蔡園青,徐學哲,周家成,3,劉芊芊,3,趙衛(wèi)雄,方 波,王 朔,張為俊,3*

黑碳儀測量氣溶膠吸收系數(shù)的校正算法和影響因素研究進展

蔡園青1,2,徐學哲2,周家成2,3,劉芊芊2,3,趙衛(wèi)雄2,方 波2,王 朔2,張為俊1,2,3*

(1.安徽大學物質科學與信息技術研究院,安徽 合肥 230601；2.中國科學院合肥物質科學研究院,安徽光學精密機械研究所,安徽 合肥 230031；3.中國科學技術大學,安徽 合肥 230026)

黑碳儀作為常用的吸收系數(shù)測量方法之一,廣泛應用于氣溶膠光吸收特性的實驗室和外場觀測研究.然而,受測量方法的限制,吸收系數(shù)測量的準確性受到顆粒物負載效應,以及濾膜和顆粒物的多重散射效應的影響.本文綜述了黑碳儀的測量原理及現(xiàn)有校正算法,探究了其吸收系數(shù)測量的影響因素,分析了黑碳氣溶膠的混合狀態(tài)對其吸收系數(shù)測量偏差(ref’)的影響,探討了ref’與氣溶膠單次散射反照率(SSA)的關系以及ref’的波長依賴關系,并提出了今后相關研究的建議.

黑碳儀；吸收系數(shù)；校正算法；測量偏差

大氣氣溶膠吸收和散射太陽、地表輻射,直接影響地-氣輻射收支,對大氣環(huán)境及氣候變化有重要影響[1].黑碳(BC)是大氣氣溶膠中主要的光吸收組分,由化石燃料和生物質等不完全燃燒產生.排放到大氣中BC會經歷碰并、凝結和化學氧化等復雜的老化過程[2-3],進一步影響其光學特性[4-9].BC作為大氣中的短壽命物質,其減排有助于緩解全球變暖及改善區(qū)域空氣質量[7,10-12].氣候效應方面,BC對大氣層頂?shù)目傊苯虞椛鋸娖雀哌_0.90W/m2,但其直接輻射強迫的評估值(0.40～0.71W/m2)依然偏差很大[13].環(huán)境效應方面,BC的強吸收作用和表面的催化反應,會冷卻地表并加熱大氣,導致大氣邊界層的發(fā)展受到抑制,從而顯著加劇城市空氣污染[12,14].

目前,BC光學特性的認知水平仍不足,直接影響其氣候和環(huán)境效應評估的準確性.國內外學者發(fā)展了多種測量方法,用于BC吸收特性的測量,分為基于濾膜方法和原位方法兩類[15-16].基于濾膜方法是將氣溶膠粒子收集在濾膜上,通過測量透過光的衰減量獲得BC的吸收系數(shù),常用的儀器如炭黑粒子吸收光度計(PSAP)、黑碳儀(Magee Scientific)和多角度吸收光度計(MAAP)等[15,17].光聲光譜技術(PAS)作為一種直接、原位測量氣溶膠吸收系數(shù)的方法,其探測靈敏度高,常作為比對試驗中的參考標準[18-19].Li等[20]基于腔衰蕩光譜技術研制了多波長腔衰蕩氣溶膠消光光譜儀(MCRD-AES),為大氣氣溶膠的光譜特性研究提供了更為全面的測量手段.此外,近期學者將高精細度諧振腔吸收光譜技術與積分球相結合,實現(xiàn)了氣溶膠吸收系數(shù)的高靈敏度探測,且適用于高濕度環(huán)境[21-23].

黑碳儀作為最常用的BC吸收系數(shù)的測量儀器,可同時在多個波長下進行測量,具有操作簡單、成本相對較低、便于維護、不受氣體吸收的干擾等優(yōu)點,已廣泛應用于大氣成分業(yè)務觀測和科學研究.然而,受測量方法的限制,濾膜的種類和多重散射效應,粒子散射光的角度分布,粒子的負載效應,以及水汽干擾等因素均會影響測量的準確性,因此通常需要借助原位方法進行一系列校準.

本文通過介紹黑碳儀的測量原理、校正算法和吸收系數(shù)測量偏差研究進展,并綜合分析現(xiàn)有校正算法的適用性,以及測量偏差的影響因素,以期為相關研究提供關鍵技術建議.

1 儀器與測量方法

黑碳儀的測量原理是通過測量粒子負載濾膜點與空載濾膜點的光衰減來得到氣溶膠吸收系數(shù),可實現(xiàn)多個波長處吸收系數(shù)的同步測量,分為單點法(AE22, AE31,AE42等,Magee Scientific)和雙點法(AE33, Magee Scientific)[24]兩類(圖1).其根據(jù)Beer– Lambert定律計算得到吸收系數(shù)abs,具體計算公式如下:

(3)

圖1 黑碳儀工作原理

式中:ATN為光衰減系數(shù),為濾膜采樣點的面積,為樣點流速,DATN為Dt時間內光衰減的變化量.黑碳儀這種基于濾膜法的測量儀器本身具有測量偏差,實際測量的是衰減系數(shù)ATN,和氣溶膠吸收系數(shù)abs差別較大.

