我国北方地区季节性积雪中黑碳含量及其校准研究.doc

我国北方地区季节性积雪中黑碳含量及其校准研究 黑碳气溶胶沉降到冰雪表面，会降低冰雪反照率并加速冰雪融化。本文介绍了2014年在我国北方地区，冬季野外观测实验的采样点和积雪中黑碳含量的一个大致的分布。在东北偏远地区，西伯利亚边界地带，BC含量最低；东北南部，重工业地区，BC含量最高。光热法和光学分析法是测量BC含量的两种比较常用的方法。在本文中，我们对比两种方法测得的结果，对黑碳数值进行校准。通过校准比对这两种方法获得的数值，可以获得更为可靠黑碳记录。 大气气溶胶是指悬浮在大气中的固态和液态颗粒物组成的多相体系，其粒子直径一般在几个纳米（nm）到几十微米（μm）之间。大气气溶胶是大气的重要组成部分，其能够吸收和散射入射的太阳辐射以及由地表发射的长波辐射，影响地气系统的能量平衡，这也称作大气气溶胶的直接效应；同时大气气溶胶可以作为云凝结核或是冰核，通过云—气溶胶之间的相互作用，影响云层的厚度、高度，云量及云顶反照率等，从而对大气造成半直接辐射强迫效应和间接辐射强迫效应。黑碳气溶胶是指含碳物质（主要是生物质和化石燃料）不完全燃烧后的产物，属于一种大气气溶胶。黑碳气溶胶不仅可以散射太阳辐射，使大气降温；而且黑碳气溶胶对太阳辐射还有较强的吸收作用，使得大气温度升高。研究表明大气气溶胶对太阳辐射的吸收作用的90%-95%是由于黑碳气溶胶造成的。由于黑碳的排放量很大，对太阳辐射的吸收作用又很强，目前黑碳已经成为仅次于二氧化碳造成全球气候变暖的主要成分之一。 同时黑碳气溶胶可以通过干（或湿）沉降在冰雪表面，降低冰雪表面的反照率，加速冰雪融化，引起全球的气候变化。因此研究测定积雪中的黑碳并对其进行校准对控制全球气候变暖等具有重要意义。目前对中国东北地区季节性积雪中黑碳的研究还比较少，测定方法大都有很大的不确定性。本文选取了中国北方13个采样点的雪样进行过滤，分别采用光谱仪和热碳仪测其黑碳含量，得出中国东北地区及内蒙部分地区季节性积雪中的黑碳含量的一个大致分布，并估计东北不同区域的主要光吸收物质类型。我们为了校准这13个采样点的数据，用光谱仪测量经再次过滤的滤膜样品中的黑碳浓度（雪样融液过完石英滤膜再过0.4μm的Nuclepore滤膜）对热碳仪测量的元素碳浓度（这里我们认为是黑碳浓度）进行校正。 第二章 方法与原理 图片2.1 2014年中国北方采雪地点分布图 2.1 采样地点与采样方法 我们选择了中国东北13个采样点，在1月-2月采集雪样（图片2.1）。在中国的东北方，冬季降雪较多。这里大部分地区积雪融化一般是在二月份到三月份之间,而在炜度更为偏北的东北北部地区,积雪能够一直持续到四月份。我们选择每年的12月到来年的2月之间进行采集雪样,该时间段内东北的季节性积雪覆盖率最大,同时积雪融化也尚未开始。通常我们的采样点会选在远离道路1km以上、人烟稀少的区域,通常会远离城镇或乡村至少50km，并且位于道路上风向,从而尽可能地减少局地污染对于雪样的影响,使得试验结果具有更好的代表性。在釆样的过程中同时需要考虑并注意风向的影响,在步行到釆样点的过程中尽量迎风,使得釆样点位于上风向,并且要迎着风进行采样,以免污染采集的雪样。 在采样时，选取相邻的左和右两个垂直剖面进行采样,以便用于相互校正;每隔5cm采集一次雪样，部分地区积雪厚度小于5cm时我们会在积雪堆积区采集雪样，这种情况下采集的雪样会混有大量的沙尘，代表不了原本的黑碳含量及分布。采集到的雪样会在现场装入塑料袋中封好，直到过滤前会一直保持冰冻。整个过程中用于保存的塑料袋对于雪样中黑碳含量的影响可以忽略。 2.2 积雪过滤处理 雪样在处理之前保持冷冻状态,处理时将雪样盛入干净的大烧杯中融化。为了减少雪样在融化时黑碳和其它光吸收物质会粘附在烧杯壁上而造成的损失，我们必须尽量缩短雪样的融化时间。因此我们选择将烧杯放入微波炉中加热,当加热到雪样基本融化而温度尚未升高时,将烧杯取出。将融化得到的雪水倒入过滤装置,使雪水通过0.4 μm的Nuclepore滤膜,利用手动气栗加速过滤,以缩短过滤所需要的时间,减少过滤过程中的可能的造成的黑碳损失。而使用0.4 μm的滤膜会使得粒径小于0.4 μm的黑碳粒子穿过滤膜，造成融雪中黑碳含量的损失。但是使用更小孔径的滤膜会使滤膜很快被融雪中其他较大粒径的颗粒物质堵塞，延长过滤时间，容易加大黑碳附着在漏斗壁上的损失。所以我们可以对通过0.4 μm滤膜过滤后的雪样进行再次过滤，从而得到穿过0.4 μm滤膜损失的黑碳含量。 而本次试验则是分为两组进行过滤。一组中仅使用0.4μm的滤膜进行过滤；另一组先用石英滤膜进