帕米尔高原黑碳气溶胶浓度特征与溯源分析

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00108

摘要/Abstract

摘要：

帕米尔高原作为“中巴经济走廊”建设的关键区域，毗邻干旱半干旱沙漠地带，荒漠化严重，容易发生起沙现象。为研究帕米尔高原黑碳不同时间尺度上的浓度变化特征和潜在源区，利用AE-33黑碳仪对帕米尔高原2019年3月至2022年12月的黑碳质量浓度进行连续观测，利用HYPSLIT后向轨迹模型对观测期间内的黑碳进行聚类分析、潜在来源贡献因子分析（PSCF）和浓度权重轨迹分析（CWT）。结果表明：（1）2019年3月至2022年12月黑碳浓度呈现波动下降趋势，黑碳排放量少，空气清洁度高；日变化呈双峰型分布，峰值分别出现在09:00和20:00。（2）黑碳浓度在季节上呈现冬季（713.33±126.16 ng·m^-3）>秋季（648.00±70.23 ng·m^-3）>春季（403.33±30.64 ng·m^-3）>夏季（390.67±32.89 ng·m^-3）的变化规律，境外污染排放和季节性自然环境变化是黑碳浓度变化的主要原因。（3）黑碳浓度与温度（r=-0.522）、风速（r=-0.427）和湿度（r=0.345）相关性显著水平较高。（4）帕米尔高原黑碳浓度随季节变化差异明显，受远距离输送影响，四季气流主要源于境外。春季潜在源集中于巴基斯坦北部和克什米尔地区，秋季潜在源集中在乌兹别克斯坦苏尔汉河州、塔吉克斯坦杜尚别和戈尔诺-巴达赫尚自治州，冬季受境外排放源影响严重。帕米尔高原黑碳存在明显的时空浓度变化特征，且受气象因素及远距离输送影响潜在源区主要为境外地区。

关键词: 黑碳气溶胶, 帕米尔高原, 后向轨迹模型, 潜在源

Abstract:

As a key region in the construction of "China-Pakistan Economic Corridor"，the Pamir Plateau is adjacent to the arid and semi-arid desert zone， which is seriously desertified and prone to sand. In order to investigate the concentration variation characteristics and potential source areas of black carbon （BC） on the Pamir Plateau at different time scales， continuous observations of BC concentrations on the Pamir Plateau from March 2019 to December 2022 were conducted using the AE-33 black carbon monitor， and cluster analysis， potential source contribution factor analysis （PSCF） and concentration weight trajectory analysis （CWT） were performed on BC during the observation period using the HYPSLIT model. The results show that：（1） The BC concentration from March 2019 to December 2022 shows a fluctuating decreasing trend with low BC emissions and high air cleanliness. The daily changes show a bimodal distribution with peaks occurring at 09:00 am and 20:00 pm， respectively. （2） BC concentrations show a seasonal pattern in winter （713.33±126.16 ng·m^-3）>autumn （648.00±70.23 ng·m^-3）> spring （403.33±30.64 ng·m^-3） > summer （390.67±32.89 ng·m^-3）， with offshore pollution emissions and seasonal changes in the natural environment being the main reason for the variation of BC concentration. （3） BC concentration is correlated with meteorological element temperature （r=-0.522）， wind speed （r=-0.427） and humidity （r=0.345） at a high level of significance. （4） There is significant seasonal variation in BC concentrations on the Pamir Plateau， which is affected by long distance transport. Potential sources are concentrated in northern Pakistan and Kashmir in spring （WPSCF > 0.6， WCWT > 600 ng·m^-3）； Potential sources are concentrated in Surkhandarya of Uzbekistan， Dushanbe and Gorno-Badakhshan Autonomous Oblasts of Tajikistan in autumn （WPSCF > 0.7， WCWT > 800 ng·m^-3）. There are obvious spatial and temporal concentration variations of BC on the Pamir Plateau， and its potential source are mainly from outside the country due to meteorological factors and long-distance transport.