1.1 單點法

單點法黑碳儀的濾膜上有一個樣點和一個參考點,氣溶膠以流速被采集到樣點上.Weingartner等[25]引入因子ref和(ATN)將ATN轉化為abs(式4),因子ref和(ATN)分別為濾膜多重散射效應和負載效應的修正因子(在第2節(jié)中詳細介紹).

在此基礎上,Arnott、Schmid、Virkkula、Coen等人提出了更進一步的校正算法(在2.1～2.5節(jié)中詳細介紹).

1.2 雙點法

雙點法黑碳儀(型號:AE33)的濾膜上有兩個樣點和一個參考點,氣溶膠以不同流速F1和F2被采集到兩個濾膜點上,通過測量兩個濾膜點與參考點的光衰減來得到吸收系數(shù).這種雙點測量方法能得到實時的負載效應補償因子,進而對負載效應進行修正[24],其中BC質量濃度的修正公式如下:

式中:為實際測量的流速;為泄漏因子;air為BC的質量吸收截面,每個波長下有一個定值air;BCNC為無負載效應修正的質量濃度.通過帶入濾膜多重散射因子ref和因子,將ATN轉化為abs:

式中:1為濾膜點1實際測量的流速;ATN1和ATN1分別為濾膜點1的光衰減系數(shù)和光衰減.通過同時測量兩濾膜樣點的光衰減ATN1和ATN2,利用式(5)可計算出補償因子,進而可獲得等效的BC濃度:

AE33考慮了濾膜多重散射效應和負載效應的修正.但吸收系數(shù)的測量偏差主要是濾膜多重散射效應導致的.已有研究發(fā)現(xiàn),濾膜多重散射因子受到濾膜型號、濾膜材質和BC來源的影響,不同地區(qū)的濾膜多重散射因子也有區(qū)別[25-28].此外,AE33沒有考慮顆粒物散射效應的影響,未來需對其進一步修正.

生活環(huán)境變了，治理的方法也得跟著變。村“兩委”決定開展“五星居民”評比活動。劃分了遵紀守法、勤勞致富、衛(wèi)生健康、文明友善、誠信節(jié)約5個方面19項具體評選內容。程序上采取“四步法”，即村民小組推薦、村民小組評議、村民代表大會審定和村委審核授牌評定，以賦分制確定居民星級。總評分25顆星為“模范居民”、20顆星以上為“合格居民”、20-10顆星為“創(chuàng)建居民”，低于10顆星的居民通過黨員包聯(lián)幫教，說服教育，糾正錯誤。

2 黑碳儀吸收系數(shù)校正算法

黑碳儀測量吸收系數(shù)的影響因素包括濾膜多重散射效應、負載效應和顆粒物散射效應.濾膜多重散射效應是指光束的多重散射使透射光強明顯減小,使光的衰減增大導致吸收系數(shù)被高估[29-31].顆粒物散射效應是指粒子的光散射增加了濾膜的反射率,使光的衰減增大導致吸收系數(shù)被高估[29,31-33].負載效應是指隨著顆粒物在濾膜上的積累,顆粒物之間會產生相互遮擋,使光的衰減減小導致吸收系數(shù)被低估[29,34-35].

由于上述3種效應的存在,黑碳儀測量的光衰減系數(shù)ATN和吸收系數(shù)abs差別很大,為此人們提出了一系列黑碳儀吸收系數(shù)的校正算法(表1).

2.1 Weingartner校正算法

Weingartner等[29]通過柴油機和石墨火花發(fā)生器產生了不同種類的炭黑粒子,利用消光光譜儀和積分濁度計分別測量消光系數(shù)ext和散射系數(shù)scat,并對AE30測量的吸收系數(shù)進行校正.如表1所示,通過引入遮蔽效應系數(shù)w和濾膜多重散射因子ref,分別對負載效應和濾膜多重散射效應進行修正.

(9)

式中:ATN,n為第點的光衰減系數(shù).把ATN,n與吸收系數(shù)abs,n進行比較,以ATN = 10%的ATN為參考點得到ref,其中abs,n為消光系數(shù)和散射系數(shù)之差.

2.2 Arnott校正算法

(13)

式中:為濾膜點的面積;是體積流量;參數(shù)= 72.005×109,= 2.997,= 3.291×10-4,= 0.564.

