Estimation of Spatial Distribution of Potential Sources of Carbonaceous Aerosol from Local Measurements Near St. Petersburg

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of back-trajectory analysis of nine-year (2013–2021) measurements of organic (OC) and elemental (EC) aerosol carbon concentrations made at the atmospheric monitoring station near St. Petersburg (Peterhof, 59.88° N, 29.83° E) are presented. The spatial location of sources was estimated by the concentration weighted trajectory method (CWT) in the geographic area 16°–44° E × 48°–68° N. The obtained data allow us to identify the territories with the strongest organic and elemental carbon emissions and to estimate the seasonal variability of these emissions. In particular, the obtained estimates show that the most intense sources of organic and elemental aerosol carbon in the studied region are located in the Volga-Oka interfluve and on the adjacent territories. It is demonstrated that linear regression coefficients between CWT function values for organic and elemental carbon differ for different regions and seasons and may indicate the prevailing type of sources of carbon-containing aerosol particles.

About the authors

S. S. Vlasenko

St. Petersburg State University

Author for correspondence.
Email: s.vlasenko@spbu.ru
Russia, 199034, Saint-Petersburg, Universitetskaya Naberezhnaya, 7–9

O. A. Ivanova

St. Petersburg State University

Email: s.vlasenko@spbu.ru
Russia, 199034, Saint-Petersburg, Universitetskaya Naberezhnaya, 7–9

T. I. Ryshkevich

St. Petersburg State University

Email: s.vlasenko@spbu.ru
Russia, 199034, Saint-Petersburg, Universitetskaya Naberezhnaya, 7–9

E. F. Mikhailov

St. Petersburg State University

Email: s.vlasenko@spbu.ru
Russia, 199034, Saint-Petersburg, Universitetskaya Naberezhnaya, 7–9

