南京市和苏州市大气黑碳气溶胶污染特征比对研究

2019-02-26王晨波汤莉莉

四川环境 2019年1期

陈诚，王晨波，秦玮，花艳，汤莉莉,4

(1. 江苏省环境监测中心，南京 210036；2. 江苏省苏协环境技术研究院，南京 210036；3. 南京科略环境科技有限责任公司，南京 211800；4. 南京信息工程大学，南京210044)

1 前言

黑碳(black carbon，BC)指在大气当中的黑色含碳颗粒物，是由于煤和石油等的不完全燃烧或火山喷发所形成的无定型碳质[1]。BC具有很强的吸收性质，占大气气溶胶总吸收性能的90%以上[2]，吸收太阳光使得大气能见度降低，影响人类的交通出行；它还可以通过云-气溶胶之间相互作用，造成直接或间接辐射强迫效应[3]，引起温室效应和全球气候变化；BC表面孔隙结构有利于各种有害气体 (如含硫、氮的化合物和臭氧等)、颗粒物、毒性有机物(如多环芳烃，PAH等)和大气中的各种自由基(如OH等)的吸收,并在其表面有可能发生光氧化等二次化学反应[4]；加上其自身的粒径较小，易通过呼吸进入人体内部被人所吸收,一旦BC吸附了有毒有害物质，则会引起皮肤、呼吸道、肺部等器官的疾病，甚至引发癌症，危害人体健康。

我国BC的排放和浓度比同纬度的国家和地区要高，据统计[5]，中国排放的BC占全球人为排放量的1/4，并且BC在大气中通常可驻留长达一周，因此这些BC经大气传输对周边国家和地区环境产生影响。中国是世界上最大的发展中国家，正处在工业化进程当中，能源需求量大，需要燃烧大量的以煤为主的化石燃料；随着城市化进程的推进，机动车数量急剧增长；在我国的广大农村地区会进行如燃烧秸秆[6]和牛粪燃烧等排放大量BC的活动，所以在未来的很长一段时间内，中国仍是全球BC的主要排放源之一。综上所述，BC的观测研究对于我国乃至全球的环境保护工作和缓解全球温室效应，提高人们的生活质量有着重要的意义。

南京和苏州作为长三角腹地重要城市，灰霾等大气复合污染问题日渐突出[7]。本研究运用黑碳仪对2013年南京和苏州BC进行连续观测，分析两市BC浓度变化特征和影响因素，研究其与气象条件及气态污染物SO2、CO、NOX之间的关系，对改善长三角地区大气环境质量，建立区域大气污染治理对策有重要意义。

2 仪器与方法

2.1 观测点和观测时间

南京观测点设在鼓楼区凤凰西街某环保单位的六层观测台，该点位15m外是交通密集干道，并且周围环境以餐饮业、居民区和办公楼为主，可以代表大都市基本环境特征。苏州市观测点位于市区南门国控子站附近，周边多为居民住宅小区，偏南方向700m处为苏州南门汽车客运站。表1汇总了本研究采用的观测仪器和时间。

表1 观测时间和观测仪器Tab.1 Observation period and instruments

2.2 观测仪器

2.2.1 黑碳仪

美国Magee公司生产的AE-31型黑碳仪能够在370nm，470 nm，520 nm，590 nm，660 nm，880 nm和950 nm 7个波段连续监测黑碳的浓度，是光学测量法的典型代表仪器。黑碳仪主要由采样室、进气管线和抽气泵及流量控制系统、光源电路系统、光检测器系统以及控制计算机等部分组成。

2.2.2 辅助仪器

采用METONE型号的BAM-1020 BETA射线颗粒物监测仪，采样流量为16.7 L/min。经美国国家环保局EPA认证，利用Beta射线原理自动测量和记录颗粒物浓度水平。该方法提供了一个简单的浓度检测方法，以空气每立方米毫克或微克颗粒物为单位。