2.3 Schmid校正算法

Schmid等[37]利用濁度計和光聲光譜儀分別測量散射系數(shù)scat和吸收系數(shù)abs,對黑碳儀AE30進行了校正,以純散射型氣溶膠硫酸銨的散射參數(shù)(0)和單次散射反照率(0)來修正顆粒物散射效應,其中0為散射系數(shù)scat與消光系數(shù)ext之比,并結合Weingartner校正算法的ref和定值,分別對濾膜多重散射效應和負載效應進行修正.

2.4 Virkkula校正算法

Virkkula等[38]提出基于黑碳儀換點原理的校正方法,引入遮蔽修正系數(shù)對負載效應進行修正(表1).其中,一個濾膜點對應一個值,由濾膜點最后3個ATN的平均值和后一個濾膜點前3個ATN的平均值求得.

2.5 Coen校正算法

Coen等[39]結合Arnott校正算法和Schmid校正算法,通過測量大氣氣溶膠的散射參數(shù),s,n對顆粒物散射效應進行修正[式(19)和(20)],并把ATN和ATN的線性關系用于負載效應的修正(式18),同時使用濾膜多重散射因子ref對濾膜多重散射效應進行修正(表1).

表1 黑碳儀測量吸收系數(shù)的校正算法

式中:擬合系數(shù)=3.291×10-4,=0.564,0,s,n為一個完整濾膜點對應的單次散射反照率的平均值.

2.6 五種校正算法的適用性

Virkkula等[38]對赫爾辛基市地鐵站、城市地區(qū)和農村地區(qū)的黑碳儀觀測數(shù)據(jù)進行了修正.在赫爾辛基市地鐵站用AE16進行測量,修正后=0.0051 ± 0.0023,但當BC質量濃度快速增加時值會超過0.01.在城市地區(qū)和農村地區(qū),分別使用AE16和AE31進行測量,發(fā)現(xiàn)值具有顯著的季節(jié)性變化,夏季的值小于冬季的值,且冬季和夏季的值具有不同的波長依賴性,并指出這種依賴性需要結合氣溶膠的化學成分和光學特性進一步分析.Virkkula等[38]通過對修正前后BC質量濃度進行比較,發(fā)現(xiàn)修正后的BC質量濃度不會隨著濾膜點的變化而發(fā)生突變,且與氣溶膠體積濃度的變化趨勢相同,證明該算法對負載效應的修正有較好的效果.對于Virkkula校正算法,只考慮顆粒物的負載效應,不考慮濾膜多重散射效應和顆粒物散射效應,但已有研究表明濾膜多重散射效應帶來的影響較大且不可被忽略,它約為顆粒物散射效應的20倍[36,39].

Coen等[39]利用Weingartner、Arnott、Schmid、Virkkula和Coen校正算法,分別對阿爾卑斯山的少女峰(JFJ)、荷蘭卡博(CAB)、愛爾蘭梅斯黑德(MHD)和霍恩佩森堡(HOP)四個站點的黑碳儀測量數(shù)據(jù)進行了修正,其中JFJ和CAB站點使用AE31,MHD和HOP站點分別使用AE16和AE10.研究發(fā)現(xiàn), Weingartner校正算法對于四個站點都適用,Coen和Schmid校正算法適用于JFJ、CAB和MHD站點,修正后的黑碳儀與MAAP測量的吸收系數(shù)的斜率接近于1,而利用Arnott校正算法修正后斜率為1.77.對于負載效應的修正,Weingartner校正算法的W更適用于MHD站點,Coen校正算法的c,s更適用于JFJ和HOP站點,而Arnott校正算法的A更適用于CAB站點,是因為在不同ATN下進行負載效應修正后,黑碳儀和MAAP的吸收系數(shù)的比值變化最小.

綜合分析,Arnott、Schmid和Coen校正算法是利用散射系數(shù)對顆粒物散射效應進行修正.當沒有測量氣溶膠散射系數(shù)時,可以選擇Weingartner或Coen校正算法(c,s,n= 0).此外,幾種校正算法對于吸收波長指數(shù)(AAE)也有影響,其中Coen校正算法對AAE的影響較小.對于JFJ和CAB兩個站點,使用Arnott、Schmid和Coen校正算法修正后,AAE分別增加了25%,10%～15%和1%～7%.

3 黑碳儀吸收系數(shù)測量偏差

如上所述,黑碳儀測量吸收系數(shù)的影響因素包括濾膜多重散射效應、負載效應和顆粒物散射效應,其中濾膜多重散射效應是導致其吸收系數(shù)測量偏差較大的主要原因.偏差因子(ref)為黑碳儀測量的衰減系數(shù)和參考儀器測量的吸收系數(shù)之比,其受到濾膜種類(材質和涂層)、BC混合狀態(tài)(老化混合程度)、氣溶膠化學組分和尺寸分布等多種因素的影響[25-28],除此之外還受到參考儀器測量準確性的影響,這使得ref的準確定量表征存在很大挑戰(zhàn).表2匯總了不同BC來源、不同波長以及不同參考儀器下黑碳儀吸收系數(shù)測量的偏差因子(ref)報道結果.

