大气黑碳在线监测的新方法

图12-1为7个不同波段下在线监测黑碳（BC）的浓度。从图中可以看出，从紫外（370 nm）到可见光部分（470～660 nm）所测定的BC浓度，有减小的趋势；然后随着波长的增加，所测定的BC浓度也增加。2007年，年均BC在370、470、520、590、660、880、950 nm监测值分别为2 194.8、1 931.7、1 710.0、1 624.4、1 605.4、1 659.1、1 653.0 ng·m-3。D.L.Savoie等［13］报道，在可见光范围内，沙尘气溶胶中反射光谱的一阶导数在560和425 nm对赤铁矿和针铁矿具有识别意义。也就是说，沙尘气溶胶中Fe的氧化物在对应的波段有吸收。进一步分析文献［14］中的图谱发现，在近紫外区（370 nm），沙尘气溶胶中反射光谱的一阶导数也有明显的峰值，表明沙漠地区矿物气溶胶中Fe的氧化物是导致紫外及可见光区所测定的BC浓度不同的主要原因。另外，铁的氧化物在红外区（860 nm）处也有吸收带［15］，所以导致所测定BC在880和930 nm处较高。

图12-1　7个波段下BC的浓度（ng·m-3）（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）(www.xing528.com)

塔克拉玛干沙漠沙尘气溶胶中的吸光物质，除了BC以外还有Fe的氧化物［16］。在塔克拉玛干沙漠表层沙砾中，含有元素Fe 2.4%～3.2%。沙尘暴期间，TSP和PM 2.5中的元素Fe含量分别为2.07%和3.22%，非沙尘暴期间分别为3.05%和4.46%。气溶胶中的Fe主要来自本地扬起的沙尘。R.Arimoto［17］等发现，赤铁矿在550 nm反射率的一阶导数与Fe的浓度成正相关，针铁矿在435 nm处同样与Fe的总浓度存在这样的相关性，氧化铁在可见光部分对太阳辐射有影响。赤铁矿反射率一阶导数与针铁矿反射率一阶导数的比值，可作为识别不同沙尘源区的手段。在本研究中，用520 nm的衰减率表示赤铁矿对BC的贡献，用近紫外370 nm的衰减率表示针铁矿对BC的贡献［14］。假设在BC的监测中，主要是BC及Fe的氧化物造成光的衰减，那么扣除由BC造成的衰减（660 nm），即为Fe氧化物对光衰减的贡献。370 nm衰减率的一阶导数与520 nm衰减率的一阶导数之间有正相关，r=0.6（n=14 623），斜率为0.39，表明在塔克拉玛干沙漠，针铁矿含量高于赤铁矿含量，可用于追溯塔克拉玛干沙漠沙尘传输路径的重要识别参数。也正因为针铁矿浓度大于赤铁矿，所以在550 nm波段所测定的BC浓度，大于在370 nm波段所测定的浓度。通过以上分析，本研究选择660 nm波段所测定的BC，以剔除Fe氧化物对BC测定的影响，用于研究此沙漠地区BC气溶胶特性及其来源。