References

  1. Власенко С.С., Волкова К.А., Ионов Д.В., Рышкевич Т.И., Иванова О.А., Михайлов Е.Ф. Изменчивость углеродсодержащей фракции атмосферного аэрозоля вблизи Санкт-Петербурга // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 6. С. 147–156.
  2. Волкова К.А., Аникин С.С., Михайлов Е.Ф., Ионов Д.В., Власенко С.С., Рышкевич Т.И. Сезонная и суточная изменчивость концентраций аэрозольных частиц вблизи Санкт-Петербурга // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 5. С. 407–414.
  3. Михайлов Е.Ф., Миронова С.Ю., Макарова М.В., Власенко С.С., Рышкевич Т.И., Панов А.В., Андреае М.О. Исследование сезонной изменчивости углеродсодержащей фракции атмосферного аэрозоля Центральной Сибири // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51. № 4. С. 484–492.
  4. Попова С.А., Макаров В.И. Определение концентраций вторичного органического углерода в аэрозолях континентальной территории // Гео-Сибирь. 2009. Т. 4. № 2. С. 57–60.
  5. Сафатов А.С., Буряк Г.А., Олькин С.Е., Резникова И.К., Макаров В.И., Попова С.А. Анализ данных мониторинга органического/неорганического углерода и суммарного белка в аэрозоле приземного слоя атмосферы юга Западной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 12. С. 1054–1058.
  6. Andreae M.O., Merlet P. Emission of trace gases and aerosols from biomass burning // Global Biogeochem. Cycles. 2001. V. 15. P. 955–966.
  7. Andreae M. O. Aerosols before pollution // Science. 2007. V. 315. P. 50–51.
  8. Andreae M.O., Rosenfeld D. Aerosol–cloud–precipitation interactions. Part 1. The nature and sources of cloud-active aerosols // Earth-Science Reviews. 2008. V. 89. P.13–41.
  9. Birch M. E. Analysis of carbonaceous aerosols: interlaboratory comparison // Analyst. 1998. V. 123. № 5. P. 851–857.
  10. Birch M.E., Cary R.A. Elemental carbon-based method for monitoring occupational exposures to particulate diesel exhaust // Aeros. Sci. Technol. 1996. V. 25. № 3. P. 221–241.
  11. Bond T.C., Streets D.G., Yaber K.F., Nelson S.M., Woo J., Klimont Z. A technology-based global inventory of black and organic carbon emissions from combustion // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. D14203. https://doi.org/10.1029/2003JD003697
  12. Byčenkienė S., Dudoitis V., Ulevicius V. The use of trajectory cluster analysis to evaluate the long-range transport of black carbon aerosol in the south-eastern Baltic region // Advances in Meteorology. 2014. Article ID 137694. https://doi.org/10.1155/2014/137694
  13. Cao J.J., Zhu C.S., Tie X.X., Geng F.H., Xu H.M., Ho S.S., Wang G.H., Han Y.M., Ho K.F. Characteristics and sources of carbonaceous aerosols from Shanghai, China // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. № 2. P. 803–817.
  14. Carslaw K.S., Lee L.A., Reddington C.L., Pringle K.J., Rap A., Forster P.M., Mann G.W., Spracklen D.V., Woodhouse M.T., Regayre L.A., Pierce J.R. Large contribution of natural aerosols to uncertainty in indirect forcing // Nature. 2013. V. 503. № 7. P. 67–71.
  15. Cassol H.L.G., Domingues L.G., Sanchez A.H., Basso L.S., Marani L., Tejada G., Alden C.B., Miller J.B., Gloor M., Anderson L.O., Aragão L.E., Gatti L.V. Determination of region of influence obtained by aircraft vertical profiles using the density of trajectories from the HYSPLIT model // Atmosphere. 2020. V. 11. № 10. P. 1073.
  16. Chi X., Winderlich J., Mayer J.C., Panov A.V., Heimann M., Birmili W., Heintzenberg J., Cheng Y., Andreae M.O. Long-term measurements of aerosol and carbon monoxide at the ZOTTO tall tower to characterize polluted and pristine air in the Siberian taiga // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 12271–12298.
  17. Chung S.H., Seinfeld J.H. Climate response of direct radiative forcing of anthropogenic black carbon // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. D11102. https://doi.org/10.1029/2004JD005441
  18. Draxler R.R., Hess G.D. An overview of the HYSPLIT_4 modeling system for trajectories, dispersion, and deposition // Australian Meteorological Magazine. 1998. V.47. № 4. P. 295–308.
  19. Dusek U., Hitzenberger R., Kasper-Giebl A., Kistler M., Meijer H.A.J., Szidat S., Wacker L., Holzinger R., Röckmann T. Sources and formation mechanisms of carbonaceous aerosol at a regional background site in the Netherlands: insights from a year-long radiocarbon study // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. P. 3233–3251.
  20. Forster P., Ramaswamy V., Artaxo P., Berntsen T., Betts R., Fahey D.W., Haywood J., Lean J., Lowe D.C., Myhre G., Nganga J., Prinn R., Raga G., Schulz M. Van Dorland R. Changes in atmospheric constituents and in radiative forcing. In: Climate Change 2007: The physical science basis. contribution of working group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change [Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K.B., Tignor M. and Miller H.L. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
  21. Giemsa E., Jacobeit J., Ries L., Hachinger S. Investigating regional source and sink patterns of Alpine CO2 and CH4 concentrations based on a back trajectory receptor model // Environ. Sci. Eur. 2019. V. 31. https://doi.org/10.1186/s12302-019-0233-x
  22. Grivas G., Cheristandis S., Chaloulakou A. Elemental and organic carbon in the urban environment of Athens. Seasonal and diurnal variations and estimates of secondary organic carbon // Sci. Total. Environ. 2012. V. 414. № 1. P. 535–545.
