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环境空气颗粒物中有机碳、元素碳监测 系统校准规范 (征求意见稿) 编制说明 编制组 2023.06 1 环境空气颗粒物中有机碳、元素碳监测系统校准规范 (征求 意见稿) 编制说明 一、任务来源及编制过程 碳质气溶胶主要是由有机碳(OrganicCarbon,OC)、元素碳(Elemental Carbon, EC)和碳酸盐碳 (Carbonate Carbon,CC)组成。由于碳酸盐主要存在于粗颗 粒中,对大气中碳质气溶胶的贡献一般情况下不做考虑。碳质气溶胶是大气颗粒 物的重要组成部分,就全球而言,世界不同地方大气环境中有机碳和元素碳可占 到大气细颗粒物气溶胶总质量的20-60%,其对空气质量、大气能见度、气候变 化和人体健康等具有不利影响。作为大气复合污染的关键物种之一,碳质气溶胶 是当前国际气溶胶研究领域的热点与前沿。 碳质气溶胶具有重要的气候效应,其中元素碳在可见光宽谱范围内具有很强 的光吸收能力,其气候辐射的量级与甲烷相近,是全球气候变化的重要贡献者。 若同时考虑直接与间接辐射效应,元素碳是仅次于二氧化碳 (CO )的增温组分。 2 此外,研究表明部分OC 也能够吸光,并将这部分能够吸光的有机碳称为棕色碳。 目前全球气候模型、气溶胶的辐射强迫估算模型及光学遥感反演模型中大多使用 传统的方法,即将有机物简化为光散射物质,而忽略部分有机碳在可见光范围内 的光吸收能力。在棕色碳存在情况下,以上简化处理会导致气溶胶光吸收模拟值 与观测值偏离,甚至导致气溶胶辐射强迫低估近 20~30%。因此,在全球温室效 应加剧的背景下,对碳质气溶胶中OC、EC 组分的区分及浓度的准确测量能够 降低其辐射强迫评估的不确定性,为国家的气候变化相关政策提供科学依据。 同时,碳质气溶胶是重要的燃烧源示踪物,对我国秋冬季灰霾过程的贡献较 大。“十四五”期间我国气溶胶颗粒物监测将从质量浓度监测向机理成因监测深化, 地面观测数据将更多地应用于源解析等相关模型的输入及验证。根据 《“十四五” 全国细颗粒物与臭氧协同控制监测网络能力建设方案》,2021年起在全国139个 城市布设150个手工监测点位和149个自动监测点位,其中细颗粒物中元素碳及 有机碳为必测项目及后期来源解析输入物种。为保证各站点数据的可比性,更好 地管控污染物来源,在计量领域对于碳质气溶胶的准确测量提出了新的要求和挑 2 战。 气溶胶中有机碳和元素碳的质量浓度通常使用热-光学方法进行测量。热-光 学方法的原理是分步氧化OC及EC 并分别进行碳定量。由于样品中部分有机碳 可能会在加热过程中焦化,使得部分有机碳转变为焦化碳 (Optical Pyrolyzed Carbon,OPC)。由于OPC 与 EC 具有类似的热稳定性和吸光特性,为了扣除OPC 对EC 分析结果的影响,常采用光学补偿的方法来进行校正。光学补偿法通常分 为 热 光 透 射 法 (Thermal-Optical Transmittance, TOT) 和 热 光 反 射 法 (Thermal-OpticalReflectance,TOR)两种。确立最早、最为主流的标准方法为美国 环保总署下属的视觉环境保护协作监测网络项目 (Interagency Monitoring of ProtectedVisualEnvironmentsProgram)推荐的IMPROVE 法和美国环保总署下 属的国家职业安全保健研究所推荐的NIOSH 方法,基于两种方法产生了改进后 的IMPROVE_A 法、NIOSH 5040 法等。IMPROVE法和NIOSH法分别利用TOR 与TOT 方法区分OC、EC,同时其温度节点与停留时间的设置也有所差异。不 同测量方法的差异是国内外碳质气溶胶研究关注的重点。Brown 等基于实验
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