图1 研究选择的北极地区8个观测站点

图1
采样点位置(三角代表气溶胶采样点;圆形代表冰川采样点)。背景颜色代表黑碳的排放量。

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图3.不同季节不同高度风场与黑碳气溶胶的分布

图2
北极地区高浓度气溶胶成分反演结果:总质量浓度及各成分比例;黑碳、棕色碳和沙尘的光学吸收;气溶胶吸光模型与仪器观测值对比

图2 a:
跨越喜马拉雅山脉中部两个断面的大气黑碳含量和化石燃料贡献的比率;b:
雪坑黑碳的化石燃料贡献比率。

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图4.黑碳气溶胶沿经向的垂直分布

图3 北极地区污染气溶胶成分干物质质量浓度及污染来源后向轨迹分析

图3
生物质燃料和液态燃料燃烧排放对雪坑黑碳的相对贡献。箭头代表不同区域的黑碳来源。

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