气态污染物分析仪。美国Thermo公司生产的Model 42i、Model 43i和Model 48i三种气态污染物分析仪分别监测NOX、SO2和CO的浓度数据。

2.3 数据质量控制和质量保证

观测期间，仪器均按照操作规章开展日常的内标、外标、零点标定、跨度标定工作；标准气体等均选用商业化的、纯度高的标准物质。所有在线观测数据均进行数据的质量控制，剔除无效数据，保证数据的完整性和有效性，文中各平均值均为算数平均值，相关性分析均严格按照数理统计方法进行统计分析。

3 结果与讨论

3.1 南京市和苏州市BC浓度特征概况

图1表示2013年南京市和苏州市全年PM2.5和BC日均值变化趋势，两市PM2.5和BC浓度变化趋势为冬季较高，秋季次之，春夏较低，且PM2.5浓度日均值变化范围为2.79～353.21 μg/m3和10.90～370.46 μg/m3，年均值为79.23 μg/m3和63.06 μg/m3；BC浓度日均值分别为0.36～15.56 μg/m3和0.94～21.31 μg/m3，年均值为3.93 μg/m3和5.07 μg/m3。图2是南京和苏州BC月均值变化趋势，可以看出2月份是南京和苏州BC浓度全年中较低的月份，这可能由于2月份是农历春节时期，燃煤企业放假，污染物排放减少，空气质量提高。

图1 南京市和苏州市2013年全年黑碳浓度变化趋势(小时均值)Fig.1 Trends of BC concentrations in Nanjing and Suzhou in 2013 (hourly average)

图2 南京市和苏州市2013年全年黑碳月均值浓度变化趋势Fig.2 Trends of monthly average BC concentrations in Nanjing and Suzhou in 2013

图2采用具有最大分布频数的浓度值分别分析南京和苏州BC污染状况。以0.2μg/m3作为频数统计步长，作出BC小时平均浓度的频数分布图。由图3，BC小时浓度均值的频数分布呈现非正态分布，使用对数正态分布函数对频数分布特征进行拟合，结果显示南京市BC小时平均浓度在1.9μg/m3出现频率最大，苏州为2.5μg/m3，可作为南京和苏州大气BC本底值。由此可见，苏州市大气BC本底值浓度高于南京市，苏州市BC污染更为严重。

与其他城市相比，南京BC浓度低于杭州、北京、天津、西安等地，与上海、西宁相近；苏州市BC浓度低于天津、西安，与杭州、深圳、东莞相近，但两地BC浓度均远高于瓦里关(全球本底站)，南京和苏州BC浓度与东部沿海城市相近(表2)，但与瓦里关相比各大城市BC污染都高出数十倍，进一步说明长三角区域BC污染严峻。

图3 南京市和苏州市黑碳小时平均浓度频数分布Fig.3 Frequency distribution of hourly average BC concentrations in Nanjing and Suzhou

地点时间粒径BC浓度(μg/m3)南京(本研究)2013-1～2013-12PM2.53.93苏州(本研究)2013-1～2013-12PM2.55.07杭州[8]2011-7～2012-6PM2.55.14北京[9]2005-9～2007-8TSP5.25天津[10]2010-9～2011-1PM2.56.89上海[11]2007-12～2008-11PM2.53.8广州[12]2011PM2.54.3深圳[13]2009PM2.55.72东莞[14]2009TSP5.27西安[15]2006-3～2007-2PM2.510.0西宁[16]2005-9～2007-7TSP4.24兰州[17]2007-1～2009-8PM2.51.57瓦里关(全球本站)[16]2006-1～2006-12TSP0.28

