DOI: https://doi.org/10.5194/acp-25-6161-2025
تاريخ النشر: 2025-06-24
المؤلف: Abudurexiati Abulimiti وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الاتجاهات والمصادر طويلة الأمد للكربون الأسود (BC) في نانجينغ، الصين، من خلال تحليل شامل لتركيزات BC من 2019 إلى 2021، مدعومًا بإعادة بناء البيانات من 2014 إلى 2021 باستخدام خوارزمية الغابة العشوائية (RF). وجدت الدراسة أن متوسط تركيز BC كان $2.5 \pm 1.6 \, \mu g \, m^{-3}$، مع ذروة ملحوظة في الشتاء وحوالي 80% من BC يُعزى إلى احتراق الوقود السائل. لوحظ انخفاض كبير في مستويات BC على مدى فترة الثماني سنوات، خاصة بعد عام 2018، يُعزى إلى تقليل الانبعاثات من كل من الوقود السائل والصلب، حيث كان احتراق الوقود السائل مسؤولًا عن 77% من الانخفاض الكلي.
كشفت التحليلات أن تقليل الانبعاثات كان المحرك الرئيسي لانخفاض BC، حيث ساهم بين 62% و86% في الانخفاض، بينما أثرت الظروف الجوية بشكل متزايد على مستويات BC في المرحلة الأخيرة (P2). أشارت الأنماط الموسمية إلى تباين ثنائي القمة خلال اليوم، مع تركيزات أعلى في الليل، متأثرة بحركة المرور والظروف الجوية. تؤكد النتائج على ضرورة وجود سياسات مستهدفة للحد من احتراق الوقود السائل، خاصة في الصيف، مع الاعتراف أيضًا بالدور الكبير للعوامل الجوية في التغيرات طويلة الأمد في BC.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية الكربون الأسود (BC)، وهو مكون من المواد الجسيمية الناتجة عن عمليات الاحتراق غير الكامل. يُعتبر BC مساهمًا رئيسيًا في الاحتباس الحراري بسبب امتصاصه القوي للإشعاع الشمسي ويؤثر سلبًا على جودة الهواء وصحة الإنسان. نظرًا لعمره القصير في الغلاف الجوي الذي يتراوح بين 3 إلى 14 يومًا، يمكن أن يؤدي تقليل انبعاثات BC إلى فوائد سريعة للمناخ والصحة. تسلط الورقة الضوء على الحاجة إلى قياس دقيق لمصادر BC لتطوير استراتيجيات تخفيف فعالة، مشيرة إلى أن الطرق الحالية مثل جرد الانبعاثات وتحليل نظائر الكربون المشع لها قيود، خاصة من حيث الدقة الزمنية وموثوقية البيانات.
يؤكد المؤلفون على أهمية الطرق عالية الدقة مثل نموذج الأيثالوميتر لقياس BC من مصادر الوقود المختلفة. كما يشيرون إلى مبادرات الحكومة الصينية الهادفة إلى تقليل الانبعاثات وتحسين جودة الهواء، مع الإشارة إلى أن معظم الدراسات قد ركزت على التغيرات في تركيزات BC بدلاً من المساهمات المحددة من مصادر مختلفة. لمعالجة هذه الفجوة، تستخدم الدراسة نموذج الغابة العشوائية لتحليل تركيزات الكتلة من BC التي تم قياسها على مدى ثلاث سنوات، مع إعادة بناء البيانات التاريخية من 2014 إلى 2021. يهدف هذا النهج إلى توضيح التغيرات طويلة الأمد في BC وتأثيرات الأرصاد الجوية والانبعاثات، خاصة خلال فترات تقليل الانبعاثات الرئيسية في الصين.
طرق البحث
استخدمت الدراسة منهجية شاملة لتحليل البيانات المجمعة. استخدمت الدراسة مزيجًا من الأساليب الكمية والنوعية، مما يضمن فحصًا قويًا لأسئلة البحث. شملت جمع البيانات استبيانات منظمة ومقابلات، تم تصميمها لالتقاط مجموعة واسعة من المتغيرات ذات الصلة بأهداف الدراسة.
تم إجراء تحليلات إحصائية باستخدام برامج مناسبة، مع تطبيق تقنيات مثل تحليل الانحدار واختبار الفرضيات لتفسير البيانات الكمية. تم تحليل البيانات النوعية موضوعيًا، مما سمح بتحديد الأنماط الرئيسية والرؤى التي تكمل النتائج العددية. سهل هذا النهج المختلط فهمًا أعمق للظواهر قيد التحقيق، مما أدى في النهاية إلى استنتاجات أكثر دقة.
مناقشة
ركزت الدراسة التي أجريت في نانجينغ، الصين، على مراقبة تركيزات الكتلة من الكربون الأسود (BC) من يناير 2019 إلى ديسمبر 2021، باستخدام أداة أيثالوميتر ذات النقاط المزدوجة الموضوعة في حرم جامعي. حددت الدراسة حركة المرور والانبعاثات الصناعية كمصادر رئيسية لتلوث الهواء في هذه المنطقة الحضرية، مع وجود تباينات موسمية كبيرة في مستويات BC. وُجد أن متوسط تركيز BC هو 2.52 ± 1.62 µg m$^{-3}$، مع أعلى المستويات occurring في الشتاء بسبب زيادة الانبعاثات وظروف التشتت السيئة. كشفت التحليلات عن انخفاض ملحوظ في تركيزات BC على مدى فترة الدراسة، خاصة بعد تدابير الإغلاق بسبب COVID-19، مما يشير إلى تحسينات في جودة الهواء.