Key words: black carbon, Pamir Plateau, backward trajectory model, potential source

中图分类号:

P421

汤成鑫, 康永德, 陈红娜, 杜新甜, 王敏仲, 何清, 刘涛, 刘新春. 帕米尔高原黑碳气溶胶浓度特征与溯源分析[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 66-77.

Chengxin Tang, Yongde Kang, Hongna Chen, Xintian Du, Minzhong Wang, Qing He, Tao Liu, Xinchun Liu. Characterization and traceability of black carbon aerosol mass concentration on the Pamir Plateau[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(2): 66-77.

图/表 11

图1 研究区概况注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2019）3333号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Overview of the study area

图2 帕米尔高原黑碳浓度日变化

Fig.2 Diurnal variation of black carbon concentration in Pamir Plateau

图3 帕米尔高原黑碳浓度时间序列

Fig.3 Time series of black carbon concentration in Pamir Plateau

图4 帕米尔高原黑碳日平均浓度相对频率分布

Fig.4 Relative frequency distribution of black carbon daily average concentration in Pamir Plateau

图5 帕米尔高原黑碳浓度月变化

Fig.5 Monthly variation of black carbon concentration in Pamir Plateau

图6 帕米尔高原黑碳浓度季节变化

Fig.6 Seasonal variation of black carbon concentration in Pamir Plateau

图7 帕米尔高原2020年黑碳浓度与气象要素月及季节变化

Fig.7 Monthly and seasonal changes of black carbon concentration and meteorological elements in Pamir Plateau in 2020

表1 帕米尔高原2020年黑碳浓度与气象要素的相关系数

Table 1 Correlation coefficient between black carbon concentration and meteorological elements in Pamir Plateau in 2020

时间	风速	降水量	湿度	温度	气压
春季	0.058	0.680^*	-0.116	-0.150	0.005
夏季	-0.004	-0.266	0.059	0.061	-0.040
秋季	0.164	-0.122	0.075	0.063	0.179
冬季	-0.351^**	0.939^**	0.216^*	-0.417^**	-0.218^*
全年	-0.427^**	0.097	0.345^**	-0.522^**	-0.021

图8 帕米尔高原黑碳四季后向轨迹聚类分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2020）4393号）制作，底图边界无修改

Fig.8 Cluster distribution of backward trajectory of black carbon in Pamir Plateau in each season

图9 帕米尔高原黑碳潜在源贡献季节分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2020）4393号）制作，底图边界无修改

Fig.9 Seasonal distribution of black carbon potential source in Pamir Plateau

图10 帕米尔高原黑碳浓度权重轨迹季节分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2020）4393号）制作，底图边界无修改

Fig.10 Seasonal distribution of black carbon concentration weight trajectory in Pamir Plateau

