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韩国忠清市黑碳浓度测量及与PM₁₀和PM_2.5浓度的比较

Youngbum Cha, Shihyoung Lee, Jeonghoon Lee*

School of Mechanical Engineering, Korea University of Technology and Education, Cheonan 31253, Korea

摘要：黑碳浓度与全球变暖密切相关。为了描述韩国忠清省的大气气溶胶特征，我们测量了大约8个月（2015年9月至2016年4月）的黑碳浓度，并将其与PM₁₀和PM_2.5浓度以及各种气象参数进行比较（例如风速和风向）。我们用多角度吸收光度计测量黑碳; PM₁₀和PM_2.5浓度，风速和风向来自当地监测站。最高和最低PM₁₀，PM_2.5和BC浓度都是在春季和秋季分别观察到。春季和冬季的高浓度可能是由于西风对污染物的运输的主导作用，而秋季的低浓度则可能是由于风速增加，导致湍流混合。总的来说，尽管BC浓度与PM₁₀和PM_2.5成正比关系，但相关性相对较低，可能是因为这三种大气污染物的来源之间存在差异。这些结果有助于弄清朝鲜半岛BC浓度的特征。

关键词：黑碳，MAAP,PM₁₀，PM_2.5

Measurement of Black Carbon Concentration and Comparison with PM10 and

PM2.5 Concentrations Monitored in Chungcheong Province, Korea

Youngbum Cha, Shihyoung Lee, Jeonghoon Lee*

School of Mechanical Engineering, Korea University of Technology and Education, Cheonan 31253, Korea

ABSTRACT: Black carbon concentrations are closely related to global warming. To characterize the atmospheric aerosols in Chungcheong Province, Korea, we measured the concentrations of black carbon for about eight months (September 2015–April 2016) and compared them with PM₁₀ and PM_2.5 concentrations as well as various meteorological parameters (e.g.,wind velocity and wind direction). We used a multi-angle absorption photometer to measure the black carbon; the PM₁₀ and PM_2.5 concentrations, wind velocity, and wind direction were obtained from local monitoring stations. The highest and lowest PM₁₀, PM_2.5, and BC concentrations were observed in spring and fall, respectively. The high concentrations in spring and winter were likely due to the dominance of westerly winds, which transported pollutants, whereas the low concentrations in fall were likely due to increased wind variations, which drove turbulent mixing. Overall, although BC

concentrations exhibited directly proportional correlations with PM₁₀ and PM_2.5, the correlations were relatively low probably because of differences between the sources of these three atmospheric pollutants. These results help clarify the characteristics of BC concentrations over the Korean Peninsula.

Keywords: Black carbon; MAAP; PM₁₀; PM_2.5

引言

元素碳是指颗粒物质（PM）中的碳质气溶胶。作为一种元素碳，黑碳（BC）包括由其光学性质定义的PM中的碳质气溶胶，BC通常由化石燃料的不完全燃烧产生。 BC在气候变化研究中具有重要意义，因为它可以通过光吸收改变辐射强迫（McMurry等，2004），对全球变暖有影响使BC成为空气污染物中对大气污染最严重的物质之一。尽管认为全球变暖主要是由温室气体引起的，但研究表明，地球大气层的变暖可能是由BC引起的（Andreae，2001）。与温室气体不同，BC由固体颗粒组成，通过这些颗粒加热大气直接吸收太阳辐射。它仅在大气中存在短时间，因此BC的温室效应被认为是短暂的气候变暖，据报道由于工业化城市和偏远郊区的BC浓度变化很大，因此当地的气候变化受到影响（Chameides和Bergin，2002）。

几项研究初步评估了影响BC浓度的因素。在工业化之前，大规模森林火灾或火山活动是BC浓度增加的主要原因。然而，在工业革命之后，烃类燃料（例如煤和石油）直接燃烧产生的微粒排放急剧增加（McConnell等，2007）。特别地，PM不仅通过人为过程（例如，燃料燃烧，车辆排放和化学生产过程）产生，而且还通过二次过程使SO ₂和挥发性有机化合物冷凝（Volkamer等人，2006）。因此，近年来关于气溶胶二次生成的研究一直在积极的进行。总的来说，研究不仅对初级（即直接）生产，而且对大气PM的二次（即间接）生产给予了极大的关注。

