临安区域大气本底站黑碳气溶胶浓度观测研究*

单萌 徐晓飞 董一雷 俞向明 岳毅

(1.浙江临安大气成分本底国家野外科学观测研究站,浙江 杭州 311300;2.临安区气象局,浙江 杭州 311300)

0 引 言

环境中存在的大气气溶胶主要来源可以分为两个部分：人为源和自然源[1]。自然源有诸如火山喷发、森林火灾等；人为源则包括了煤、石油等化石燃料的燃烧、汽车尾气、农田秸秆等废弃物的燃烧等。黑碳气溶胶是大气气溶胶的一个重要的组成部分,是造成大气能见度日趋恶化的主要原因之一,黑碳气溶胶在红外波段到可见光范围内对太阳辐射有强烈的吸收作用,对气溶胶在光吸收上的总贡献占到了90%以上。研究表明,黑碳气溶胶所产生的直接辐射仅次于二氧化碳[2]所产生的直接辐射,所以黑碳气溶胶也是引起全球气候变暖的重要原因之一。

国外对黑碳气溶胶的研究较早,最早可追溯到20世纪50年代发生伦敦烟雾事件时。20世纪70年代国外即开展了黑碳气溶胶的观测[1],20年代80年代起该工作得到了人类的广泛重视,全球大气监测网(GAW)自1989年起将黑碳气溶胶作为一个重要的气溶胶项目开始观测其变化[3]。国内对黑碳气溶胶的研究起步相对较晚,在进入21世纪后,黑碳气溶胶的研究也得到了国内的广泛重视,取得了长足发展。

长三角地区为我国经济相对发达地区,在经济高速发展的同时也带来了相当大的污染。随着时间的推移,当地群众也愈加关心大气环境的污染问题。因此,作为华东地区唯一的大气本底监测站,其观测数据受到了极大的关注。本文通过对2013—2017年临安区域大气本底站的黑碳气溶胶浓度进行分析,研究黑碳气溶胶浓度的年、月、日变化规律等,为长三角地区治理大气污染提供理论依据。

1 资料与观测方法

1.1 观测仪器与方法

临安区域大气本底站采用美国玛基科学公司(Magee Scientific Co.)生产的AE-31型黑碳仪进行在线测量,采用一种基于滤膜测量气溶胶光吸收技术。由于黑碳对可见光具有吸收特性,通过实时测量滤膜上收集的粒子对光的吸收造成的衰减,并根据连续的光衰减变化测量计算出黑碳浓度。在一定的范围内,光衰减量与黑碳含量的关系如下所示：

ATNλ=In(I0/I)=σλMBC

其中,ATNλ为采样一个周期的光学衰减量;I0为透过空白滤膜的光强;I为透过收集了气溶胶样品的滤膜光强;σλ为黑碳气溶胶对入射光的当量衰减系数,其不是一个物理常数,需要通过其他方法测定。

该仪器有7个测量通道,分别为370 nm、470 nm、520 nm、590 nm、660 nm、880 nm、950 nm。本文将采用黑碳仪的标准测量通道(880 nm)测得的数据作为黑碳气溶胶质量浓度的代表值。

1.2 观测地点与时间

临安区域大气本底站地处浙江杭州西部,在国内第一大经济区长三角的西南翼,始建于1983年,是我国应世界气象组织WMO提议建设的第一批大气本底观测站之一,承担区域大气成分本底业务观测和全球共享观测数据的任务,常年主导风向为NNE风向,其2017年风玫瑰图如图1所示,可以较好地捕捉代表经由长三角城市群的混合气流,其观测数据可以较好地代表长三角地区的大气本底环境状况。

图1 2017年临安区域大气本底站风玫瑰图

采样地点设于临安区域大气本底站山顶(30°18′N,119°44′E,138.6 m ALT),采用PM2.5切割头,切割粒径为2.5 μm,采样流量为5 L/min,采样周期为5 min,周围无明显黑碳排放源,地势开阔,采样时间为2013年1月至2017年12月,浓度单位为μg/m3。