表2 不同BC來源和不同參考儀器下,黑碳儀吸收系數(shù)的測量偏差報道結果

續(xù)表2

圖2 Cref’的頻率分布統(tǒng)計圖

從匯總的已有報道結果來看,ref’的變化范圍是1.57～5.46,可見黑碳儀測量的吸收系數(shù)遠大于實際值.為清楚認識ref’的頻率分布特征,選取已有研究中數(shù)據(jù)點最多的波長范圍(500～800nm),共計25個樣本,對ref’進行統(tǒng)計分析.如圖2所示,在ref’為3～4的范圍中,ref’的頻率值出現(xiàn)最大值(32%).此外,ref’的頻率分布呈現(xiàn)高斯分布特征,頻率分布的峰值對應ref’= 3.46.

3.1 BC混合狀態(tài)對Cref’的影響

為清楚認識BC來源對ref’的影響,選取已有研究中數(shù)據(jù)點最多的波長范圍(500～800nm),共計25個樣本,對ref’的報道值進行分類匯總.如圖3所示,對于新鮮排放、老化混合、背景站點、鄉(xiāng)村/郊區(qū)站點和城市站點,ref’值的變化范圍分別是2.13-2.23、2.09-5.46、1.61-4.22、2.89-4.03和1.57-4.26.可以看出,實驗室老化和實際大氣氣溶膠的ref’報道值的差異很大.

對于新鮮產生的BC氣溶膠,Weingartner等[29]以消光光譜儀和積分濁度計作為參考儀器,對AE30測量的吸收系數(shù)進行校正.通過對比實驗獲得柴油炭黑粒子和Palas炭黑粒子的吸收系數(shù)偏差因子(ref’)分別為2.13和2.23.Arnott等[35]實驗產生的煤油炭黑粒子的ref’= 2.18.此外,Weingartner等[29]通過硫酸銨氣溶膠與柴油炭黑粒子的混合,獲得外混合的柴油炭黑粒子,發(fā)現(xiàn)其ref’無顯著地變化(ref’= 2.29).然而,AIDA煙霧箱老化的Palas炭黑粒子和柴油炭黑粒子,ref’分別增加至3.66和3.90.Schmid等[37]使用AE30和PAS在亞馬遜河流域進行同步觀測,發(fā)現(xiàn)在生物質燃燒煙羽時段,ref’的值高達5.23(= 532nm).Kim等[41]分析了亞洲季風羽流時段AE31與PAS的測量偏差,報道的ref’值(5.46)與Schmid等[37]的報道值相當.上述研究表明,BC的老化包裹可導致黑碳儀吸收系數(shù)的測量偏差顯著增加.

對于背景站點,Coen等[39]報道了阿爾卑斯山少女峰的ref’值為2.88.Backman等[42]對阿勒特、格林蘭島頂峰站、巴羅天文臺、季克西、帕拉斯大氣站和齊柏林天文臺多個北極背景站點進行了黑碳儀吸收系數(shù)測量偏差的研究.在阿勒特和齊柏林天文臺使用PSAP和AE31進行測量,在格林蘭島頂峰站、巴羅天文臺、季克西和帕拉斯大氣站分別使用連續(xù)光吸收光度計(CLAP)和AE16、CLAP和AE31、MAAP和AE31進行測量.Backman等人提出平均時間avg=?t的處理方法,有效降低了黑碳儀的測量噪聲和檢測限,并利用線性回歸法獲得了低海拔北極站點(除格林蘭島頂峰站外)的ref’(3.45). Kim等[41]使用AE31和CLAP在鹿林山背景站和阿勒特北極站點進行觀測,得到ref’值分別為4.16和3.96,并與利用Weingartner校正算法得到的ref-W03相比較,發(fā)現(xiàn)ref’比ref-W03更適用于鹿林山背景站和阿勒特北極站點的數(shù)據(jù)修正(例如,在528nm波長,利用ref’和ref-W03修正后AE31與CLAP吸收系數(shù)的偏差分別為0.82和0.77).

對于鄉(xiāng)村地區(qū),Coen等[39]在愛爾蘭梅斯黑德(MHD)和霍恩佩森堡(HOP)觀測得到的ref’值分別為3.51和2.89.Kim等[41]在濟州島觀測得到ref’4.03.Zhao等[43]用兩臺AE33(濾膜型號分別為8060和8050)和三波長光聲光譜儀(PASS)在臺州郊區(qū)進行觀測.利用線性回歸法得到ref’=2.9,并將其用于AE33(濾膜型號為8060)數(shù)據(jù)的修正.對于濾膜型號為8050的AE33,ref’受到波長和ATN的影響.Zhao等[43]還發(fā)現(xiàn)ATN影響AAE的變化,當ATN從22～60上升到120時,AAE的平均值會從1.6～1.8變化到2.0,且ref’的修正有利于減小ATN對AAE的影響.

