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

S. S. Vlasenko; Власенко С. С.; O. A. Ivanova; Иванова О. А.; T. I. Ryshkevich; Рышкевич Т. И.; E. F. Mikhailov; Михайлов Е. Ф.

doi:10.31857/S0002351523060123

Оценка пространственного распределения потенциальных источников углеродсодержащего аэрозоля по данным локальных измерений вблизи Санкт-Петербурга

Авторы: Власенко С.С.¹, Иванова О.А.¹, Рышкевич Т.И.¹, Михайлов Е.Ф.¹
Учреждения:
1. Санкт-Петербургский государственный университет
Выпуск: Том 59, № 6 (2023)
Страницы: 774-785
Раздел: Статьи
URL: https://ogarev-online.ru/0002-3515/article/view/162278
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002351523060123
EDN: https://elibrary.ru/TFEWGK
ID: 162278

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Представлены результаты траекторного анализа данных девятилетних измерений (2013–2021 гг.) концентрации органического (OC) и элементарного (EC) аэрозольного углерода, выполненных на станции атмосферного мониторинга вблизи Санкт-Петербурга (Петергоф, 59.88° с.ш., 29.83° в.д.). Пространственное расположение источников углеродосодержащих частиц аэрозоля оценивалось методом концентрационно-взвешенных траекторий (CWT – concentration weighted trajectory) в географической области 16°–44° в.д. × 48°–68° с.ш. Полученные данные позволяют выделить территории с наиболее сильными эмиссиями органического и элементарного углерода и оценить сезонную изменчивость этих эмиссий. В частности, полученные оценки показывают, что наиболее интенсивные источники органического и элементарного аэрозольного углерода в исследуемом регионе расположены в междуречье Волги и Оки и на прилегающих территориях. Продемонстрировано, что коэффициенты линейной регрессии между значениями CWT функций органического и элементарного углерода различаются для разных регионов и сезонов и указывают на преобладающий тип источников углеродсодержащих аэрозольных частиц.

Ключевые слова

состав атмосферы, углеродсодержащий аэрозоль, траекторные методы, элементарный углерод, органический углерод

Список литературы

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.
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.
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.
Попова С.А., Макаров В.И. Определение концентраций вторичного органического углерода в аэрозолях континентальной территории // Гео-Сибирь. 2009. Т. 4. № 2. С. 57–60.
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.
Andreae M.O., Merlet P. Emission of trace gases and aerosols from biomass burning // Global Biogeochem. Cycles. 2001. V. 15. P. 955–966.
Andreae M. O. Aerosols before pollution // Science. 2007. V. 315. P. 50–51.
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.
Birch M. E. Analysis of carbonaceous aerosols: interlaboratory comparison // Analyst. 1998. V. 123. № 5. P. 851–857.
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.
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
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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
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.
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
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.
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.
Hopke P.K. Recent developments in receptor modeling // J. Chemometrics. 2003. V. 17. P. 255–265.
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
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.
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
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
Levin Z., Cotton W.R. Aerosol pollution impact on precipitation. A scientificrReview. Dortrecht: Springer Science, 2009. 386 p.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.