2 结果与讨论

2.1 黑碳气溶胶浓度季节变化特征及分析

2013年1月至2017年12月,临安区域大气本底站大气中黑碳气溶胶浓度月平均浓度在1.22～6.81 μg/m3范围内变化,平均值为(2.98±1.08) μg/m3。图2为2013年1月至2017年12月临安区域大气本底站黑碳气溶胶浓度季节平均变化图。从图2可以看出，临安区域大气本底站大气中黑碳气溶胶浓度季节变化规律明显。由图2可以发现，每年黑碳气溶胶浓度谷值都出现在夏季,每年浓度峰值都出现在冬季,这种明显的季节变化特征与当地的气候特征以及冬季人类活动有关。

图2 黑碳气溶胶浓度季节平均变化

夏季,处于沿海地区的杭州临安风速、温度较高[4],由此导致大气扩散能力较强,从而加速了污染物的扩散。由图1可看出,临安区域大气本底站夏季的主导风向为西南风,西南方向城市群较少,空气较清洁,且该站点降水频繁,会加速气溶胶的清除过程,从而导致黑碳气溶胶浓度水平的降低。进入秋、冬季后,主导风向为东北风,东北方向为长三角城市群,污染相较西南方向更大,且站点区域附近居民冬季有烧火炉取暖的习惯,会产生大量气溶胶污染物,加之临安当地冬季降水过程明显减少,这样即会导致聚集后的污染物不容易被雨水冲刷清洗；另一方面北方强冷空气南下,也会将北方的携带了大量的黑碳气溶胶的沙尘带到当地。此外，冬季日照时数少,太阳辐射量低,温度较低,大气对流运动不强,容易在夜间形成逆温层,加之秋、冬季风速较低,污染物也相对不容易扩散,黑碳气溶胶浓度也就相对较高，在次年春季达到一个峰值,在春季气温逐渐升高后,则开始下降。

2.2 黑碳气溶胶浓度日变化特征及分析

观测期间临安区域大气本底站黑碳气溶胶浓度平均日变化范围为2.48～3.51 μg/m3,有明显的双峰值和谷值变化特征,第一个峰值一般出现在07—09时,第二个峰值一般出现在18—20时,谷值出现在13—14时以及03—04时。

第一个峰值出现在人类活动高峰期，尤其是上班高峰期。临安区域大气本底站15 km范围内有青山湖科技城以及临安主城区两大人类活动密集区域,在这个时间段内机动车使用数量明显增多,由于机动车尾气中会带有大量的黑碳[5],由此导致形成的黑碳气溶胶浓度急剧增加,加之此时大气中常出现逆温,由此形成第一个峰值。随后随着大气逆温现象逐渐减弱,太阳辐射逐渐增强,从而导致大气对流运动的不断增强,这样有利于污染物的扩散,到14时左右太阳辐射量达到了最高,而且此时机动车使用数量也相对较少,因此在13—14时形成一个黑碳气溶胶浓度的谷值。第二个峰值出现在傍晚,此时大气逆温又会再次形成,不利于污染物的扩散。此外，下班晚高峰机动车尾气排放以及人类取暖、烹饪等活动都会产生大量的黑碳气溶胶,污染物开始集中,逆温层又在不断地增强,污染物浓度不断地加大,由此形成第二个峰值。到了凌晨基本无人类排放污染的活动,对黑碳气溶胶浓度的贡献相对较少,由此形成了第二个谷值。