對于城市地區(qū),Arnott等[36]利用濁度計、光聲光譜儀和AE31在拉斯維加斯的查爾斯頓觀測得到ref’= 3.69.Coen等[39]在荷蘭卡博得到的ref’= 4.26.Segura等[44]用AE31、MAAP和積分濁度計在西班牙格拉納達開展觀測實驗,結合單次散射反照率(0)和散射參數(shù)()對顆粒物散射效應的修正(Schmid校正算法)與因子*的波長依賴性(Arnott校正算法),得到ref’= 4.19,并通過Weingartner校正算法得到660nm波長下負載參數(shù)= 1.08.利用得到的ref和對AE31進行修正,修正后AE31與MAAP的吸收系數(shù)和吸收波長指數(shù)的偏差分別為1%和2%.Drinovec等[24]利用PSAP和AE33在奧地利的克拉根福觀測得到的ref’= 1.57.Qin等[45]在廣州番禺大氣成分站利用腔衰蕩光譜(CRDS)、積分濁度計和AE33進行觀測,得到ref’= 3.29,abs為CRDS和積分濁度計測量的消光系數(shù)與散射系數(shù)之差.

圖3 不同BC來源Cref’的報道結果

綜上分析,BC的來源對ref’的影響很大,老化包裹使得ref’增大,不同類型站點的ref’值的差異并不明顯,但是同一類型站點的ref’值的差異很大.因此,影響ref’的主要因素可能是BC的混合狀態(tài),比如BC的形貌、包裹尺寸和包裹物質等.

3.2 Cref’與SSA的關系

單次散射反照率(Single Scattering Albedo, SSA)是氣溶膠的內在光學特性參數(shù),其大小反映著氣溶膠中吸收性物質的占比.ref’與SSA的相關關系如圖4所示,其中散點對應表2中列出了報道值. Weingartner等[29]測量了實驗產生的柴油炭黑粒子和Palas炭黑粒子的SSA分別為0.165和0.250,硫酸銨氣溶膠與柴油炭黑粒子混合后的SSA為0.690,而經過AIDA煙霧箱老化的柴油炭黑粒子和Palas炭黑粒子的SSA分別為0.526和0.625.Segura等[43]在西班牙格拉納達開展觀測實驗,得到的SSA為0.759.Coen等[39]在阿爾卑斯山少女峰、梅斯黑德、霍恩佩森堡和荷蘭卡博得到的SSA分別為0.875、0.824、0.886和0.728.Schmid等[37]在亞馬遜河流域進行觀測,生物質燃燒煙羽時段SSA為0.92. Backman等[42]在阿勒特、格林蘭島頂峰站、巴羅天文臺、季克西、帕拉斯大氣站和齊柏林天文臺多個北極背景站點得到的SSA分別為0.932、0.937、0.937、0.888、0.919和0.943.Kim等[41]在濟州島、鹿林山背景站和阿勒特北極站點進行觀測,SSA分別為0.927、0.911和0.950.

圖4 Cref’與SSA的變化關系

其中散點為表2中列出的報道值,箱式圖的實心點、中心實線、方框及上下線分別對應ref’的平均值、中位數(shù)、上下四分位數(shù)及第10和第90百分位數(shù)

如圖4所示,使用箱式圖對數(shù)據(jù)的平均水平和離散程度進行分析.將SSA分成0～0.25、0.25～0.5、0.5～0.75和0.75～1.0四段,箱式圖中的實心點、中心實線、方框及上下線分別對應ref’的平均值、中位數(shù)、上下四分位數(shù)及第10和第90百分位數(shù).在SSA為0～0.25、0.5～0.75和0.75～1.0的3個區(qū)間,ref’的平均值分別為2.13、3.15和3.76,表明ref’隨著SSA的增加而增大.SSA增加對應著氣溶膠中非BC氣溶膠含量的占比增加,這意味著非BC氣溶膠含量的增加會加大黑碳儀吸收系數(shù)的測量偏差.其中,可能的影響因素包括BC的混合狀態(tài)、氣溶膠的尺寸和化學組分等.

3.3 Cref’的波長變化特征

圖5 Cref’的波長變化特征

其中散點為表2中列出的報道值,箱式圖的實心點、中心實線、方框及上下線分別對應ref’的平均值、中位數(shù)、上下四分位數(shù)及第10和第90百分位數(shù)

Weingartner等[29]通過測量新鮮產生和混合老化的炭黑粒子,獲得450和660nm波長處的ref’值,發(fā)現(xiàn)ref’不具有波長依賴性.對于實際大氣氣溶膠,在巴羅天文臺的北極站點[41]和臺州郊區(qū)站點的觀測結果也表明ref’不具有波長依賴性.然而,Arontt等[31]使用黑碳儀和PAS獲得了370～950nm七個波長處煤油炭黑粒子的ref’值,發(fā)現(xiàn)ref’隨波長增加呈現(xiàn)略微增大的趨勢(表2).對于實際大氣氣溶膠,Segura等[44]在西班牙格拉納達的觀測、Kim等[41]在濟州島、鹿林山背景站和阿勒特北極站點的觀測,也發(fā)現(xiàn)了ref’隨波長增加呈現(xiàn)略微增大的趨勢.

