印度南部城市地区的黑碳气溶胶的垂直分布外文翻译资料

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印度南部城市地区的黑碳气溶胶的垂直分布

P.D. Safai , M.P. Raju, R.S. Maheshkumar, J.R. Kulkarni, P.S.P. Rao, P.C.S. DevaraXX

摘要：黑碳气溶胶的垂直分布是由气溶胶相互作用及沉淀增强实验（CAIPEEX）项目的飞机测量数据所得出的，这个项目是印度热带气象研究所于2009年在班加罗尔和印度南部的海得拉巴地区所主持的。虽然中间层包含了异常高的黑碳气溶胶负载，且经常会遇到主来源于地表的对流输送及局地边界层和大气稳定度产生的变化，但黑碳气溶胶的质量负荷在高度约为7千米处从103-104ng/m³单调下降到102ng/m³。此外，从空气质量后向轨迹可以看出，远距离源的远程运输导致了黑碳气溶胶的一些异常峰值。这片地区中，在自由对流层的云形成区域中出现的黑碳气溶胶，对云微物理及其后续降雨机制有着深远的影响。

关键词：黑碳气溶胶垂直分布；地表源；后向轨迹；静态稳定性

1 介绍

黑碳气溶胶，碳质的石墨形态，作为所有燃烧过程的副产物，其主要的颗粒物会排放进入大气中。黑碳对太阳辐射的大气吸收能力及由此产生的改变地球大气辐射收支的潜力是公认的（Novakov etal）。由2007年政府间气候变化专门委员会所预估，化石燃料产生的黑碳气溶胶的辐射强迫数值为 0.2[plusmn;0.15]W/m²，生物质燃烧产生的黑碳气溶胶的辐射强迫数值为 0.03[plusmn;0.12]W/m²。黑碳气溶胶辐射强迫的巨大不确定性来自于对黑碳气溶胶的估计及其吸收横截面的不确定性。低对流层的黑碳气溶胶的主要来源是表面燃烧的化石燃料和生物质，而在上层对流层与下部平流层中，飞机发动机的排气是黑碳气溶胶的另一个重要来源（Black）。由黑碳气溶胶所造成的辐射强迫主要依赖于垂直分布（Haywood）。在自由对流层中的黑碳气溶胶导致了大气辐射压力增强，黑碳气溶胶可以在自由对流层中捕获和保持能量，并从低云层中反射。在云内，黑碳气溶胶被水滴和冰滴包围，吸收了更多的能量，而导致云的反射率降低。由于其在正常大气条件下的亚微米级尺寸及惰性，黑碳气溶胶在大气中的寿命约为8-10天，其水平和垂直输送距离都可以达到数千公里。在北极和南极地区附近的环境中不存在任何主要的燃烧活动，但是可以测量到黑碳气溶胶的存在，这便是其长距离运输的体现（Barrie）。

研究表明，黑碳气溶胶对大气中棕色云的形成做出贡献，这些云会进一步发展至横贯大陆，这个过程被假设认为会对云微物理和不同地区的降雨模式产生很大影响。也有研究表明，黑碳气溶胶促进了冰川的融化（Ramanathan）。此外，黑碳气溶胶对人体健康及室内外的空气质量都有很大的直接负面影响。由于长距离的运送和大面积的人口覆盖，大气棕色云通过人类接触有毒物质，或间接通过气候变化和全球变暖及它们对地球生命维持系统的影响，而严重影响了人类的身体健康（Ruchirawat）。到目前为止，环境保护署、美国或中央污染控制委员会、印度并没有对黑碳气溶胶有任何类似于PM10和PM2.5（分别低于10 mu;m 和2.5 mu;m大小的可吸入颗粒物）的环境水平的限制。然而，对这样一种门槛限制的需要是迫在眉睫的，尤其是大量需要化石燃料和生物质燃料的发展中国家，例如印度。在上对流层和下平流层中也观察到了黑碳气溶胶。根据1990-1993年Black和Kato在北纬90度至南纬45度区域的研究，9.5千米（上对流层）高度处黑碳气溶胶的浓度为3.35 ng/m³，在19千米（平流层下部）高度处黑碳气溶胶浓度为0.005 ng/m³。根据在巴西森林进行的追踪实验中飞机测量所得数据，在2.5千米的高度处，黑碳气溶胶浓度值高达12000ng/m³（Pereira）。在印度洋实验期间，研究表明在印度洋北部的残余陆缘层中，黑碳气溶胶的浓度为3200 ng/m³，其占了气溶胶总量的14%。在亚洲地区的研究表明，在东亚地区海拔高度3千米以下有黑碳气溶胶的存在（浓度为200-1800 ng/m³）（Mader）。然而，除了在本文后续章节中的一些研究报告外，与黑碳气溶胶垂直分布相关的现有信息在印度尤为有限。最近，Babu报告了在海得拉巴的黑碳气溶胶的观测结果，他们观测到了黑碳气溶胶的高度分布数据，其中有两个峰值，一个在4.5千米高度处，另一个在8千米高度以上，作者认为这可能与高空飞机的气体排放有关。