2.3 黑碳气溶胶浓度年变化特征及分析

图3为临安区域大气本底站黑碳气溶胶年平均浓度变化图,由图可以看出明显的变化规律。黑碳气溶胶浓度在2012—2017年逐年降低,约每年降低0.28 μg/m3,逐年变化率如表1所示。究其原因,包括杭州在内的长三角城市群在加快自身城市发展的同时，也在重视其大气环境的治理,采取了许多措施来进行大气污染的综合防治,并取得了明显成效。2014—2015年黑碳气溶胶浓度实现了更快的降低,其原因与杭州地区从2014年开始实施的大气污染防治行动计划不无关系。

表1 黑碳气溶胶年平均浓度逐年变化率

2.4 临安区域大气本底站黑碳气溶胶浓度与地面风向风速的关系

表2为2017年1月1日至12月31日各风向出现频率及其对应的黑碳气溶胶浓度和平均风速。由表2可以看出,临安区域大气本底站的全年主导风向为NE-NNE,占全年风向的37.28%；次主导风向为SW-SSW,占全年风向的22.65%。与图1的风玫瑰图对比可以看出,SW-SSW在夏季出现的频次较其他3季要高一点。由表2可知,黑碳气溶胶低浓度主要出现在NNE-NE-ENE风向扇区内,此风向是此站点的主导风向,可以发现此风向扇区的风速比其他风向扇区更大。而次主导风向SW-SSW扇区的黑碳气溶胶浓度值较其他风向的更高,这与临安区域大气本底站的地理位置有关,站点西南方向约6 km处为临安主城区,受人为影响更明显。同时N方向的黑碳气溶胶浓度值为最高,临安区域大气本底站的正北方向约3 km处为横畈镇区。这两个方向浓度同时为高值,说明该站点的黑碳气溶胶浓度在很大程度上受区域内影响因素更大。

表2 2017年各风向出现频率及其对应的黑碳气溶胶浓度和平均风速

图4为2017年1月1日至12月31日临安区域大气本底站不同风速范围内黑碳气溶胶平均浓度的变化情况。由图4可以看出，黑碳气溶胶浓度随风速的变化也比较明显,当风速≤2.0 m/s时,黑碳气溶胶浓度值处于高点,且浓度值的变化不大；当风速>2.0 m/s时,风速越大,黑碳气溶胶浓度值减小越快。这说明在此区域,风速>2.0 m/s时有利于大气中颗粒物的扩散,从而导致黑碳气溶胶浓度值较小,同时说明该站点黑碳气溶胶浓度受远距离的输送影响不大,受站点区域内的气溶胶颗粒物排放及其扩散清除过程影响较大。

图4 不同风速范围内黑碳气溶胶平均浓度的变化

3 结 语

通过分析2013—2017年临安区域大气本底站黑碳气溶胶浓度的观测数据,得出以下结论。

(1)2013—2017年黑碳气溶胶平均浓度为(2.98±1.08) μg/m3,季节变化规律明显且幅度较大,每年黑碳气溶胶浓度最低值都出现在夏季,每年浓度最高值都出现在冬季,此变化特征与当地气候特征以及冬季区域内居民烧火炉取暖等活动有关。

(2)黑碳气溶胶浓度日变化规律明显,有着双峰值与双谷值特征,峰值一般出现在07—09时之间以及18—20时之间,谷值出现在13—14时之间以及03—04时之间。这与人类活动以及大气层结逆温层的形成有密切关系。

(3)黑碳气溶胶浓度每年平稳下降,这与长三角城市群逐渐重视大气环境的治理有密切关系。

(4)风向风速对黑碳气溶胶浓度有一定的影响,低浓度出现在主导风向NNE-NE-ENE扇区内,此扇区的风速也比其他扇区更大,次主导风向SW-SSW扇区的黑碳气溶胶浓度值较其他风向的黑碳气溶胶浓度值更高,这与站点的地貌环境以及地理位置有关。当风速≤2.0 m/s时,黑碳气溶胶浓度值处于高点,当风速>2.0 m/s时,风速越大浓度越低。黑碳气溶胶浓度受远距离的输送影响不大,受区域内的颗粒物排放以及扩散清除过程的影响较大。