為清楚認識ref’的波長變化特征,將表2中不同波長處ref’的報道結果進行綜合分析.如圖5所示,在一定的波長范圍,ref’值的波動很大.使用箱式圖對數(shù)據(jù)平均水平和離散程度進行分析,每100nm劃分為一個波長范圍,將ref’分成7個波段.箱式圖中的實心點、中心實線、方框及上下線分別對應ref’的平均值、中位數(shù)、上下四分位數(shù)及第10和第90百分位數(shù).在7個波長范圍下,ref’的平均值分別為2.6、3.1、3.5、3.2、4.2、3.3和3.4.由于長波段的數(shù)據(jù)量較少,統(tǒng)計結果的不確定性較大.但是,從分析結果可以發(fā)現(xiàn)ref’隨波長增加而略微增大.

4 結語

黑碳儀作為常用的氣溶膠吸收系數(shù)測量儀器之一,其操作簡單、便于維護且不受氣體吸收的干擾,已廣泛應用于大氣成分業(yè)務觀測和科學研究.然而,受測量方法的限制,濾膜種類、負載效應和顆粒物散射效應等因素直接影響其測量的準確性.本文對黑碳儀的測量原理、現(xiàn)有校正算法及其吸收系數(shù)測量偏差研究進行綜述,并綜合分析了其吸收系數(shù)測量偏差的影響因素和波長依賴特征,以期為相關研究提供參考.

常用的校正算法有Weingartner、Arnott、Schmid、Coen和Virkkula校正算法五種,其中Arnott、Schmid和Coen校正算法是利用散射系數(shù)對顆粒物散射效應進行修正.當沒有測量氣溶膠散射系數(shù)時,可以選擇Weingartner或Coen校正算法.綜合分析發(fā)現(xiàn),BC老化程度增加會加大ref’,而不同觀測站點ref’差異較大的可能影響因素包括BC混合態(tài)不同、濾膜材質與涂層類型的差異以及所選擇參考儀器的準確性等.其次,ref’隨SSA的增加而增大,并呈現(xiàn)隨波長增加而略微增大的趨勢.

目前,對于黑碳儀吸收系數(shù)測量偏差的研究多是關注ref’,而BC老化程度和混合狀態(tài)等關鍵影響因素的研究還不足.為了準確測量ref’和定量表征其關鍵影響因素,需要將實驗室模擬和外場觀測相結合,從BC的形貌結構(分形維數(shù)、尺寸、包裹厚度和包裹物質等)上,探究BC混合狀態(tài)影響ref’的根本原因.其次,選擇多波長氣溶膠光學原位測量儀器,使用同一參考儀器獲得ref’與SSA的定量關系及ref’的波長依賴特征,并研究ref’對AAE的影響.最后,發(fā)展新的校準算法,并明確濾膜多重散射效應、負載效應和顆粒物散射效應對ref’的貢獻大小.

[1] Stocker T F, Qin D, Plattner G K, et al. In climate change 2013-The physical science basis. Contribution of Working Group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change [R]. Cambridge: Cambridge University Press: IPCC, 2013:571-658.

[2] Slowik J G, Stainken K, Davidovits P, et al. Particle morphology and density characterization by combined mobility and aerodynamic diameter measurements. Part 2: application to combustion-generated soot aerosols as a function of fuel equivalence ratio [J]. Aerosol Science and Technology, 2004,38:1206-1222.

[3] Petzold A, Ogren J A, Fiebig M, et al. Recommendations for reporting “black carbon” measurements [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013,13:8365-8379.

[4] Bond T C, Bergstrom R W. Light absorption by carbonaceous particles: An investigative review [J]. Aerosol Science and Technology, 2006, 40:27-67.

[5] Ervens B, Cubison M J, Andrews E, et al. CCN predictions using simplified 30assumptions of organic aerosol composition and mixing state: a synthesis from six different locations [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010,10:4795-4807.

[6] Zaveri R A, Barnard J C, Easter R C, et al. Particle-resolved simulation of aerosol size, composition, mixing state, and the associated optical and cloud condensation nuclei activation properties in an evolving urban plume [J]. Journal of Geophysical Research Atmospherics, 2010,115:D17210.

[7] Bond T C, Doherty S J, Fahey D W, et al. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment [J]. Journal of Geophysical Research, 2013,118:5380-5552.

