青海高原季節性降雪中的黑碳氣溶膠

史晉森,孫乃秀,葉 浩,章如東

(蘭州大學大氣科學學院,半干旱氣候變化教育部重點實驗室,甘肅 蘭州730000)

青海高原季節性降雪中的黑碳氣溶膠

史晉森*,孫乃秀,葉 浩,章如東

(蘭州大學大氣科學學院,半干旱氣候變化教育部重點實驗室,甘肅 蘭州730000)

對青海高原2012年季節性降雪進行采集.6個采樣點集中在青海高原東南部地區,共包括36袋雪樣.從分析結果可知,青海高原東南部地區季節性降雪中含有較多的沙塵,濾膜顏色多為土黃色.6個采樣點雪中的黑碳濃度為(184±123)ng/g,表層雪的黑碳濃度范圍是59～238ng/g,平均值為152ng/g.通過后向軌跡聚類分析知道氣流主要來自南亞和青藏高原地區,有少部分是來自塔克拉瑪干沙漠和戈壁地區.

黑碳；季節性降雪；青海高原；反照率

黑碳氣溶膠是由于生物(如木材,秸稈等)和化石燃料(汽油,柴油等)的不完全燃燒產生并進入大氣的顆粒物質[1],雖然在大氣氣溶膠中所占的比例較小,但它是大氣氣溶膠的主要光吸收組分[2],對可見光到紅外的波長范圍內的太陽輻射都有強烈的吸收效應,影響局地和全球的氣候效應.黑碳氣溶膠經過長距離傳輸并通過干沉降和濕沉降(如降雪和降雨)最終到達地表[3-4],這是黑碳傳輸到積雪中的重要機制[5].雪表面對太陽輻射有很強的反照率[6],雪中如果含有少量的吸收性物質,例如黑碳,就會大大降低雪的反照率,從而降低地表反照率,使地表吸收更多的太陽輻射,導致區域和全球氣候變化及水循環[4,7-9].最近的模式研究結果表明雪冰中黑碳的輻射效應是 20世紀氣候變化的主要人為強迫因素[10],導致北極和整個北半球溫度升高[4,8,11].雪中黑碳濃度和雪表面反照率之間關系已經通過控制試驗和輻射傳輸模式[9,12-15]得到確定,但這些模式和試驗結果都需要實際觀測結果進行對比驗證,尤其是對氣候變化來說,雪冰中的黑碳是評估各種輻射強迫中最不確定的因子之一[16].在北極的積雪中已經檢測出黑碳,這些黑碳主要源于人類活動,并且成為北極雪蓋的主要吸光物質[17-20].最近的研究表明,黑碳在中緯度地區的影響作用更強烈,主要是因為中緯度地區更靠近黑碳排放源區,黑碳的輻射強迫作用會影響雪的消融時間和速率[21-22].目前,在中緯度地區對季節性降雪中的黑碳觀測比較有限,已開展過相關研究的地區主要集中在北美地區[17,23-25]和歐洲[26-29],我國對雪冰中黑碳的觀測主要集中在青藏高原,祁連山脈和新疆的冰川[30-34].Xu等[30]2001～2004年首次對中國西部部分冰川上的表層雪樣進行采集并分析,表明除帕米爾高原地區,積雪中的黑碳和有機碳濃度自東向西,自北向南呈現出明顯的減小趨勢.2004～2006年夏秋季節明鏡等[33-34]從青藏高原和新疆地區9條冰川上采集表層雪樣并分析,知道我國西部雪冰中黑碳的平均濃度為 63ng/g,高于北半球其他中高緯度地區的實測結果.以往的這些研究都主要集中在高山冰川地區,而針對我國冬季季節性降雪中黑碳的研究卻很少,處于剛剛起步階段.

2010年,SACOL[35]團隊首次在中國北方地區開展了大范圍的冬季季節性積雪中黑碳測量試驗[36],范圍涉及吉林、長春、黑龍江、甘肅、內蒙古和青海6省,試驗結果表明我國東北地區積雪中的黑碳含量隨著緯度的增高而降低, Wang等[37]對采樣樣品的化學分析結果也證明了一點.延續2010年的試驗,2012年在新疆天山和阿勒泰山地區,以及青海高原東南部地區進行大范圍的季節性降雪中黑碳測量試驗,葉浩等[38]對新疆地區的采樣結果已經進行了初步分析,而進一步的化學分析正在進行.

