常州市黑碳?xì)馊苣z污染特征分析

葉香 趙亞芳 楊衛(wèi)芬 夏京 何濤 李春玉

摘 要：根據(jù)常州市環(huán)境監(jiān)測中心2013—2015年黑碳?xì)馊苣z每1h平均濃度資料，分析常州市黑碳濃度的變化特征以及氣象條件對黑碳濃度的影響。結(jié)果表明，2013—2015年期間，非降水日和降水日黑碳?xì)馊苣z日變化為雙峰型結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r7—9時和19—22時，谷值出現(xiàn)在12—16時。降水日受雨水沖刷作用，黑碳?xì)馊苣z日變化幅度減小。從年變化看，黑碳?xì)馊苣z年平均濃度呈逐年下降的趨勢，2013年1月和12月黑碳濃度異常高于其他月份，2014年6—9月黑碳濃度也相對較高，2015年環(huán)境空氣質(zhì)量整體改善，黑碳濃度較低。氣象條件對黑碳濃度影響顯著，非降水日，黑碳濃度與溫度和相對濕度呈倒U型關(guān)系，降水日黑碳濃度整體上隨相對濕度的增加而增加。黑碳濃度隨著風(fēng)速增加而減小，當(dāng)常州市區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)時濃度最高。

關(guān)鍵詞：黑碳?xì)馊苣z；時間變化；氣象條件；常州市

中圖分類號 X513 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）22-0120-04

Abstract：The temporal variations of black carbon（BC）mass concentration in Changzhou are analyzed and discussed by using hourly averaged data monitored continuously at Changzhou Environmental Monitoring Center from 2013 to 2015. The results show that there are two obvious peaks during morning 7：00-9：00 and during evening 19：00 -

22：00，and the trough is during 12：00-16：00 in Local Standard Time（LST）in no-precipitation days. Affected by the washing action of precipitation，the range of diurnal variation of BC mass concentration is decreased. The annual variation of BC mass concentration has trended down over the three years. It is abnormal high in January and December 2013，and it is also relatively high from June to September in 2014. The BC mass concentration has close relations with meteorological factors such as temperature，relative humidity and wind.In no-precipitation days，the BC mass concentration has an inverted U relationship with temperature and relative humidity. While the BC mass concentration increases with the increase of relative humidity in precipitation days. It decreases as the wind speed increases and it is highest when the prevailing wind is bias W.

Key words：Black carbon；Temporal variation；Meteorological factors；Changzhou City

1 引言

黑碳（Black Carbon，BC）是大氣氣溶膠的重要成分，主要產(chǎn)生于生物質(zhì)或石油的不完全燃燒，是對光有強(qiáng)烈吸收作用的含碳物質(zhì)[1]。黑碳?xì)馊苣z不僅對氣候變化和環(huán)境空氣質(zhì)量有重要影響，對人體健康也存在較大的危害[2]。有研究表明[3，4]，黑碳?xì)馊苣z通過吸收和反射太陽輻射改變地表和大氣之間的能量平衡，也可以通過動力和水文過程控制云凝結(jié)核的形成，加速云的蒸發(fā)，從而影響區(qū)域大尺度環(huán)流和水循環(huán)，并導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)。此外，由于黑碳的粒徑通常為0.001～1μm，能進(jìn)入人體的下呼吸道和肺泡，并直接與血液接觸，因而對人類健康造成了潛在的危害。Smith等[5]研究發(fā)現(xiàn)，心肺疾病的死亡率與黑碳濃度成正比。Geng等[6]對上海地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，每增加2.7μg/m3黑碳?xì)馊苣z可能分別增加2.3%的總死亡率、3.2%的心肺疾病死亡率、0.6%的呼吸系統(tǒng)死亡率。目前，國內(nèi)外對黑碳?xì)馊苣z已開展了多方面的研究，包括黑碳?xì)馊苣z污染特征分析[7，8]、來源解析[1]、與顆粒物的關(guān)系[9]以及降水的影響[10]等。

