常州市黑碳气溶胶污染特征分析

叶香 赵亚芳 杨卫芬 夏京 何涛 李春玉

摘 要：根据常州市环境监测中心2013—2015年黑碳气溶胶每1h平均浓度资料，分析常州市黑碳浓度的变化特征以及气象条件对黑碳浓度的影响。结果表明，2013—2015年期间，非降水日和降水日黑碳气溶胶日变化为双峰型结构，峰值出现在当地时7—9时和19—22时，谷值出现在12—16时。降水日受雨水冲刷作用，黑碳气溶胶日变化幅度减小。从年变化看，黑碳气溶胶年平均浓度呈逐年下降的趋势，2013年1月和12月黑碳浓度异常高于其他月份，2014年6—9月黑碳浓度也相对较高，2015年环境空气质量整体改善，黑碳浓度较低。气象条件对黑碳浓度影响显著，非降水日，黑碳浓度与温度和相对湿度呈倒U型关系，降水日黑碳浓度整体上随相对湿度的增加而增加。黑碳浓度随着风速增加而减小，当常州市区主导风向为偏西风时浓度最高。

关键词：黑碳气溶胶；时间变化；气象条件；常州市

中图分类号 X513 文献标识码 A 文章编号 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）是大氣气溶胶的重要成分，主要产生于生物质或石油的不完全燃烧，是对光有强烈吸收作用的含碳物质[1]。黑碳气溶胶不仅对气候变化和环境空气质量有重要影响，对人体健康也存在较大的危害[2]。有研究表明[3，4]，黑碳气溶胶通过吸收和反射太阳辐射改变地表和大气之间的能量平衡，也可以通过动力和水文过程控制云凝结核的形成，加速云的蒸发，从而影响区域大尺度环流和水循环，并导致农作物减产。此外，由于黑碳的粒径通常为0.001～1μm，能进入人体的下呼吸道和肺泡，并直接与血液接触，因而对人类健康造成了潜在的危害。Smith等[5]研究发现，心肺疾病的死亡率与黑碳浓度成正比。Geng等[6]对上海地区的研究发现，每增加2.7μg/m3黑碳气溶胶可能分别增加2.3%的总死亡率、3.2%的心肺疾病死亡率、0.6%的呼吸系统死亡率。目前，国内外对黑碳气溶胶已开展了多方面的研究，包括黑碳气溶胶污染特征分析[7，8]、来源解析[1]、与颗粒物的关系[9]以及降水的影响[10]等。

常州市位于江苏省南部、长江下游南岸，属长江三角洲中心地带，沪宁线中点。全市土地总面积43.85万km2，2014年年末常住人口达469.6万人。由于经济、城市建设和人口的快速发展，城市环境空气质量面临严峻的挑战，细颗粒物成为首要污染物。2012年常州市立项启动了“常州市大气PM2.5源解析研究”课题，并于2015年年底发布了《常州市大气PM2.5源解析阶段性研究成果》。研究表明，因机动车尾气排放、居民活动和农村秸秆燃烧产生的黑碳气溶胶是细颗粒物的重要来源[11]。

本文根据2013—2015年黑碳仪连续观测数据分析常州市黑碳浓度的时间变化特征，以及黑碳浓度与气象条件的关系，为进一步认识常州市黑碳气溶胶污染水平和变化特征以及制定针对黑碳气溶胶的大气污染控制方案提供必要的决策支持。

2 研究方法

2.1 观测地点与时间 采样仪器放置在常州市环境监测中心3楼楼顶（31.45°N，119.57°E），采样口距离地面高度约15m，观测点与最近的城市道路水平距离约200m，500m内无明显工业源，交通源和生活源对其有一定影响。观测时间为2013年1月1日至2015年12月31日。观测点如图1所示。

2.2 观测设备与方法 采样设备为AE-31型黑碳仪（Aethalometer，Model AE-31，Magee Science CO.USA）。AE-31为连续在线观测型仪器，共有7个通道。本文采用AE-31标准通道（波长880nm，红外1通道）的采样结果作为黑碳质量浓度的代表值。AE-31工作过程中，采样频率设定为5min，通过剔除仪器故障、断电及明显异常的输出值和仪器标记为坏点的值后，得到黑碳质量浓度小时平均值。观测过程其他信息可见文献[13]。经统计，3年观测获得的有效小时数据共有21616个，有效率为82.3%。考虑到降水对黑碳气溶胶的清除作用显著，本文对非降水日和降水日分别进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 黑碳气溶胶时间变化特征 图2为利用2013年1月至2015年12月观测的小时数据，给出了非降水日和降水日溫度、风速以及黑碳浓度的日变化曲线。从图2看出，在非降水日，黑碳浓度日变化幅度在2.4～5.9μg/m3，表现为明显的双峰结构，第1个峰值出现在7—9时，该时间段正是市民出行以及学生上学的高峰期，在观测站点附近有幼儿园和小学，在该时间段经常出现道路拥堵，车辆怠速的现象，使得黑碳浓度达到峰值。第2个峰值出现在19—22时，该时间段为夜间出行的高峰，随着夜间气温逐渐下降，边界层高度降低，边界层内风速减小，大气层结稳定，因下班及夜间出行产生的黑碳气溶胶不易扩散，浓度逐渐堆积，因此出现峰值。黑碳浓度的谷值出现在12—16时，该时段太阳辐射增强，温度和风速均达到峰值，大气对流旺盛，有利于黑碳气溶胶的扩散。此日变化规律与国内外研究基本一致[14，15]。