参考文献 44

1	曹国良，张小曳，王亚强，等.中国大陆黑碳气溶胶排放清单［J］.气候变化研究进展，2006（6）：259-264.
2	Zheng Y， Ma N， Wang Q Q，et al.Characteristics and source apportionment of black carbon aerosol in the North China Plain［J］.Atmospheric Research，2022，276：106246.
3	Hamasha K M.The Increasing trend of black carbon and organic carbon in Jordan during the period of 2007 to 2018［J］.Nature Environment and Pollution Technology，2021，20（3）：955-972.
4	秦世广.我国大陆地区大气黑碳气溶胶观测研究［D］.北京：中国气象科学研究院，2001.
5	朱晓晶，钱岩，李晓倩，等.黑碳气溶胶的研究现状：定义及对健康、气候等的影响［J］.环境科学研究，2021，34（10）：2536-2546.
6	Wang Y Q， Zhang X Y， Sun J Y，et al.Spatial and temporal variations of the concentrations of PM₁₀，PM_2.5 and PM₁ in China［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，2015，15（23）：13585-13598.
7	Ding A J， Huang X， Nie W，et al.Enhanced haze pollution by black carbon in megacities in China［J］.Geophysical Research Letters，2016，43（6）：2873-2879.
8	杜伟凯，江崎正，肖雨霄，等.黑碳气溶胶的污染特征及健康风险评价：以石家庄市南郊为例［J］.能源环境保护，2022，36（3）：103-108.
9	Cao J J， Xu B Q， He J Q，et al.Concentrations，seasonal variations，and transport of carbonaceous aerosols at a remote mountainous region in western China［J］.Atmospheric Environment，2009，43（29）：4444-4452.
10	Chen X， Kang S， Cong Z，et al.Concentration，temporal variation，and sources of black carbon in the Mt.Everest region retrieved by real-time observation and simulation［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，2018，18（17）：12859-12875.
11	Cheng S， Wang Y， An X.Temporal variation and source identification of black carbon at Lin'an and Longfengshan regional background stations in China［J］.Journal of Meteorological Research，2017，31（6）：1070-1084.
12	Dai M， Zhu B， Fang C，et al.Long‐term variation and source apportionment of black carbon at Mt.Waliguan，China［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，2021，126（21）：e2021JD035273.
13	Fu T M， Cao J J， Zhang X Y，et al.Carbonaceous aerosols in China：top-down constraints on primary sources and estimation of secondary contribution［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，2012，12（5）：2725-2746.
14	姚青，郝天依，蔡子颖，等.天津黑碳气溶胶潜在来源分析与健康风险评估［J］.中国环境科学，2020，40（12）：5221-5228.
15	张玲，孔少飞，郑煌，等.华北平原南部农村地区黑碳气溶胶浓度及来源［J］.环境科学，2022，43（5）：2363-2372.
16	张莹，辛金元，张小玲.北京市气温与黑碳和PM_2.5对疾病死亡影响的交互效应［J］.中国环境科学，2020，40（7）：3179-3187.
17	谢锋，林煜棋，宋文怀，等.南京北郊黑碳气溶胶分布特征及来源［J］.环境科学，2020，41（10）：4392-4401.
18	井安康，朱彬，丁德平，等.中国长江三角洲地区黑碳特征和来源分析［J］.中国环境科学，2019，39（9）：3585-3594.
19	程丁，吴晟，吴兑，等.深圳市城区和郊区黑碳气溶胶对比研究［J］.中国环境科学，2018，38（5）：1653-1662.
20	王璐，袁亮，张小玲，等.成都地区黑碳气溶胶变化特征及其来源解析［J］.环境科学，2020，41（4）：1561-1572.
21	杨晓旻，施双双，张晨，等.南京市黑碳气溶胶时间演变特征及其主要影响因素［J］.环境科学，2020，41（2）：620-629.
22	曹阳，安欣欣，刘保献，等.北京市黑碳气溶胶浓度特征及其主要影响因素［J］.环境科学，2021，42（12）：5633-5643.
23	Zheng H， Kong S， Zheng M，et al.A 5.5-year observations of black carbon aerosol at a megacity in Central China：levels，sources，and variation trends［J］.Atmospheric Environment，2020，232：117581.
24	曹夏，周变红，王锦，等.西安城区黑碳气溶胶的污染特征及来源解析［J］.环境化学，2020，39（11）：3072-3082.
25	Drinovec L， Močnik 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（5）：1965-1979.