[8] Peng J, Hu M, Guo S, et al. Markedly enhanced absorption and direct radiative forcing of black carbon under polluted urban environments [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016,113:4266-4271.

[9] Liu D, Whitehead J, Alfarra M R, et al. Black carbon absorption enhancement in the atmosphere determined by particle mixing state [J]. Nature Geoscience, 2017,10:184-188.

[10] Jacobson M Z. Strong radiative heating due to the mixing state of black carbon in atmospheric aerosols [J]. Nature, 2001,409:695-697.

[11] Ramanathan V, Carmichael G. Global and regional climate changes due to black carbon [J]. Nature Geoscience, 2008,1:221-227.

[12] Ding A, Huang X, Nie W, et al. Enhanced haze pollution by black carbon in megacities in China [J]. Geophysical Research Letters, 2016,43:2873-2879.

[13] Gustafssona ?, Ramanathan V, et al. Convergence on climate warming by black carbon aerosols [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2016,113:4243-4245.

[14] Zhang F, Wang Y, Peng J, et al. An unexpected catalyst dominates formation and radiative forcing of regional haze [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2020,117:3960-3966.

[15] Moosmüller H, Chakrabarty R K, Arnott W P. Aerosol light absorption and its measurement: A review [J]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2009,110:844-878.

[16] Xu X Z, Zhao W X, Fang B, et al. Three-wavelength cavity-enhanced albedometer for measuring wavelength dependent optical properties and single scattering albedo of aerosols [J]. Optics Express, 2018a,26: 33484-33500.

[17] Moise T, Flores J M, Rudich Y. Optical properties of secondary organic aerosols and their changes by chemical processes [J]. Chemical Reviews, 2015,115:4400-4439.

[18] Arnott W P, Moosmüller H, Sheridan P J, et al. Photoacoustic and filter-based ambient aerosol light absorption measurements: Instrument comparisons and the role of relative humidity [J]. Journal of Geophysical Research, 2003,108:4034.

[19] Lack D A, Lovejoy E R, Baynard T, et al. Aerosol absorption measurement using photoacoustic spectroscopy: sensitivity, calibration, and uncertainty developments [J]. Aerosol Science and Technology, 2006,40:697-708.

[20] Li J L, Wang W G, Li K, et al. Development and application of the multi-wavelength cavity ring-down aerosol extinction spectrometer [J]. Journal of Environmental Sciences, 2019,76:227-237.

[21] Xu X Z, Zhao W X, Qian X D, et al. The influence of photochemical aging on light absorption of atmospheric black carbon and aerosol single-scattering albedo [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2018b,18:16829-16844.

[22] Zhao W X, Xu X Z, Dong M L, et al. Development of a cavityenhanced aerosol albedometer [J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2014,7:2551-2566.

[23] Zhou J C, Xu X Z, Zhao W X, et al. Simultaneous measurements of the relative-humidity-dependent aerosol light extinction, scattering, absorption, and single-scattering albedo with a humidified cavity- enhanced albedometer [J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2020,13:2623-2634.

[24] Drinovec L, Mo?nik G, Zotter P, et al. The “dual-spot” aethalometer: an improved measurement of aerosol black carbon with real time loading compensation [J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2015,8:1965-1979.

[25] Subramanian R, Roden C A, Boparai P, et al. Yellow beads and missing particles: Trouble ahead for filter-based absorption measurements [J]. Aerosol Science and Technology, 2007,41:630-637.

[26] Lack D A, Cappa C D, Covert D S, et al. Bias in filter-based aerosol light absorption measurements due to organic aerosol loading: evidence from ambient measurements [J]. Aerosol Science and Technology, 2008,42:1033-1041.

[27] Lim S, Lee M, Kim S W, et al. Absorption and scattering properties of organic carbon versus sulfate dominant aerosols at Gosan climate observatory in Northeast Asia [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2014,14:7781-7793.

[28] Vecchi R, Bernardoni V, Paganelli C, et al. A filter-based light- absorption measurement with polar photometer: Effects of sampling artefacts from organic carbon [J]. Journal of Aerosol Science, 2014, 70:15-25.

[29] Weingartner E, Saathoff H, Schnaiter M, et al. Absorption of light by soot particles: Determination of the absorption coefficient by means of Aethalometers [J]. Aerosol Science, 2003,34:1445-1463.

[30] Clarke A D. Effects of filter internal re?ection coefficient on light absorption measurements made using the integrating plate method [J]. Applied Optics, 1982,21:3021-3031.

[31] Liousse C, Cachier H, Jennings S G. Optical and thermal measurements of black carbon aerosol content in different environments: Variation of the specific attenuation cross-section sigma (σ) [J]. Atmospheric Environment, 1993,27:1203-1211.

