常州市黑碳氣溶膠污染特征分析

葉香 趙亞芳 楊衛芬 夏京 何濤 李春玉

摘 要：根據常州市環境監測中心2013—2015年黑碳氣溶膠每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。結果表明，2013—2015年期間，非降水日和降水日黑碳氣溶膠日變化為雙峰型結構，峰值出現在當地時7—9時和19—22時，谷值出現在12—16時。降水日受雨水沖刷作用，黑碳氣溶膠日變化幅度減小。從年變化看，黑碳氣溶膠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年環境空氣質量整體改善，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。黑碳濃度隨著風速增加而減小，當常州市區主導風向為偏西風時濃度最高。

關鍵詞：黑碳氣溶膠；時間變化；氣象條件；常州市

中圖分類號 X513 文獻標識碼 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，主要產生于生物質或石油的不完全燃燒，是對光有強烈吸收作用的含碳物質[1]。黑碳氣溶膠不僅對氣候變化和環境空氣質量有重要影響，對人體健康也存在較大的危害[2]。有研究表明[3，4]，黑碳氣溶膠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核的形成，加速云的蒸發，從而影響區域大尺度環流和水循環，并導致農作物減產。此外，由于黑碳的粒徑通常為0.001～1μm，能進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]研究發現，心肺疾病的死亡率與黑碳濃度成正比。Geng等[6]對上海地區的研究發現，每增加2.7μg/m3黑碳氣溶膠可能分別增加2.3%的總死亡率、3.2%的心肺疾病死亡率、0.6%的呼吸系統死亡率。目前，國內外對黑碳氣溶膠已開展了多方面的研究，包括黑碳氣溶膠污染特征分析[7，8]、來源解析[1]、與顆粒物的關系[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。全市土地總面積43.85萬km2，2014年年末常住人口達469.6萬人。由于經濟、城市建設和人口的快速發展，城市環境空氣質量面臨嚴峻的挑戰，細顆粒物成為首要污染物。2012年常州市立項啟動了“常州市大氣PM2.5源解析研究”課題，并于2015年年底發布了《常州市大氣PM2.5源解析階段性研究成果》。研究表明，因機動車尾氣排放、居民活動和農村秸稈燃燒產生的黑碳氣溶膠是細顆粒物的重要來源[11]。

本文根據2013—2015年黑碳儀連續觀測數據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系，為進一步認識常州市黑碳氣溶膠污染水平和變化特征以及制定針對黑碳氣溶膠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 觀測地點與時間 采樣儀器放置在常州市環境監測中心3樓樓頂（31.45°N，119.57°E），采樣口距離地面高度約15m，觀測點與最近的城市道路水平距離約200m，500m內無明顯工業源，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。觀測點如圖1所示。

2.2 觀測設備與方法 采樣設備為AE-31型黑碳儀（Aethalometer，Model AE-31，Magee Science CO.USA）。AE-31為連續在線觀測型儀器，共有7個通道。本文采用AE-31標準通道（波長880nm，紅外1通道）的采樣結果作為黑碳質量濃度的代表值。AE-31工作過程中，采樣頻率設定為5min，通過剔除儀器故障、斷電及明顯異常的輸出值和儀器標記為壞點的值后，得到黑碳質量濃度小時平均值。觀測過程其他信息可見文獻[13]。經統計，3年觀測獲得的有效小時數據共有21616個，有效率為82.3%?？紤]到降水對黑碳氣溶膠的清除作用顯著，本文對非降水日和降水日分別進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 黑碳氣溶膠時間變化特征 圖2為利用2013年1月至2015年12月觀測的小時數據，給出了非降水日和降水日溫度、風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，表現為明顯的雙峰結構，第1個峰值出現在7—9時，該時間段正是市民出行以及學生上學的高峰期，在觀測站點附近有幼兒園和小學，在該時間段經常出現道路擁堵，車輛怠速的現象，使得黑碳濃度達到峰值。第2個峰值出現在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，邊界層內風速減小，大氣層結穩定，因下班及夜間出行產生的黑碳氣溶膠不易擴散，濃度逐漸堆積，因此出現峰值。黑碳濃度的谷值出現在12—16時，該時段太陽輻射增強，溫度和風速均達到峰值，大氣對流旺盛，有利于黑碳氣溶膠的擴散。此日變化規律與國內外研究基本一致[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，大氣穩定度多為弱不穩定或中性，黑碳氣溶膠的擴散條件比晴天弱，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 黑碳氣溶膠月變化特征 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月黑碳氣溶膠的濃度相對較高。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33.9μg/m3，12月份最高小時濃度達29.5μg/m3，這些異常高值基本出現在空氣重污染時段。