常州市位于江蘇省南部、長江下游南岸，屬長江三角洲中心地帶，滬寧線中點(diǎn)。全市土地總面積43.85萬km2，2014年年末常住人口達(dá)469.6萬人。由于經(jīng)濟(jì)、城市建設(shè)和人口的快速發(fā)展，城市環(huán)境空氣質(zhì)量面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，細(xì)顆粒物成為首要污染物。2012年常州市立項(xiàng)啟動了“常州市大氣PM2.5源解析研究”課題，并于2015年年底發(fā)布了《常州市大氣PM2.5源解析階段性研究成果》。研究表明，因機(jī)動車尾氣排放、居民活動和農(nóng)村秸稈燃燒產(chǎn)生的黑碳?xì)馊苣z是細(xì)顆粒物的重要來源[11]。

本文根據(jù)2013—2015年黑碳儀連續(xù)觀測數(shù)據(jù)分析常州市黑碳濃度的時間變化特征，以及黑碳濃度與氣象條件的關(guān)系，為進(jìn)一步認(rèn)識常州市黑碳?xì)馊苣z污染水平和變化特征以及制定針對黑碳?xì)馊苣z的大氣污染控制方案提供必要的決策支持。

2 研究方法

2.1 觀測地點(diǎn)與時間 采樣儀器放置在常州市環(huán)境監(jiān)測中心3樓樓頂（31.45°N，119.57°E），采樣口距離地面高度約15m，觀測點(diǎn)與最近的城市道路水平距離約200m，500m內(nèi)無明顯工業(yè)源，交通源和生活源對其有一定影響。觀測時間為2013年1月1日至2015年12月31日。觀測點(diǎn)如圖1所示。

2.2 觀測設(shè)備與方法 采樣設(shè)備為AE-31型黑碳儀（Aethalometer，Model AE-31，Magee Science CO.USA）。AE-31為連續(xù)在線觀測型儀器，共有7個通道。本文采用AE-31標(biāo)準(zhǔn)通道（波長880nm，紅外1通道）的采樣結(jié)果作為黑碳質(zhì)量濃度的代表值。AE-31工作過程中，采樣頻率設(shè)定為5min，通過剔除儀器故障、斷電及明顯異常的輸出值和儀器標(biāo)記為壞點(diǎn)的值后，得到黑碳質(zhì)量濃度小時平均值。觀測過程其他信息可見文獻(xiàn)[13]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，3年觀測獲得的有效小時數(shù)據(jù)共有21616個，有效率為82.3%?？紤]到降水對黑碳?xì)馊苣z的清除作用顯著，本文對非降水日和降水日分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑碳?xì)馊苣z時間變化特征 圖2為利用2013年1月至2015年12月觀測的小時數(shù)據(jù)，給出了非降水日和降水日溫度、風(fēng)速以及黑碳濃度的日變化曲線。從圖2看出，在非降水日，黑碳濃度日變化幅度在2.4～5.9μg/m3，表現(xiàn)為明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，第1個峰值出現(xiàn)在7—9時，該時間段正是市民出行以及學(xué)生上學(xué)的高峰期，在觀測站點(diǎn)附近有幼兒園和小學(xué)，在該時間段經(jīng)常出現(xiàn)道路擁堵，車輛怠速的現(xiàn)象，使得黑碳濃度達(dá)到峰值。第2個峰值出現(xiàn)在19—22時，該時間段為夜間出行的高峰，隨著夜間氣溫逐漸下降，邊界層高度降低，邊界層內(nèi)風(fēng)速減小，大氣層結(jié)穩(wěn)定，因下班及夜間出行產(chǎn)生的黑碳?xì)馊苣z不易擴(kuò)散，濃度逐漸堆積，因此出現(xiàn)峰值。黑碳濃度的谷值出現(xiàn)在12—16時，該時段太陽輻射增強(qiáng)，溫度和風(fēng)速均達(dá)到峰值，大氣對流旺盛，有利于黑碳?xì)馊苣z的擴(kuò)散。此日變化規(guī)律與國內(nèi)外研究基本一致[14，15]。

在降水日，黑碳濃度的日變化濃度在2.7～3.6μg/m3，日變化幅度減小。雖仍有2個峰值，但濃度明顯降低，且第1個峰值出現(xiàn)的時間向后推遲了1h；12—16時的谷值較非降水日卻有所抬升。降水日的風(fēng)速增大，以及雨水的沖刷作用使高峰期間的黑碳濃度降低，但由于降水日的云量多、太陽輻射弱，大氣穩(wěn)定度多為弱不穩(wěn)定或中性，黑碳?xì)馊苣z的擴(kuò)散條件比晴天弱，因此，波谷處的黑碳濃度略高于非降水日同時段的黑碳濃度。