3.2 风速风向对南京市和苏州市BC的影响

图4可见，南京和苏州市全年风速不超过7 m/s，即风力不超过4级，两市BC浓度变化受风速影响显著，在静风和小风条件(<3 m/s)下，BC浓度值较高。就南京市而言，浓度值超过3 μg/m3的BC除了在低风速下分布较多，在风速>3 m/s的情况下BC浓度也会出现高值，这说明即使风速较大的情况下，若本地污染源排放BC加剧，也会造成BC浓度增大。而BC浓度超过8 μg/m3的情况下受风速影响明显，BC浓度高值基本处于风速低于3 m/s的部分。苏州BC受风速的影响与南京市相似，主要是在风速<3 m/s的情况下，BC浓度较高。

图4 风速对南京市和苏州市黑碳浓度的影响Fig.4 Influence of wind speed on BC concentrations in Nanjing and Suzhou

不同风向造成污染气团传输路径不同，从而对BC浓度造成不同的影响。从(图5)南京四季不同风向下BC浓度分布图可以看出，南京盛行风主要是北风和西风，且这两个方向的气团主要来自于内陆污染较重地区，相应地，在此风向下容易出现BC浓度高值。但是风向对南京BC在不同季节影响也是不同的，春季BC浓度高值主要出现在西北风向；夏季BC浓度高值除了受西北风向的影响，东北偏东风向也会有一定影响，这可能受苏北地区污染气团的影响；秋冬季节北风和西风对BC浓度的影响更为明显，说明内陆污染气团随这两个方向的气流传输至南京市，造成BC浓度偏高。相比南京市，苏州市(图6)主要受西风影响更明显，四季也有不同的特征[18]。苏州春季污染气团主要来自于西北风向，夏季主要受西北和东北风向影响，秋季则是西北偏西风向影响明显，而冬季BC浓度在西风、北风、东风方向均出现高值，尤其是西北风向，结合苏州地理位置，苏州BC污染可能主要来源于其西北方向的城市群，包括南京、常州这些工业发达的城市。

图5 南京市2013年四季不同风向下BC浓度特征Fig.5 Characteristics of BC concentration in different wind directions of four seasons in Nanjing,2013

图6 苏州市2013年四季不同风向下BC浓度特征Fig.6 Characteristics of BC concentrations in different wind directions of four seasons in Suzhou,2013

3.3 南京和苏州两市BC与气态污染物的关系

图7是南京市和苏州市BC与主要气态污染物的关系，南京BC与NOX的相关性较好(r=0.73)，表明BC与NOX有着同源性，NOX主要来源于机动车尾气排放，而南京观测点为商住交通混合区，周围多机动车道，而NOX与BC相关性较好也说明南京市区BC的来源主要是机动车尾气的排放；BC与NOX的相关性在苏州体现得更为明显(r=0.87)，说明苏州市受机动车尾气排放的影响相比南京更为严重。SO2主要来源于电厂燃煤等固定源排放，由于南京市和苏州市观测点处于商业圈和住宅区，所以两市BC与SO2的相关性较差，尤其是南京市。

图7 南京与苏州BC与气态污染物(NOX、SO2、CO)的关系Fig.7 Correlation between BC and gaseous pollutants (NOX, SO2, CO) in Nanjing and Suzhou

南京市和苏州市BC与CO的相关系数都达到0.7以上，说明两者有部分共同来源。△BC/△CO比值在南京和苏州分别是0.004 2和0.005 4，由于BC和CO均来自化石燃料燃烧和生物质燃烧的排放，在大气中停留时间相对较长，其受化学反应、气象因素影响很小，因此△BC/△CO比值在不同地区受污染源类型的影响而有所差异。该值低于上海的0.010 1[11]，这可能是因为上海的汽油煤油消耗量较高，尤其柴油年消耗量是北京的5.3倍，这造成△BC/△CO比值较高；高于杭州的0.002 9[8]，这可能是因为同样是全年观测，必然会收到秸秆露天焚烧排放的影响，研究表明，浙江省秸秆焚烧比例超过30%，南京和苏州焚烧比例分别是16.5%和11%[19]，受生物质燃烧的影响，这可能是造成杭州△BC/△CO比值低的原因之一。BC和CO浓度受排放源强、地理环境、气象条件等多种因素综合影响。