作为主要大气气溶胶的典型产品，为弄清区域BC排放的特点，我们测量了2015年9月至2016年4月在韩国忠清省8个月的BC浓度。忠清省位于韩国中部，远离首尔都市区;因此，它受首尔都市圈和其他城市地区的污染物影响较小。此外，我们评估了大气气溶胶中BC浓度相对于PM₁₀和PM_2.5浓度以及风向和风速的变化。利用这些数据，我们确定了影响PM₁₀，PM_2.5和BC动态要气象因素。

实验方法

我们使用多角度吸收光度计（MAAP）测量BC。MAAP采用基于滤波器的技术来测量BC的光吸收，其中大气气溶胶沉积在滤光器基板上，并且向沉积的滤光器射出波长为637nm的激光束。位于激光源同一侧的两个探测器测量沉积在滤光器上的BC反向散射的光。另外，位于激光源的相对侧的检测器测量透过滤光器的光。传统的BC测量仪器仅在激光源的相对侧有检测器并且不测量光的散射，这意味着其仅可以检测透射光。为了检测来自MAAP中的后向散射的信号的结果，可以通过利用散射光的信号校正来自透射光的信号来补偿散射效应（Petzold和Schouml;nlinner，2004）。这种基于滤波器的技术测量BC浓度的技术（例如，aethalometers和MAAP）被称为等效BC（eBC）。因此，下文中的“BC浓度”表示等效的BC浓度。

在研究中，在位于忠清南道天安市的永川面的韩国科技大学（KOREATECH）使用市售仪器，以1分钟为增量测量BC浓度（图1）。（MAAP 5012; Thermo Scientific）。自2015年9月至2016年4月监测持续监测.PM₁₀和PM_2.5浓度获自韩国环境公司运营的韩国航空数据库（http://www.airkorea.or.kr）。PM₁₀和PM_2.5浓度使用beta;射线吸收法用无人自动设备测量，其中PM在过滤器上收集1小时，并且beta;射线通过过滤器上的PM。然后，测量PM沉积1小时之前和之后的吸收或消光的变化并将其转换成质量浓度。beta;射线吸收方法的原理类似于基于滤波器的仪器（例如，转子计）对BC的定量。在本研究中，我们使用了2015年9月至2016年4月在忠清北道清州市Ochang-eup的PM数据（图1）。

季节性平均BC，PM₁₀和PM_2.5浓度是根据2015年秋季（2015年9月至11月），2015年冬季（2016年12月至2月）和2016年春季（2016年3月至4月）的原始数据计算得出。每小时显示的风向和风速从韩国气象局（KMA）数据库（http://www.kma.go.kr）收集。风水和风速在忠清南道天安市石邦洞测量，该位于距离KOREATECH 14公里处（图1）。 2015年9月至2016年4月获得的风向和风速来源图如图2所示。应注意，这些风来源图仅显示风的强度和方向，而不是BC浓度。 2015年秋季，东风与西风同样占主导地位。然而，在2015年冬季，西风占主导地位。 2016年春季，西风比东风更具优势。总体而言，在2015年秋季至2016年春季的测量期间，西风占主导地位。

图1：监测点的位置

结果和讨论

BC，PM₁₀和PM_2.5的浓度

表1列出了2015年9月至2016年4月的每月平均BC，PM₁₀和PM_2.5浓度。2015年秋季，2015年冬季和2016年春季，BC浓度平均值为1.39mu;gm^-3,1.57mu;gm^-3和2.30mu;gm^-3，PM₁₀浓度平均值为36.7mu;gm^-3,48.8mu;gm^-3和66.4mu;gm^-3，平均PM_2.5浓度分别为30.9mu;gm^-3,37.7mu;gm^-3和41.9mu;gm^-3。初步分析时，BC浓度的趋势似乎与PM₁₀和PM_2.5浓度的趋势相似。例如，分别在春季和秋季观察到BC，PM₁₀和PM_2.5的最高和最低平均浓度。如图2所示，西风在春季占主导地位。因此，春季的高浓度可能与西风带来的亚洲尘埃的影响有关。此外，冬季和春季较高浓度的BC，PM₁₀和PM_2.5可能与通过西风引起的周围区域燃烧过程产生的一次空气污染物的运输有关。

图2：风速在三季的上升变化图

表1. BC，PM₁₀和PM_2.5浓度的月平均值（单位：mu;gm^-3）.

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