本文主要對2012年試驗中青海高原東南部的 6個采樣點積雪中的黑碳進行初步分析,并用氣流后向軌跡模式聚類分析黑碳氣溶膠的主要來源.

1 雪樣采集與處理

1.1 雪樣采集

2012年1～2月,在青海和新疆的38個點進行了季節性降雪樣本的采集,其中 6個點位于青海高原,32個點位于天山和阿勒泰山地區,圖1標注了2010年(點1～46)和2012年(點47～86)兩次試驗的采樣點,其中點47～52是2012年青海采雪點.由于受到試驗條件的限制,青海高原的西南部地區沒有采集雪樣本(以下簡稱雪樣),西北部地區在2012年1月降雪較少,沒有采集雪樣.

圖1 2010和2012年試驗采雪點分布Fig.1 Snow sampling locations in 2010 and 2012

青海的 6個采樣點均遠離城鎮和道路,避開人為的影響,目的是使樣品更具代表性,能代表一定范圍的雪樣.在每個采樣點采集雪樣時,分別從垂直雪坑剖面上,左右間隔為50cm取2次雪樣,計算雪樣中黑碳濃度時用兩個雪樣的平均值.每次取雪樣時,通常是從頂層到底部每間隔5cm的深度依次分層取樣,這種采樣方法獲得的黑碳濃度可以代表相對層的黑碳含量.如果雪層有明顯的分層結構,且每層厚度不足5cm,將按照分層來采集雪樣.在雪樣采集過程中如果伴隨著降雪,那么表層的新雪要單獨作為一層樣本,其中具有代表性的 52采樣點.在有些采樣點,雪非常薄且伴有強風,雪樣只能從風吹的堆積雪中分層采集,其中代表性的是47和49采樣點,51采樣點表層雪也為吹雪.所有采集到的雪樣均保存在塑料袋中并多層包裹,試驗中所使用塑料袋的成分對雪樣試驗的分析結果不產生影響[39].在分析之前,雪樣都保持冷凍狀態,防止其融化影響分析結果.在采集雪樣的同時,測量并記錄相應雪樣層的溫度和密度,按照雪剖面分層5cm測量一次,不足5cm的層不做測量.

1.2 雪樣處理

青海高原6個采樣點共采集雪樣36袋,并在西寧市無煙賓館設立的臨時實驗室對雪樣進行處理.雪樣通過濾膜濾技術[17,20,36]進行處理.

雪樣的處理過程是首先將雪樣從塑料袋中取出放入燒杯中,用微波爐迅速加熱使其快速融化,這樣可使黏附在燒杯壁上的黑碳顆粒物降至最少.之后用注射器吸取定量體積的雪水,立即用0.4μm的微孔濾膜過濾,用錐形瓶盛過濾液,用手動真空泵使錐形瓶處于低壓狀態,加速雪水過濾.在過濾每包樣品后,用60mL的瓶子分別保存50mL左右過濾前和過濾后的雪水,在瓶子中滴入一滴三氯甲烷并重新冷凍保存起來,用于今后做進一步的化學分析[37].過濾后的濾膜陰干后,與 Clarke等[17]提供的已知黑碳含量的標準濾膜樣本進行視覺對比,以此估計雪樣濾膜的單位面積黑碳質量.雪水通過濾膜時,由于水中存在氣泡,會使得有些濾膜邊上留下小的空白斑,這時需要對濾膜的面積進行訂正.如圖 2所示,其中黑色部分表示濾膜上空白斑,濾膜的實際面積計算如下:

式中:S表示濾膜實際面積,cm2;r1為濾膜半徑, mm;r2為濾膜中心到空白區域邊界的距離,mm;θ為空白區域對應的圓心角,°.

根據通過濾膜的雪水體積,可計算出雪樣中的黑碳濃度，計算公式如下：

式中:c表示黑碳濃度,ng/g;m表示單位面積黑碳質量,μg/cm2;S表示濾膜實際面積,cm2;V表示通過濾膜的雪水體積,mL;以這種方法獲得的黑碳濃度稱為視覺等量黑碳濃度(以下簡稱黑碳濃度).在后面的研究中,將利用分光光度計法[38-39]對過濾濾膜做進一步的分析,并與視覺估計值進行對比.Clark等[17]和Doherty[20]的研究結果表明,大約15%的黑碳顆粒物會通過0.4μm的濾膜,因此估算出的相對黑碳濃度要乘以 1.15以補償濾膜漏掉的黑碳.