26	Wu G， Xu B， Zhang C，et al.Geochemistry of dust aerosol over the Eastern Pamirs［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta，2009，73（4）：977-989.
27	阿布都热夏提·阿布力米提，于鸣媛，曹芳，等.瓦里关黑碳气溶胶变化特征与来源解析［J］.环境科学学报，2022，42（12）：311-321.
28	Zhang R， Wang H， Qian Y，et al.Quantifying sources，transport，deposition，and radiative forcing of black carbon over the Himalayas and Tibetan Plateau［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，2015，15（11）：6205-6223.
29	Jing A， Zhu B， Wang H L，et al.Source apportionment of black carbon in different seasons in the northern suburb of Nanjing，China［J］.Atmospheric Environment，2019，201：190-200.
30	符传博，丹利，唐家翔，等.基于轨迹模式分析海口市大气污染的输送及潜在源区［J］.环境科学学报，2020，40（1）：36-42.
31	Weingartner E， Saathoff H， Schnaiter M，et al.Absorption of light by soot particles：determination of the absorption coefficient by means of aethalometers［J］.Journal of Aerosol Science，2003，34（10）：1445-1463.
32	Sandradewi J， Prévôt A S H， Weingartner E，et al.A study of wood burning and traffic aerosols in an alpine valley using a multi-wavelength Aethalometer［J］.Atmospheric Environment，2008，42（1）：101-112.
33	李汉林，何清，刘新春，等.帕米尔高原东部PM₁₀输送路径及潜在源分析［J］.中国环境科学，2020，40（11）：4660-4668.
34	孔祥晨，张连霞，张彩云，等.鄂尔多斯市夏秋季黑碳气溶胶时间演变特征及其来源解析［J］.环境科学，2022，43（7）：3439-3450.
35	谢翔，赵竹君，陆忠奇，等.阿克达拉大气本底站黑碳浓度特征和潜在源［J］.中国环境科学，2022，42（12）：5514-5522.
36	孙鸣婧，李霞，赵克明，等.基于探空数据的新疆大气扩散条件时空分布特征分析［J］.干旱区地理，2022，45（1）：113-121.
37	Meng F H， Wang J， Li T N，et al.Pollution characteristics，transport pathways and potential source regions of PM_2.5 and PM₁₀ in Changchun City in 2018［J］.International Journal of Environmental Research and Public Health，2020，17（18）：6585.
38	Hu X F， Yin Y Z， Duan L，et al.Temporal and spatial variation of PM_2.5 in Xining，Northeast of the Qinghai-Xizang （Tibet） Plateau［J］.Atmosphere，2020，11（9）：953.
39	Hao T Y， Cai Z Y， Chen S C，et al.Transport pathways and potential source regions of PM_2.5 on the west coast of Bohai Bay during 2009-2018［J］.Atmosphere，2019，10（6）：345.
40	Wang Y Q， Zhang X Y， Draxler R R.et al.TrajStat：GIS-based software that uses various trajectory statistical analysis methods to identify potential sources from long-term air pollution measurement data［J］.Environmental Modelling & Software，2009，24（8）：938-939.
41	周茹，朱君.东南亚生物质燃烧输送影响我国西南气溶胶辐射特性研究［J］.中国环境科学，2020，40（4）：1429-1436.
42	王红磊，颜雪，沈利娟，等.2006-2020年中国大气本底站BC气溶胶的时空分布特征［J］.环境科学，2022，43（8）：3977-3989.
43	先久坤，崔世杰，张运江，等.亚洲地区黑碳气溶胶外场在线观测研究进展［J］.大气与环境光学学报，2022，17（1）：104-124.
44	刘慧，夏敦胜，陈红，等.2017 年兰州市大气污染物输送来源及传输特征模拟分析［J］.环境科学研究，2019，32（6）：993-1000.

[1]	曼吾拉·卡德尔, 张璐, 刘鑫华, 努尔比亚·吐尼牙孜, 古丽乃帕尔·木明, 高韶勃. 塔里木盆地两次沙尘天气过程对比分析[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 76-88.
[2]	陆忠奇, 赵竹君, 何清. 库尔勒市大气颗粒物浓度特征及来源[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 74-84.
[3]	李汉林, 何清, 赵权威. 喀什地区PM₁₀输送路径及潜在源区[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 62-70.
[4]	杨燕萍, 王莉娜, 杨丽丽, 陶会杰, 蒋琳. 兰州市沙尘天气污染特征及潜在源区[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 60-66.
[5]	陆辉, 魏文寿, 崔彩霞, 吴新萍. 塔克拉玛干沙漠腹地黑碳气溶胶浓度[J]. 中国沙漠, 2014, 34(4): 1087-1093.
[6]	章秋英;牛生杰;沈建国;王英舜; 武魁;王敏;张凯霞. 半干旱区冬春季黑碳气溶胶吸收特性的观测研究[J]. 中国沙漠, 2009, 29(1): 183-188.