3.2 黑碳?xì)馊苣z月變化特征 圖3中箱盒圖表示的是2013—2015年黑碳小時濃度的月變化情況，“+”表征的是黑碳濃度異常高值。從圖3可以看出，黑碳濃度在7月和9月較低，1月、10—12月濃度較高。受秸稈燃燒的影響，5月和6月黑碳?xì)馊苣z的濃度相對較高。1月和12月濃度大于15μg/m3的異常高值最多，1月份最高小時濃度達(dá)33.9μg/m3，12月份最高小時濃度達(dá)29.5μg/m3，這些異常高值基本出現(xiàn)在空氣重污染時段。

2013—2015年，黑碳濃度平均值和最大值均表現(xiàn)逐年下降的趨勢（圖4）。從圖4可以看出，在非降水日，2013年黑碳濃度最高，其次為2014年，2015年黑碳?xì)馊苣z的濃度最低。黑碳?xì)馊苣z年差異較大的時段主要集中在2個波峰處。而降水日，2014年黑碳濃度為3年最高，圖3也顯示了2014年6—9月黑碳?xì)馊苣z偏高。除了與收割季節(jié)秸稈燃燒等排放源有關(guān)，還受氣象條件影響。一方面，與往年相比，2014年夏季氣溫偏低、日照時數(shù)偏少，擴(kuò)散條件偏差；另一方面，2014年入梅晚，梅雨量偏少，即降水日的雨水量偏少，不利于黑碳?xì)馊苣z濕沉降。Latha等[10]研究表明，每增加1mm降水量，黑碳濃度將減少3.6μg/m3。當(dāng)未形成降水時，相對濕度的增加可能會加重污染[16]。因此，2014年夏季的黑碳濃度較往年偏高與降水量偏少關(guān)系密切。

3.3 氣象條件的影響 從圖5可以看出，非降水日，黑碳濃度與溫度和相對濕度大體呈倒U型關(guān)系，當(dāng)溫度在5～15℃、相對濕度在50%～70%時，黑碳濃度出現(xiàn)峰值。降水日，黑碳濃度與溫度仍然為倒U型關(guān)系，在5～15℃和22～27℃有2個峰值；隨著相對濕度增加，黑碳濃度呈增加趨勢。當(dāng)溫度為20℃、相對濕度50～70%時，黑碳濃度最高。無論有無降水，黑碳濃度隨著風(fēng)速增大而減小。從圖6看出，風(fēng)向?qū)谔紳舛鹊妮斔陀绊戄^大。當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)時，常州市區(qū)黑碳濃度最高。這與陳渤黎等[16]的研究結(jié)果相近，當(dāng)常州市區(qū)空氣達(dá)重污染時，西北風(fēng)分量顯著增加。

4 結(jié)論

本文利用AE-31型黑碳儀得到了常州市環(huán)境監(jiān)測中心2013—2015年黑碳?xì)馊苣z每1h平均濃度，分析了常州市黑碳濃度的污染特征，以及氣象條件對黑碳濃度的影響，得到以下結(jié)論：

（1）2013—2015年期間，黑碳?xì)馊苣z日變化為雙峰結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)在7—9時和19—22時，谷值出現(xiàn)在12—16時。降水日受雨水沖刷作用，黑碳?xì)馊苣z濃度降低，日變化幅度減小。

（2）從年變化看，黑碳?xì)馊苣z年平均濃度呈逐年下降的趨勢。2013年污染情況最嚴(yán)重，其中1月和12月黑碳濃度異常高于其他月份。2014年6—9月受秸稈燃燒和不利氣象條件的影響，黑碳濃度偏高，2015年常州市環(huán)境空氣質(zhì)量整體改善，黑碳濃度相對較低。

（3）黑碳濃度與氣象條件關(guān)系密切，非降水日，黑碳?xì)馊苣z與溫度和相對濕度呈倒U型關(guān)系；降水日，黑碳濃度整體上隨相對濕度的增加而增加。黑碳濃度隨著風(fēng)速的增加而減小，當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)時，黑碳濃度最高。

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（責(zé)編：張宏民）