圖2 存在空白斑的濾膜Fig.2 Filter with little blank spot

2 結果與討論

6個采樣點集中分布在青海省的東南部,分別位于青海省藏族自治州興海縣,青海省果洛藏族自治州瑪多縣,瑪沁縣,甘德縣和同德縣.采樣點的信息以及從各采樣點獲得雪樣的表層雪黑碳濃度和總體雪樣平均黑碳濃度列于表 1中,雪樣密度和溫度列于表2中.6個采樣點除52采樣點海拔高度接近4000m,其余5個點海拔高度均在4000m以上.

從表1左右比率范圍可以知道采樣點的左右兩部分雪樣的黑碳濃度存在一定的誤差, 其主要原因是雪樣中的雜質分布不均勻.青海6個采樣點表層雪的黑碳濃度范圍是 59～238ng/g, 其平均值為152ng/g,大于新疆32個采樣點表層雪的黑碳濃度平均值 116ng/g[38],和青藏高原腹地表層雪黑碳濃度88±25ng/g[34]比起來,值偏大. 6個采樣點中新雪中黑碳濃度最小值為59ng/g,大于Xu等[30]在青藏高原采集的新雪中的黑碳濃度.

表1 采樣點基本信息Table 1 Basic information of sampling site

表2 采樣點雪樣密度和溫度的統計信息Table 2 Statistics of snow density and temperature at each sampling site

圖3 47～52采樣點黑碳濃度垂直分布Fig.3 Vertical profiles of BC concentrations at sites 47～52

除52采樣點外,其余5個采樣點的雪樣過濾濾膜均呈現土黃色,和新疆和東北的雪樣過濾的灰色和黑色不同,土黃色說明雪樣中沙塵含量較大,灰黑色說明雪樣中的顆粒物主要是黑碳成分. 52采樣點雪樣過濾濾膜的顏色呈現灰色,說明雪樣中的顆粒物主要是黑碳成分.

從表 2可知,新降雪的密度較小,普遍小于0.2g/cm3,而其他雪的密度較大,普遍大于0.2g/cm3.雪層溫度沒有明顯的規律,主要和當時的天氣狀況和地面熱量交換有關.

雪中黑碳濃度與空氣中的黑碳濃度以及干濕沉降過程(降雪的強度、頻率和持續時間)有關,同時雪的升華和消融也會影響雪中黑碳含量,可使黑碳富集在雪層中.圖3是6個采樣點黑碳濃度的垂直分布,其中47采樣點雪樣是從吹雪堆中采集,可視范圍的積雪覆蓋率大約為50%,有大片裸露的草地,當地沙塵和其他雜質會隨風摻入雪樣,造成黑碳濃度較高,雖然塵土對地表反照率的影響較黑碳很小,但在含有較多塵土地區,其仍為主要的吸光物質[40],其中 10～15cm 雪層為雪融層,同時在新雪覆蓋之前間隔有較長的時間,所以黑碳濃度為561ng/g.48采樣點在公路邊的湖面上, 表層為前一晚降的新雪,但采樣點距離瑪多縣城約 10km,同樣受到人為影響,表層雪黑碳含量較高,高于底層雪中黑碳含量.49采樣點表層有1cm厚的前一晚降的新雪,濃度接近于48號采樣點, 為142ng/g;2～7cm雪層為融雪層,沙塵含量較高,而之前7～25cm的雪層沒有受到影響,黑碳濃度較低,低于表層雪黑碳濃度,平均值為96ng/g.50采樣點位于瑪積雪山,距離公路約150m,冬季降雪封路,過往車輛很少,距離市區較遠,受到的人為活動影響較小,采樣點表層有 2cm厚的前一晚降的新雪,黑碳濃度較低,為59ng/g;7～12cm雪層為融雪層,雪層內雜質較多,故黑碳濃度較高,為389ng/g;12～20cm雪層是在降雪后不久被新雪覆蓋,受到影響較小,故黑碳濃度較低,為94ng/g.51號采樣點的表層雪為吹雪,低層雪為融雪,同時該點周圍有放牧區,所以無論是表層還是底層黑碳濃度都較高,分別為 184ng/g和295ng/g.52采樣點位于省道南部約400m,周圍有較大的牧區,受到人為影響較大,雪中黑碳濃度也較高,表層和底層分別為129ng/g和147ng/g.