在降水日，黑碳浓度的日变化浓度在2.7～3.6μg/m3，日变化幅度减小。虽仍有2个峰值，但浓度明显降低，且第1个峰值出现的时间向后推迟了1h；12—16时的谷值较非降水日却有所抬升。降水日的风速增大，以及雨水的冲刷作用使高峰期间的黑碳浓度降低，但由于降水日的云量多、太阳辐射弱，大气稳定度多为弱不稳定或中性，黑碳气溶胶的扩散条件比晴天弱，因此，波谷处的黑碳浓度略高于非降水日同时段的黑碳浓度。

3.2 黑碳气溶胶月变化特征 图3中箱盒图表示的是2013—2015年黑碳小时浓度的月变化情况，“+”表征的是黑碳浓度异常高值。从图3可以看出，黑碳浓度在7月和9月较低，1月、10—12月浓度较高。受秸秆燃烧的影响，5月和6月黑碳气溶胶的浓度相对较高。1月和12月浓度大于15μg/m3的异常高值最多，1月份最高小时浓度达33.9μg/m3，12月份最高小时浓度达29.5μg/m3，这些异常高值基本出现在空气重污染时段。

2013—2015年，黑碳浓度平均值和最大值均表现逐年下降的趋势（图4）。从图4可以看出，在非降水日，2013年黑碳浓度最高，其次为2014年，2015年黑碳气溶胶的浓度最低。黑碳气溶胶年差异较大的时段主要集中在2个波峰处。而降水日，2014年黑碳浓度为3年最高，图3也显示了2014年6—9月黑碳气溶胶偏高。除了与收割季节秸秆燃烧等排放源有关，还受气象条件影响。一方面，与往年相比，2014年夏季气温偏低、日照时数偏少，扩散条件偏差；另一方面，2014年入梅晚，梅雨量偏少，即降水日的雨水量偏少，不利于黑碳气溶胶湿沉降。Latha等[10]研究表明，每增加1mm降水量，黑碳浓度将减少3.6μg/m3。当未形成降水时，相对湿度的增加可能会加重污染[16]。因此，2014年夏季的黑碳浓度较往年偏高与降水量偏少关系密切。

3.3 气象条件的影响 从图5可以看出，非降水日，黑碳浓度与温度和相对湿度大体呈倒U型关系，当温度在5～15℃、相对湿度在50%～70%时，黑碳浓度出现峰值。降水日，黑碳浓度与温度仍然为倒U型关系，在5～15℃和22～27℃有2个峰值；随着相对湿度增加，黑碳浓度呈增加趋势。当温度为20℃、相对湿度50～70%时，黑碳浓度最高。无论有无降水，黑碳浓度随着风速增大而减小。从图6看出，风向对黑碳浓度的输送影响较大。当主导风向为偏西风时，常州市区黑碳浓度最高。这与陈渤黎等[16]的研究结果相近，当常州市区空气达重污染时，西北风分量显著增加。

4 结论

本文利用AE-31型黑碳仪得到了常州市环境监测中心2013—2015年黑碳气溶胶每1h平均浓度，分析了常州市黑碳浓度的污染特征，以及气象条件对黑碳浓度的影响，得到以下结论：

（1）2013—2015年期间，黑碳气溶胶日变化为双峰结构，峰值出现在7—9时和19—22时，谷值出现在12—16时。降水日受雨水冲刷作用，黑碳气溶胶浓度降低，日变化幅度减小。

（2）从年变化看，黑碳气溶胶年平均浓度呈逐年下降的趋势。2013年污染情况最严重，其中1月和12月黑碳浓度异常高于其他月份。2014年6—9月受秸秆燃烧和不利气象条件的影响，黑碳浓度偏高，2015年常州市环境空气质量整体改善，黑碳浓度相对较低。

（3）黑碳浓度与气象条件关系密切，非降水日，黑碳气溶胶与温度和相对湿度呈倒U型关系；降水日，黑碳浓度整体上随相对湿度的增加而增加。黑碳浓度随着风速的增加而减小，当主导风向为偏西风时，黑碳浓度最高。

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（责编：张宏民）