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年黑碳氣溶膠的濃度最低。黑碳氣溶膠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月黑碳氣溶膠偏高。除了與收割季節秸稈燃燒等排放源有關，還受氣象條件影響。一方面，與往年相比，2014年夏季氣溫偏低、日照時數偏少，擴散條件偏差；另一方面，2014年入梅晚，梅雨量偏少，即降水日的雨水量偏少，不利于黑碳氣溶膠濕沉降。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型關系，當溫度在5～15℃、相對濕度在50%～70%時，黑碳濃度出現峰值。降水日，黑碳濃度與溫度仍然為倒U型關系，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，黑碳濃度隨著風速增大而減小。從圖6看出，風向對黑碳濃度的輸送影響較大。當主導風向為偏西風時，常州市區黑碳濃度最高。這與陳渤黎等[16]的研究結果相近，當常州市區空氣達重污染時，西北風分量顯著增加。

4 結論

本文利用AE-31型黑碳儀得到了常州市環境監測中心2013—2015年黑碳氣溶膠每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，得到以下結論：

（1）2013—2015年期間，黑碳氣溶膠日變化為雙峰結構，峰值出現在7—9時和19—22時，谷值出現在12—16時。降水日受雨水沖刷作用，黑碳氣溶膠濃度降低，日變化幅度減小。

（2）從年變化看，黑碳氣溶膠年平均濃度呈逐年下降的趨勢。2013年污染情況最嚴重，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年常州市環境空氣質量整體改善，黑碳濃度相對較低。

（3）黑碳濃度與氣象條件關系密切，非降水日，黑碳氣溶膠與溫度和相對濕度呈倒U型關系；降水日，黑碳濃度整體上隨相對濕度的增加而增加。黑碳濃度隨著風速的增加而減小，當主導風向為偏西風時，黑碳濃度最高。

參考文獻

[1]Kompalli S K，Moorthy K K，Babu S S.Rapid response of atmospheric BC to anthropogenic sources：observational evidence[J].Atmospheric Science Letters，2014，15（3）：166–171.

[2]Highwood E J，Kinnersley R P.When smoke gets in our eyes：The multiple impacts of atmospheric black carbon on climate，air quality and health[J].Environment International，2006，32（32）：560-566.

[3]Conant W C，Athanasios N，Seinfeld J H.Black carbon radiative heating effects on cloud microphysics and implications for the aerosol indirect effect 1.Extended K?hler theory[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，2002，107（D21）：AAC 23-1-AAC 23-9.

[4]Nenes A，Conant W C，Seinfeld J H.Black carbon radiative heating effects on cloud microphysics and implications for the aerosol indirect effect：2.Cloud microphysics[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，2002，107（107）：AAC 24-1–AAC 24-11.

[5]Smith，K R，Jerrett M，Anderson H R，et al.Public health benefits of strategies to reduce greenhouse-gas emissions：health implications of short-lived greenhouse pollutants.The lancet，2010，374（9707）：2091-2103.

[6]Geng F，Jing H，Mu Z，et al.Differentiating the associations of black carbon and fine particle with daily mortality in a Chinese city[J].Environmental Research，2013，120（5S）：27-32.

[7]Sharma R K，Bhattarai B K，Sapkota B K，et al.Black carbon aerosols variation in Kathmandu valley，Nepal[J].Atmospheric Environment，2012，63（15）：282-288.

[8]伍德俠，魏慶農，魏健琍，等.秸稈焚燒期的碳黑氣溶膠觀測及研究[J].環境科學，2008（12）：3304-3309.

[9]Tiwari S，Srivastava A K，Bisht D S，et al.Diurnal and seasonal variations of black carbon and PM2.5，over New Delhi，India：Influence of meteorology[J].Atmospheric Research，2013，125–126（3）：50-62.

[10]Latha K M，Badarinath K V S，Reddy P M.Scavenging efficiency of rainfall on black carbon aerosols over an urban environment[J].Atmospheric Science Letters，2005，6（3）：148–151.

[11]李楊，曹軍驥，張小曳，等.2003年秋季西安大氣中黑碳氣溶膠的演化特征及其來源解析[J].氣候與環境研究，2005，10（2）：229-237.

[12]吳兌，毛節泰，鄧雪嬌，等.珠江三角洲黑碳氣溶膠及其輻射特性的觀測研究[J].中國科學：2009（11）：1542-1553.

[13]楊衛芬，程鐘，沈琰.常州城區秋冬季黑炭氣溶膠的濃度變化特征[J].環境監測管理與技術，2013（5）：11-14.

[14]洪強，賀千山，陳勇航，等.2008—2012年上海黑碳濃度變化特征分析[J].環境科學，2014，35（4）：1215-1222.

[15]Srivastava A K，Singh S，Pant P，et al.Characteristics of black carbon over Delhi and Manora Peak—a comparative study[J].Atmospheric Science Letters，2012，13（3）：223–230.

[16]陳渤黎，吳建秋，吳晶璐，等.2012-2014年常州市空氣質量與氣象要素關系分析[J].氣象與減災研究，2015（3）：68-74.

（責編：張宏民）