圖4 采樣點后向軌跡聚類分析Fig.4 Clustering analysis of backward trajectory

3 氣流后向軌跡分析

利用HYSPLIT-4模式對青海6個采樣點進行氣團后向軌跡聚類分析.季節性降雪的研究對象主要都是幾天前的降雪或者是新降雪,同時 500m 高度層的氣溶膠混合較好[41],所以利用HYSPLIT-4模式選取起始離高層為500m,聚類分析了2012年1月4～13日6個采樣點48h后向氣流軌跡.

圖4利用聚類分類法獲取到達青海6個采樣點的幾種典型氣流分別來自于西南部和西部,這與青海大部分地區盛行偏西風相一致.同時來自西南方向的氣流占主導地位,平均占 48.7%,其中50和51號采樣點,西南方向的氣流占到了55%和73%,主要來源是南亞地區,Xia等[42]通過衛星數據的研究結果也表明南亞地區的氣溶膠會爬升到青藏高原.這些與青藏高原南部冰芯中黑碳氣溶膠自 20世紀迅速增加,導致青藏高原南部冰川退縮比西北部要快,南亞地區黑碳氣溶膠排放對青藏高原冰川融化起到重要作用[43]的結論相一致.

另一主要氣流是偏西氣流,6個采樣點的偏西氣流平均占到 44.2%,這主要是來自青藏高原的下沉氣流.另有少部分氣流是來自當地,例如47,51和52號采樣點的當地氣流分別占8%,10%和22%.51和52號采樣點有2%的氣流來自新疆的南部地區,說明青海降雪中的沙塵少部分來自塔克拉瑪干沙漠和戈壁地區,這與塔克拉瑪干的沙塵會通過抬升作用影響到青藏高原[44]的結論相一致.

4 結論

青海高原東南部地區的季節性降雪中含有較多的沙塵,過濾濾膜顏色多呈現土黃色,和新疆及東北的灰黑色濾膜不同.6個采樣點的黑碳濃度為(184±123)ng/g;表層雪的黑碳濃度范圍為59～238ng/g,其平均值為 152ng/g.通過后向軌跡聚類分析知道污染主要來自西南部和西部,受南亞和青藏高原影響較大,同時來自塔克拉瑪干沙漠和戈壁地區的沙塵也會影響到青海高原.

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致謝：感謝華盛頓大學大氣科學系Stephen G. Warren和付強教授在雪樣采集及分析中提供技術上的幫助,NOAA提供HYSPLIT-4模式.

Black carbon in seasonal snow across Qinghai Plateau.

SHI Jin-sen*, SUN Nai-xiu, YE Hao, ZHANG Ru-dong
(Key Laboratory for Semi-Arid Climate Change, Ministry of Education, College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China). China Environmental Science, 2014,34(10)：2472～2478

A total of 36 snow samples were collected and analyzed at 6 sites over the southeastern part of Qinghai Plateau. The results showed that the major color of the filters over these sites was yellow, indicating that the seasonal snow contained a large amount of dust. The BC concentration in the seasonal snow was (184±123)ng/g over the 6 sites. In addition, the BC concentration in surface snow ranged from 59ng/g to 238ng/g with an average of 152ng/g. Back trajectory clustering analysis, suggested that the air mass streams were mainly from South Asia and Tibet Plateau, and a small portion was from Taklimakan and Gobi desert.

t：black carbon；seasonal snow；Qinghai Plateau；albedo

X513,P426.63

：A

：1000-6923(2014)10-2472-07

史晉森(1982-),男,山西運城人,工程師,博士研究生,主要從事大氣環境和大氣氣溶膠觀測與研究.發表論文30篇.

2013-12-25

國家自然科學基金(41175134);蘭州大學中央高校基本科研業務費專項資金(lzujbky-2013-208);半干旱氣候變化教育部重點實驗室(蘭州大學)開放基金

* 責任作者, 工程師, shijs@lzu.edu.cn