  23. Gulev S.K., Thorne P.W., Ahn J., Dentener F.J, Domingues C.M., Gerland S., Gong D., Kaufman D.S., Nnamchi H.C., Quaas J., Rivera J.A., Sathyendranath S., Smith S.L., Trewin B., Schuckmann K., Vose R.S. Changing State of the Climate System. In Climate Change 21: The physical science basis. contribution of working group I to the sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change [Masson-Delmotte V., Zhai P., Pirani A., Connors S.L., Péan C., Berger S., Caud N., Chen Y., Goldfarb L., Gomis M.I., Huang M., Leitzell K., Lonnoy E., Matthews J.B.R., Maycock T.K., Waterfield T., Yelekçi O., Yu R., and Zhou B. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2021. P. 287–422. https://doi.org/10.1017/9781009157896.004
  24. Hao T., Cai Z., Chen S., Han S., Yao Q., Fan W. Transport pathways and potential source regions of PM2.5 on the west coast of Bohai Bay during 2009–2018 // Atmosphere. 2019, V. 10. P. 345.
  25. Ho K.F., Lee S.C., Cao J.J. Li Y.S, Chow J.C., Watson J.G., Fung K. Variability of organic and elemental carbon, water soluble organic carbon, and isotopes in Hong Kong // Atmos. Chem. Phys. 2006. V. 6. P. 4569–4576.
  26. Hopke P.K. Recent developments in receptor modeling // J. Chemometrics. 2003. V. 17. P. 255–265.
  27. Ito A., Penner J.E. Historical emissions of carbonaceous aerosols from biomass and fossil fuel burning for the period 1870–2000 // Global Biogeochem. Cycles. 2005. V. 19. № 2. GB2028. https://doi.org/10.1029/2004GB002374
  28. Kanakidou M., Seinfeld J.H., Pandis S.N., Barnes I., Dentener F.J., Facchini M.C., Van Dingenen R., Ervens B., Nenes A., Nielsen C.J., Swietlicki E., Putaud J.P., Balkanski Y., Fuzzi S., Horth J., Moortgat G.K., Winterhalter R., Myhre C.E.L., Tsigaridis K., Vignati E., Stephanou E.G., Wilson J. Organic aerosol and global climate modelling: A review // Atmos. Chem. Phys. 2005. V. 5. P. 1053–1123.
  29. Kim E., Hopke P.K. Improving source identification of fine particles in a rural northeastern U.S. area utilizing temperature-resolved carbon fractions // J. Geoph. Res. 2004. V. 109. D09204, https://doi.org/10.1029/2003JD004199
  30. Kondo Y., Komazaki Y., Miyazaki Y., Moteki N., Takegawa N., Kodama D., Deguchi S., Nogami M., Fukuda M., Miyakawa T., Morino Y., Koike M., Sakurai H., Ehara K. Temporal variations of elemental carbon in Tokyo // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. D12205. https://doi.org/10.1029/2005JD006257
  31. Levin Z., Cotton W.R. Aerosol pollution impact on precipitation. A scientificrReview. Dortrecht: Springer Science, 2009. 386 p.
  32. Mikhailov E.F., Mironova S., Mironov G., Vlasenko S., Panov A., Chi X., Walter D., Carbone S., Artaxo P., Heimann M., Lavric J., Pöschl U., Andreae M.O. Long-term measurements (2010–2014) of carbonaceous aerosol and carbon monoxide at the Zotino Tall Tower Observatory (ZOTTO) in central Siberia // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. P. 14365–14392.
  33. Pekney N.J., Davidson C.I., Zhou L., Hopke P.K. Application of PSCF and CPF to PMF-modeled sources of PM2.5 in Pittsburgh // Aerosol Science and Technology. 2006. V. 40. P. 952–961.
  34. Ruckstuhl A.F., Henne S., Reimann S., Steinbacher M., Vollmer M.K., O’Doherty S., Buchmann B. Hueglin C. Robust extraction of baseline signal of atmospheric trace species using local regression // Atmos. Meas. Tech. 2012. V. 5. № 11. P. 2613–2624.
  35. Ruckstuhl A.F., Jacobson M.P., Field R.W., Dodd J.A. Baseline subtraction using robust local regression estimation // J. Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 2001. V. 68. P. 179–193.
  36. Singh A., Rajput P., Sharma D., Sarin M.M., Singh D. Black carbon and elemental carbon from postharvest agricultural-waste burning emissions in the Indo-Gangetic plain // Advances in Meteorology. 2014. V. 2014. Article ID 179301.
  37. Stein A.F., Draxler R.R, Rolph G.D., Stunder B.J.B., Cohen M.D., Ngan F. NOAA’s HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2015. V. 96. P. 2059–2077.
  38. Wang Yu, Anan Yu, Le Yang L., Fang C. Research on organic carbon and elemental carbon distribution characteristics and their influence on fine particulate matter (PM2.5) in Changchun city // Environments. 2019. V. 6. № 2. P. 2–9.
  39. Wang Yu., Wang X., Kondo Y., Kajino M., Munger J.W., Hao J.M. Black carbon and its correlation with trace gases at a rural site in Beijing: Top-down constraints from ambient measurements on bottom-up emissions // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. D24304.
  40. Yan R., Yu S., Zhang Q., Li P., Wang S., Chen B., Liu W. A heavy haze episode in Beijing in February of 2014: Characteristics, origins and implications // Atmospheric Pollution Research. 2015. V. 6. P. 867–876.
  41. Zachary M., Yin L., Zacharia M. Application of PSCF and CWT to identify potential sources of aerosol optical depth in ICIPE Mbita // Open Access Library J. 2018. V. 5. № 4. P. 1–12. https://doi.org/10.4236/oalib.1104487
  42. Zhang F., Zhou L.X., Novell, P.C., Worthy D.E.J., Zellweger C., Klausen J., Ernst M., Steinbacher M., Cai Y.X., Xu L., Fang S.X., Yao, B. Evaluation of in situ measurements of atmospheric carbon monoxide at Mount Waliguan, China // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 5195–5206.
  43. Zhou L., Hopke P.K., W. Liu. Comparison of two trajectory based models for locating particle sources for two rural New York sites // Atmospheric Environment. 2004. V. 38. P. 1955–1963.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (417KB)
3.

Download (3MB)
4.

Download (735KB)
5.

Download (827KB)


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».