基于飞机观测研究北京地区黑炭质量浓度及其混合结构的垂直特性

Detailed vertical profiles of the concentration, size distribution and mixing state of black carbon are very important to quantify the effects of aerosols on radiative forcing and clouds. Most studies were focused on the near-surface properties of black carbon, however, those particles was mostly accumulate in the boundary layer and change greatly at different altitudes. Meanwhile, the physical (e.g., size and shape) and chemical (e.g., composition and mixing state) properties of black carbon transform quickly in the atmosphere, which will altering the absorbing efficiency and hygroscopicity of the aerosol, so the measurement of the vertical distribution of black carbon was very necessary..Based on the aircraft and the measurement of aerosol properties, the aim of this project is to understand the vertical properties of black carbon at the most polluted area in China (Beijing-Tianjin-Hebei). With a Single Particle Soot Photometer and inlet pressure control device, the mixing state and concentration of black carbon at Beijing urban area will be obtained during about one year aircraft observation. Meanwhile, the comparison of vertical distribution between Beijing and Baoding will also studies.

黑炭气溶胶浓度、粒径分布和混合结构的垂直分布对气溶胶辐射强迫和云物理有着重要影响。目前研究只关注了地面黑炭光学与化学性质的变化，而大部分黑炭气溶胶都聚集在边界层内，并有着明显的垂直变化。而且其物理性质（粒径和形态）和化学性质（混合结构）在大气中会发生迅速的转变，从而影响对太阳光的吸收能力和成为云凝结核的能力。因此，开展黑炭的垂直分布探测是十分必要的。 .本项目拟利用飞机观测，开展黑炭气溶胶垂直特性的研究。通过单颗粒碳黑气溶胶谱仪（Single Particle Soot Photometer，SP2）和研发的飞机进气口压力控制装置，借助多种气体和气溶胶仪器，对典型污染区域（京津冀区域）开展黑炭浓度、粒径分布和混合状态的系统性实验研究。重点研究北京地区黑炭浓度和混合状态垂直分布特性及其变化规律，详细探讨河北（保定）或天津（武清）区域BC垂直分布特性与北京地区BC垂直分布的对比。

黑碳（Black Carbon，BC）是大气中最主要的吸收性气溶胶，由于其强烈的吸收太阳光作用，可以升高其周围环境温度。对于边界层顶部的黑碳气溶胶，由于其边界层顶的加热作用，可能增强逆温增加了大气稳定度，加剧了污染程度。此外，黑碳外部还可以包裹其它成分的气溶胶，增强了吸收太阳光效应，coating后的黑碳还可作为云凝结核，参与云的形成过程间接影响天气和气候系统。为增进关于黑碳气溶胶对气候和环境影响的认识，本项目借助机载黑碳仪开展华北地区黑碳垂直分布的研究，获得黑碳质量浓度及其混合结构的垂直分布特征。此外，项目还开展了关于气溶胶散射性质的垂直分布观测，为研究华北地区气溶胶的辐射强迫提供重要资料，还可用于验证地基遥感（AERONET）的准确性。.本项目主要研究内容包括以下三个方面：1)机载气溶胶观测系统的改装和数据质量控制。在本项目支持下，在飞机上搭载了高效机载气溶胶采样系统，获得0-3公里的重型气溶胶仪器（气溶胶质谱仪和单颗粒黑碳仪）观测数据，综合考虑气溶胶等速采样、压力不稳定、小粒子扩散损失以及大粒子惯性和重力沉降问题。并利用理论和实验闭合的方式，获得了机载采集系统的气溶胶采样效率。2)获得华北地区黑碳气溶胶垂直分布特征。 项目研究了北京地区不同污染情况下黑碳质量浓度及其混合结构的特征，结果显示黑碳垂直廓线主要取决于扩散条件。项目还分析了北京和保定黑碳质量浓度及其混合结构的差异，结果表明污染发生后整个华北地区气溶胶性质趋于一致。3）研究区域输送对垂直廓线的影响。基于飞机观测黑碳垂直廓线，说明西南方向区域输送在边界层的上部发生，而这种垂直方向输送通过地面观测是无法全面认识的。.在本项目的支持下，对机载气溶胶观测方案和内容进行了创新，获得了大量具有科学意义的数据，对认识气溶胶的辐射强迫作用至关重要，同时也能为遥感观测提供支持。