[32] Petzold A, Kopp C, Niessner R. The dependence of the speci?c attenuation cross-section on black carbon mass fraction and particle size [J]. Atmospheric Environment, 1997,31:661-672.

[33] Bond T C, Anderson T L, Campbell D. Calibration and intercomparison of filter-based measurements of visible light absorption by aerosols [J]. Aerosol Science and Technology, 1999, 30:582-600.

[34] LaRosa L B, Buckley T J, Wallace L A. Real-time indoor and outdoor measurements of black carbon in an occupied house: an examination of sources [J]. Air Waste Manage, 2002,52(1):174-185.

[35] Reid J S, Hobbs P V, Liousse C, et al. Comparisons of techniques for measuring shortwave absorption and black carbon content of aerosols from biomass burning in Brazil [J]. Journal of Geophysical Research, 1998,103(D24):32031-32040.

[36] Arnott W P, Hamasha K, Moosmüller H, et al. Towards aerosol light-absorption measurements with a 7-wavelength aethalometer: Evaluation with a photoacoustic instrument and 3-wavelength nephelometer [J]. Aerosol Science and Technology, 2005,39(1):17-29.

[37] Schmid O, Artaxo P, Arnott W P, et al. Spectral light absorption by ambient aerosols in?uenced by biomass burning in the Amazon Basin. I: Comparison and ?eld calibration of absorption measurement techniques [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2006,6:3443- 3462.

[38] Virkkula A, Makela T, Hillamo R, et al. A simple procedure for correcting loading effects of aethalometer data [J]. Air & Waste Management Association, 2007,57(10):1214-1222.

[39] Coen M C, Weingartner E, Apituley A, et al. Minimizing light absorption measurement artifacts of the Aethalometer: evaluation of ?ve correction algorithms [J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2010,3:457-474.

[40] Müller T, Henzing J S, Leeuw G de, et al. Characterization and intercomparison of aerosol absorption photometers: result of two intercomparison workshops [J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2011,4:245–268.

[41] Kim J H, Kim S W, Ogren J A, et al. Multiple scattering correction factor estimation for aethalometer aerosol absorption coefficient measurement [J]. Aerosol Science and Technology, 2018,53:167-171.

[42] Backman J, Schmeisser L, Virkkula A, et al. On Aethalometer measurement uncertainties and an instrument correction factor for the Arctic [J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2017,10:5039- 5062.

[43] Zhao G, Yu Y L, Tian P, et al. Evaluation and correction of the ambient particle spectral light absorption measured using a filter- based aethalometer [J]. Aerosol and Air Quality Research, 2020,20: 1833-1841.

[44] Segura S, Estellés V, Titos G, et al. Determination and analysis of in situ spectral aerosol optical properties by a multi-instrumental approach [J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2014,7:2373- 2387.

[45] Qin Y M, Tan H B, Li Y J, et al. Chemical characteristics of brown carbon in atmospheric particles at a suburban site near Guangzhou, China [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2018,18(22):16409- 16418.

Research progress of correction algorithm and influence factors for aerosol absorption coefficient from aethalometer measurement.

CAI Yuan-qing1,2, XU Xue-zhe2, ZHOU Jia-cheng2,3, LIU Qian-qian2,3, ZHAO Wei-xiong2, FANG Bo2, WANG Shuo2, ZHANG Wei-jun1,2,3*

(1.Institute of Physical Science and Information Technology, Anhui University, Hefei 230601, China；2.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Hefei Institute of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China；3.University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)., 2021,41(9)：4026～4035

As one of the commonly used techniques for aerosol absorption coefficient measurement, Aethalometer is widely used to investigate aerosol light absorption properties in laboratory and field experiments. However, owing to the constraint of filter-based method, the accuracy of the absorption coefficient measurement is affected by the filter-loading effect, and by the multiple-scattering effects caused by the filter fibers and aerosol particles. The instrument methodology and the developed correction algorithms of Aethalometer were reviewed. The influence factors for absorption coefficient measurement were explored. The influence of mixing state of black carbon (BC) on Aethalometer measurement deviation (ref’) of absorption coefficient were analyzed. The relationship betweenref’ and aerosol single scattering albedo (SSA), and the wavelength-dependent relationship ofref’ were discussed. Furthermore, some suggestions for the future research were proposed.

aethalometer；absorption coefficient；correction algorithm；measurement deviation

X513

A

1000-6923(2021)09-4026-10

蔡園青(1995-),女,安徽淮北人,安徽大學碩士研究生,主要從事黑碳氣溶膠光學特性研究.

2021-02-22

國家自然科學基金(41905118,42022051);中國科學院科研儀器設備研制項目(YJKYYQ20180049);合肥研究院院長基金(BJPY2019B02,YZJJ2019QN3);安徽省自然科學基金(1908085QD157)

* 責任作者, 研究員, wjzhang@aiofm.ac.cn