由印度热带气象研究所进行了云气溶胶相互作用和降水增强实验，Pune的目的旨在研究和理解两影响了降水机制的气溶胶和云之间的相互作用。这个实验的第一阶段，从2009年6月到9月间，在印度不同地区进行了黑碳气溶胶的飞机观测以及对气象参数和云微物理参数的观测。在本研究中，我们报告了在印度南部两个城市得到的黑碳气溶胶垂直分布的观测结果，分别于2009年6月至7月3日在班加罗尔，及2009年6月11日至21日在海得拉巴进行。图1显示了班加罗尔及海得拉巴的地理位置（两个地点所框出的区域表示云气溶胶相互作用和降水增强实验下的飞机研究领域）。

图1 海得拉巴和班加罗尔在印度的位置，包含两点的蓝色方框表示CAIPEEX计划中飞机观测期期间所覆盖的总范围

2 实验细节

使用了美国TX公司的一架双发动机Piper Cheyenne N361 JC加压飞机进行了观测。飞机的速度在90-100米/秒间变化。每次飞行持续约2-3小时，时间在12点至16点间，这时的边界层发展完全，这样能够在取样前产生出强对流运动。飞机的飞行路线涵盖了班加罗尔的北纬11度-北纬13度、东经11度-东经13度，及海得拉巴的北纬16度-北纬19度、东经77度-东经79度，在这两个地点达到达的最大高度约为7.1千米。飞机在每一次的飞行过程中都进行了多次的上升和下降，以此能够穿透云层，该任务的主要目的是研究云微物理和气溶胶云的相互作用。实验对黑碳气溶胶的垂直分布图进行了观测，分别在海得拉巴进行了11天（2009年6月11日-21日），在班加罗尔进行了5天（2009年6月28-29日，7月1日-3日）。图2的a和b显示了飞机观测的飞行轨迹，将详细讨论两个典型日子（2009年6月11日和21日于海得拉巴，2009年6月28日和7月2日于班加罗尔）中得到的观测结果。

黑碳气溶胶的观测在Aethalometer飞机的非受压部分进行。用1.5米长的聚氨酯管（一种不导电以减少颗粒损失的油管）连接了飞机的取样口和普通的等速双扩散口，这个等速双扩散口安装在飞机面对穿过机内气流的压力区。空气采样的流速为每分钟6.5 l，观测时间为1分钟。这台仪器配有一个外部电池，用以重新启动电源。Hansen描述了Aethalometer的工作细节。黑碳气溶胶在黑碳气溶胶浓度计算中的具体吸收为16.6m²/g。Moorthy在海得拉巴进行飞机观测时使用了相同的黑碳气溶胶吸收值。在对黑碳气溶胶的观测中，不确定性高达10%。Coen回顾了Aethalometer的测量工件，并评估了必要修正的相对误差及绝对误差。黑碳气溶胶的不确定性也来自于吸收非黑碳气溶胶物质在粒子中吸收的未知部分所产生的吸收截面不确定性。由于高空压力和温度的变化，每个黑碳气溶胶数据的测量都需要进行必要的校正。修正后的黑碳气溶胶浓度为：BCcorrected = BCmeasured/[PoT/PTo]，P = 测量出的大气压力，Po =标准大气压力（1013.25千帕），T = 测量出的大气温度，To = 标准大气温度（293K）。

飞机位置的测量包括了经度、纬度和海拔高度，气象参数包括了大气温度（零下30摄氏度至零上50摄氏度，分辨率为0.01摄氏度），气压（0千帕以下至11千帕，分辨率为10帕），三维风速和风向（精度为0.5米每秒，分辨率为0.01米每秒），相对湿度即RH（0至100%，分辨率为0.1%），以上数据是由美国的DMT液滴测量技术中的飞机综合气象测量系统（AIMMS-20）测量所得。