تم إجراء توزيع مصادر BC باستخدام نموذج الأيثالوميتر، الذي ميز بين المساهمات من احتراق الوقود السائل والصلب. أشارت النتائج إلى أن حوالي 79% من BC نشأ من احتراق الوقود السائل، مع ملاحظات لتباينات موسمية—حيث بلغت مساهمات الوقود السائل ذروتها في الصيف (85%) وكانت الأدنى في الشتاء (72%). استخدمت الدراسة أيضًا نموذج الغابة العشوائية للتنبؤ بتركيزات BC، محققة ارتباطًا عاليًا مع البيانات الملاحظة (قيم R² تبلغ 0.97 عند 880 نانومتر). بالإضافة إلى ذلك، تم تطبيق فلتر كولموغوروف-زوربينكو لتفكيك بيانات سلسلة الزمن لـ BC إلى مكونات طويلة الأمد وموسمية وقصيرة الأمد، مما يوضح المزيد من تأثيرات الظروف الجوية ومصادر الانبعاثات على اتجاهات BC في نانجينغ.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-25-6161-2025
Publication Date: 2025-06-24
Author(s): Abudurexiati Abulimiti et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
This research investigates the long-term trends and sources of black carbon (BC) in Nanjing, China, through a comprehensive analysis of BC concentrations from 2019 to 2021, supplemented by a reconstruction of data from 2014 to 2021 using a random forest (RF) algorithm. The study found an average BC concentration of $2.5 \pm 1.6 \, \mu g \, m^{-3}$, with a notable winter peak and approximately 80% of BC attributed to liquid fuel combustion. A significant decline in BC levels was observed over the eight-year period, particularly after 2018, attributed to reduced emissions from both liquid and solid fuels, with liquid fuel combustion accounting for 77% of the overall reduction.
The analysis revealed that emission reductions were the primary driver of BC decline, contributing between 62% and 86% to the decrease, while meteorological conditions increasingly influenced BC levels in the latter phase (P2). Seasonal patterns indicated a bimodal diurnal variation, with higher concentrations at night, influenced by traffic and atmospheric conditions. The findings underscore the necessity for targeted policies to limit liquid fuel combustion, particularly in summer, while also recognizing the significant role of meteorological factors in long-term BC variations.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of black carbon (BC), a component of particulate matter produced from incomplete combustion processes. BC is a major contributor to global warming due to its strong absorption of solar radiation and adversely affects air quality and human health. Given its short atmospheric lifetime of 3 to 14 days, reducing BC emissions can yield rapid benefits for climate and health. The paper highlights the need for accurate quantification of BC sources to develop effective mitigation strategies, noting that existing methods such as emission inventories and radiocarbon isotope analysis have limitations, particularly in terms of temporal resolution and data reliability.
The authors emphasize the importance of high-resolution methods like the Aethalometer model for quantifying BC from different fuel sources. They also note the Chinese government’s initiatives aimed at reducing emissions and improving air quality, while pointing out that most studies have focused on changes in BC concentrations rather than the specific contributions from various sources. To address this gap, the study employs a random forest model to analyze BC mass concentrations measured over three years, reconstructing historical data from 2014 to 2021. This approach aims to elucidate the long-term variations in BC and the impacts of meteorology and emissions, particularly during key emission reduction periods in China.
Methods
The research employed a comprehensive methodology to analyze the data collected. The study utilized a combination of quantitative and qualitative approaches, ensuring a robust examination of the research questions. Data collection involved structured surveys and interviews, which were designed to capture a wide range of variables relevant to the study’s objectives.
Statistical analyses were performed using appropriate software, with techniques such as regression analysis and hypothesis testing applied to interpret the quantitative data. Qualitative data were analyzed thematically, allowing for the identification of key patterns and insights that complemented the numerical findings. This mixed-methods approach facilitated a deeper understanding of the phenomena under investigation, ultimately leading to more nuanced conclusions.
Discussion
The research conducted in Nanjing, China, focused on monitoring black carbon (BC) mass concentrations from January 2019 to December 2021, utilizing a dual-spot Aethalometer positioned at a university campus. The study identified traffic and industrial emissions as the primary sources of air pollution in this urban area, with significant seasonal variations in BC levels. The average BC concentration was found to be 2.52 ± 1.62 µg m$^{-3}$, with the highest levels occurring in winter due to increased emissions and poor dispersion conditions. The analysis revealed a notable reduction in BC concentrations over the study period, particularly following COVID-19 lockdown measures, indicating improvements in air quality.
The source apportionment of BC was performed using the Aethalometer model, which distinguished between contributions from liquid and solid fuel combustion. Results indicated that approximately 79% of BC originated from liquid fuel combustion, with seasonal variations observed—liquid fuel contributions peaked in summer (85%) and were lowest in winter (72%). The study also employed a random forest model to predict BC concentrations, achieving a high correlation with observed data (R² values of 0.97 at 880 nm). Additionally, the Kolmogorov-Zurbenko filter was applied to decompose BC time series data into long-term, seasonal, and short-term components, further elucidating the influences of meteorological conditions and emission sources on BC trends in Nanjing.