南京大氣黑碳氣溶膠來源解析

劉棣文 王晨波 陳誠 花艷 湯莉莉

摘 要：本研究利用黑碳儀在南京開展大氣黑碳氣溶膠（BC）外場觀測，對南京BC進行定量來源解析，結果表明：在2015年不同季節，由化石燃料燃燒和生物質燃燒排放的黑碳在冬季濃度值達到最高，這主要與冬季氣溫較低易形成逆溫層導致污染物很難擴散有關。春秋季節生物質燃燒排放的黑碳濃度亦偏高的主要原因是秸稈露天焚燒和城市綠化廢棄物燃燒。

關鍵詞：黑碳氣溶膠；源解析；南京

黑碳（black carbon，BC）指在大氣當中的黑色含碳顆粒物，是由于煤和石油等的不完全燃燒或火山噴發所形成的無定型碳質[1]。BC具有很強的吸光性，降低大氣能見度降低，影響人類的交通出行；還可以通過云-氣溶膠之間相互作用，造成直接或間接輻射強迫效應，引起溫室效應和全球氣候變化；BC表面孔隙結構有利于各種有害氣體、毒性有機物和大氣中的各種自由基的吸收，并在其表面有可能發生光氧化等二次化學反應。

目前國家環境管控對象多側重于化石燃料燃燒源，比如電廠、煉鋼廠和各類工業活動等。而近年，針對固態燃料燃燒源（包括農作物秸稈焚燒、燃煤和相關的固態燃料燃燒）的管控也逐漸被政府重視起來。在我國，農作廢棄物、工業和民用燃煤燃燒排放對大氣黑碳氣溶膠的貢獻也很大。

南京作為長三角腹地重要城市，大氣復合污染問題日漸突出。本研究運用黑碳儀對2015年南京BC進行連續觀測，解析BC來源，對改善長三角地區大氣環境質量，建立區域大氣污染治理對策有重要意義。

1 儀器與方法

1.1 觀測點和觀測時間

南京觀測點設在鼓樓區鳳凰西街某環保單位的六層觀測臺，該點位15m外是交通密集干道，并且周圍環境以餐飲業、居民區和辦公樓為主，可以代表大都市基本環境特征。

1.2 觀測儀器

美國Magee公司生產的AE-31型黑碳儀，主要由采樣室、進氣管線和抽氣泵及流量控制系統、光源電路系統、光檢測器系統以及控制計算機等部分組成。觀測過程中，黑碳儀的采樣流量為5L？min-1，并連接PM2.5的采樣切割頭，每5min做一次循環觀測。

1.3 數據分析模型

七波段黑碳儀AE-31（λ=370，470，520，590，660，880，950nm）獲得黑碳氣溶膠在不同波段下的質量濃度和光學特性。運用Aethalometer模型定量分析化石燃料燃燒（BCFF）和生物質燃燒（BCBB）排放的BC。

1.4 數據質量控制和質量保證

觀測期間，儀器都要按照操作規章做日常的標定。所有在線觀測數據均進行數據的質量控制，剔除無效數據，保證數據的完整性和有效性。

2 結果與討論

研究表明，城市大氣中化石燃料（fossil fuel，FF）和生物質燃料燃燒（biomass burning，BB）是BC的主要污染來源[7]，其中化石燃料類型包括汽油車、柴油車、工業燃煤、民用燃煤等，生物質燃燒類型包括秸稈、木柴、城市綠化廢棄物等。根據氣象學劃分季節的規則，2015年1月、4月、8月和11月，這四個具有代表性的月份可以分別代表冬、春、夏、秋四個季節。

2.1 南京市BCFF和BCBB濃度季節變化特征

南京市11月空氣質量達到二級標準（AQI<100）的天數最多，1月達標率最低，即冬季污染最為嚴重。觀測期間BC質量濃度與AQI指數趨勢基本一致，尤其是在AQI>150期間，BC日均值高值達到9.91μg/m3。經統計，冬季BCFF平均質量濃度為2.38 μg/m3，BCBB平均質量濃度為1.23 μg/m3；春季BCFF平均質量濃度為1.47 μg/m3，BCBB平均質量濃度為0.68 μg/m3；夏季BCFF平均質量濃度為1.29 μg/m3，BCBB平均質量濃度為0.39 μg/m3；秋季BCFF平均質量濃度為2.21 μg/m3，BCBB平均質量濃度為0.42 μg/m3。BCFF平均質量濃度四季變化趨勢為：冬季>秋季>春季>夏季；BCBB平均質量濃度四季變化趨勢為：冬季>春季>秋季>夏季。對于BCFF而言，秋冬季的污染較為嚴重，這是因為秋冬季氣溫較低，機動車燃料燃燒效率下降，污染物排放增加，且秋冬季風速較低，導致工業燃煤和交通源排放的污染物擴散條件差；相反夏季BC濃度最低則是因為氣溫升高，太陽輻射增強，且風速較大，污染物易于擴散。

對于BCBB，生物質燃燒類型主要包括秸稈露天焚燒、城市綠化廢棄物焚燒的人為排放行為，也包括生物質自然腐敗這類自然源。根據高分辨率MODIS產品發布的全球火點數據顯示，4月和11月南京地區沒有發現秸稈焚燒火點。從BCBB的季節特征中看出，BCBB濃度均值的高值出現在冬季，其次是春季，并不在典型的農作物收獲時期（11月），這可能因為觀測期間南京市區秸稈焚燒并不是生物質燃燒排放BC的主要排放類型，同時受城市綠化廢棄物燃燒的影響更大，加之冬季污染物不易擴散。這也從另一方面說明2015年江蘇省秸稈禁燒工作效果顯著。

2.2 南京市BCFF和BCBB濃度晝夜變化特征

如圖1所示，南京市2015年四季BC（BCFF和BCBB）的晝夜變化趨勢總體呈雙峰結構，各季節日變化趨勢基本相似，并且晝夜變化濃度值大小均是冬季最大、夏季最小，主要受污染源強和氣象因素的共同作用。BCFF晝夜變化第一個峰值出現在7：00～9：00及19：00～21：00，處于上班早高峰期，交通流量大，機動車尾氣排放加劇；第二個峰值出現在19：00之后，處于下班高峰期，且觀測點附近餐飲業發達，此段時間也正好處于用餐高峰期；低值主要出現在中午12：00～14：00，是因為中午氣溫較高，邊界層抬升，污染物易于擴散。BCBB晝夜變化特征并不如BCFF明顯，正如前文所述，BCBB濃度變化趨勢主要與生物質燃燒的特殊性（自然源的特點）有關，不如BCFF受人類活動作息時間影響大。

3 結論

（1）對南京市2015年四季的BC來源（BCFF、BCBB）進行定量來源解析，BCFF和BCBB濃度冬季最高；BCBB濃度水平在冬季呈現最高的原因可能有兩點，一是冬季易出現逆溫層污染物不易擴散；二是受城市綠化廢棄物燃燒和生物質自然腐敗的影響。

（2）2015年四季BCFF和BCBB的晝夜變化特征總體呈雙峰結構，各季節日變化趨勢基本相似。BCBB濃度變化趨勢較為平緩，主要與生物質源的特殊性（自然源的特點）有關，不如BCFF受人類活動作息時間影響大。

參考文獻：

[1] 章秋英， 牛生杰， 沈建國， 等. 半干旱區冬春季黑碳氣溶膠吸收特性的觀測研究[J]. 中國沙漠， 2009， 29（1）： 184-187