图2 a.2009年6月11日海得拉巴的飞机观测轨迹 b.2009年6月28日和7月2日班加罗尔的飞机观测轨迹

3 结果与讨论

3.1 海得拉巴和班加罗尔的黑碳气溶胶垂直分布剖线

在使用飞机测量时，每500米取一次黑碳气溶胶的浓度值以获得代表该高度处的平均值。每个飞行高度的平均黑碳气溶胶浓度由5-7个数据点组成。如前文所述，所有的数据点都对温度和压力的变化进行了校正。当飞机停在地面并关掉发动机时，这两个地区的表面黑碳气溶胶浓度都获得了取样。2009年6月11日至21日间，每天都会在海得拉巴进行11次飞行；2009年6月27日至28日及7月1日至3日间，每天都会在班加罗尔进行5次飞行。6月中旬和6月底在海得拉巴的黑碳气溶胶质量浓度平均垂直分布如图3a所示。黑碳气溶胶质量浓度在海得拉巴地表的平均值（1668plusmn;812 ng/m³）迅速下降直至1.5千米高度处，而后逐渐下降至7千米高度处，平均值为366plusmn;74 ng/m³。在班加罗尔地区也有相似情况出现，黑碳气溶胶地表平均质量浓度为4849plusmn;1871 ng/m³，之后逐渐下降至3千米高度处，此高度处的黑碳气溶胶平均质量浓度为740plusmn;308ng/m³。此后，黑碳气溶胶的浓度随着海拔高度的增加而逐渐降低。班加罗尔7千米上空处的黑碳气溶胶平均质量浓度为214plusmn;102 ng/m³。因此，在上升至大约7千米处，黑碳气溶胶在海得拉巴的质量浓度下降，在班加罗尔也下降了。Babu在2001年冬季期间报告了班加罗尔的地面平均黑碳气溶胶浓度为4200 ng/m³。此外，Nair等人在2008年冬季报告了班加罗尔的黑碳气溶胶浓度为3700 ng/m³。在目前进行的观测中，班加罗尔表面的平均黑碳气溶胶浓度相对较高；且观测是在季风季节所进行的，此时的黑碳气溶胶浓度会由于冲刷效应而普遍较低。究其原因可能是由于地面观测是在位于班加罗尔北部的Yelhanka机场进行的，此处是频繁会有飞机起降的空军基地。但是观测所得结果不能代表班加罗尔整个城市。

图3 a.海得拉巴地区黑碳气溶胶质量浓度（2009年6月11日至6月21日）和班加罗尔地区黑碳气溶胶质量浓度（2009年6月28日至7月3日） b.之前研究报告中的黑碳气溶胶垂直分布廓线

地面平均黑碳气溶胶浓度值明显低于Latha和Badarinath之前在海得拉巴所得值，他们在2003年季风季节得出黑碳气溶胶浓度为4000 ng/m³；同时这个浓度值也低于Beegum等人于2006年1月至5月所得值，他们得出的浓度值为12000 ng/m³至大约25,000 ng/m³。然而，现在这组数据与Dumka等人于2009年6月至8月在海得拉巴所得的2770 ng/m³是相近似的。

在观测期间，海得拉巴和班加罗尔上空的平均云底高度在1000至3000米间变化。由于在云顶存在黑碳气溶胶时可以增强云顶反射辐射的吸收，因此观测日程中，在这些高度处观测得到的黑碳气溶胶浓度是非常重要的。在海得拉巴地区的低水平云层的中部及其上部，显著的存在着高浓度的黑碳气溶胶，其在大气加热过程中是至关重要的，并而后可以影响云的生命周期和属性（Moorthy）。

如前所述，使用飞机观测黑碳气溶胶的垂直分布的研究是非常少的，尤其是在印度地区。表1总结了这些研究与目前的观测结果。在海得拉巴地表的同一区域上，现研究所得的平均黑碳气溶胶浓度值相比Moorthy于2004年2月19日至20日研究所得的值降低了将近50%。这主要是由于观测期间产生的差异。2004年时正值冬季，此时由于风速和混合高度普遍较低，黑碳气溶胶的浓度要普遍较高。而且，Moorthy在海得拉巴所进行的观测多于早上（7点至11点）进行，由于高流量密度和熏蒸的效果，这些细小的燃烧的气溶胶在地表的浓度一般都很高（Beegum）。然而，当前在海得拉巴所进行的观测是在下午（12点至16点）进行的，此时由于对流和湍流导致粒子分散，地表的浓度会普遍较低。

图3a显示了在海得拉巴上空3千米高度处的黑碳气溶胶垂直剖线的一般形状，与图3b所示的之前的数据比较要较好些（Babu）。然而，冬季的分布图（如图3b）中，黑碳气溶胶的浓度在0.5千米高度处停止减少，而夏季的分布图（如图3a）中，下降一直持续至1.5至2.0千米高度处。在冬季，海拔高度直至3千米处的黑碳气溶胶的浓度大约是夏季的两倍。

表1 印度高海拔地区的黑碳气溶胶质量浓度的对比

在目前的研究中，海得拉巴地区的平均地表黑碳气溶胶浓度存在显著差异，且在Kanpur于2004年冬季的报告中，再次归因于这些气象站的气象条件的气候变化。除此以外，Kanpur驻在了印度河恒河流域，此处由于各种化石燃料的排放以及生物质燃烧活动，被认为可能是黑碳气溶胶的潜在来源地（Venkatraman）。

表1所示的数据显示，2009年6月在班加罗尔地区的黑碳气溶胶地表浓度与Kanpur在夏季（2005年6月）与冬季（2004年1月）所得的数据相似，据此说明了班加罗尔地区人为活动产生了影响，尤其是在机场附近。海得拉巴与班加罗尔都是快速发展的大城市，其拥有了越来越多的车辆与人口。根据报道，在印度南部的另一个城市，金奈，对黑碳气溶胶的飞机观测显示，黑碳气溶胶的浓度从地面至3000米高度处趋于稳定（大约1700 ng/m³），具有一个高度从750米至1750米，厚度约为1千米的独特而宽大的峰层，此高度区间内的黑碳气溶胶浓度值约为2500 ng/m³至3000 ng/m<s

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