宝鸡市一次污染过程黑碳气溶胶的变化特征及潜在源解析

周变红,曹夏,冯瞧,王锦,张容端,刘雅雯,杨震龙,刘文霞,王勇,李建军

(1宝鸡文理学院地理与环境学院,陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室,陕西 宝鸡 721013;2中国科学院地球环境研究所,中国科学院气溶胶化学物理重点实验室,陕西 西安 710061;3西安市环境监测站,陕西 西安 710114;4宝鸡市环境监测中心站,陕西 宝鸡 721006;5宝鸡海蓝工程咨询有限公司,陕西 宝鸡 721000)

0 引言

黑碳(Black carbon,BC)气溶胶主要来源于化石燃料、生物质燃料的不完全燃烧,其粒径范围在0.01～0.1 μm[1,2]。近几十年来,BC气溶胶因对空气质量、气候变化以及人类健康的重大影响而备受关注[3-5]。BC具有多孔性质,易吸收重金属、多环芳烃等污染物,对人体呼吸系统造成影响,危害人体健康[6],并且BC易吸附硝酸盐、硫酸盐等化学组分,为污染物二次反应提供场所,从而导致颗粒物的物理化学性质发生变化[7]。有研究指出,BC的直接辐射驱动因子超过了CH4,是仅次于CO2全球变暖的第二影响因子[8]。科学家进行了许多实验来确定BC在环境问题中的具体作用,证明它是通过光吸收导致能见度下降的主要因素[9-11]。BC在严重的空气污染中起着显著作用,研究表明,BC和霾有显著且相似的线性关系(R＞0.98,P＜0.001)[12,13]。故BC气溶胶研究已成为大气科学领域的一个热点问题。

国外对于BC气溶胶的研究较早,20世纪70年代就开始了对大气中BC颗粒物的元素组成的研究[6]。进入20世纪90年代后,国际上进行了多次大规模国际性气溶胶观测实验,将BC作为重要观测研究内容[14-17]。而国内关于BC气溶胶研究起步较晚,90年代逐渐开始对BC进行观测研究[18]。近些年来我国各地关于BC的研究取得一定的成果。利用黑碳仪模型[19,20]、轨迹聚类[21]、WRF-Chem(Weather research and forecasting model with chemistry)模式[22]对BC气溶胶来源进行分析。并且对BC浓度日变化特征及其影响因素进行分析。陈程等[23]通过对2016年连云港BC气溶胶浓度的日变化特征进行分析,发现BC气溶胶日变化呈明显“双峰型”;兰剑等[24]通过对上海城区2014年BC气溶胶的连续监测数据进行分析,发现BC日变化也呈“双峰型”。程丁等[25]利用2015年观测的广州市干湿季BC数据及常规气象数据进行研究,发现降水能使BC浓度降低。Ji等[26]通过对北京市2014年BC气溶胶进行测量,得出其小时平均浓度范围为0.1～33.5 μg·m-3,年平均浓度为 4.4±3.7 μg·m-3,且 BC 低浓度水平与北风和西北风有关。罗有斌等[27]利用敦煌2012年4月和12月的黑碳数据以及能见度数据,研究发现能见度与BC浓度呈负相关。齐孟姚等[28]对2013年3月–2017年2月邯郸市BC气溶胶及PM2.5进行观测研究,得出二者的相关系数为0.860,表明BC气溶胶与PM2.5的来源大部分相同。Zhou等[29]对2015年宝鸡市的BC质量浓度进行观测,发现BC浓度与人类活动及气象因素相关。

该研究利用2019年2月宝鸡高新区BC气溶胶数据、PM2.5质量浓度、全球资料同化系统(Global data assimilation system,简称GDAS)数据和风向、风速等气象资料,对持续污染天气(AQI＞100)的BC质量浓度的变化、PM2.5与BC质量浓度的关系、风向风速对BC质量浓度的影响等进行分析,并利用聚类分析对污染期间的气流来源进行分析研究,以期为宝鸡市大气污染防治提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 观测地点

宝鸡市地处平原最西端,北为黄土台塬,南靠秦岭,西侧陇塬收口,三面均被遮挡。研究采样点设立在宝鸡市内宝鸡文理学院明理楼楼顶,距地面垂直距离约20 m,周围环境以文教区、居民区、交通干道、餐饮区等为主。

1.2 观测仪器及数据处理

观测仪器采用美国Magee公司生产的AE-31型黑碳仪,该仪器采样头为PM2.5切割头,测量范围为0～1000 μg·m-3,采样频率为 5 min,采样流量为 4.6～5.0 L·min-1,仪器共有 370、470、520、590、660、880、950 nm 7个波段可以同时测量,采用880 nm波段的采样结果作为BC的质量浓度。定期对仪器进行维护,每周检查滤膜带进位装置、每季度对仪器进行一次自检测试并校准流量、清理一次采样头、清洗光筒。对监测数据进行质量控制,在计算BC小时值及日均值时剔除掉明显异常数据。

利用2019年2月4–26日BC气溶胶监测数据、PM2.5质量浓度(数据来源:https://www.aqistudy.cn/)、风速风向(数据来源:http://data.cma.cn)等气象资料,对宝鸡高新区一次重污染期间BC质量浓度的变化、PM2.5与BC质量浓度的关系及风向、风速等对BC质量浓度的影响进行分析。

1.3 研究方法

轨迹分析常被用于研究区域性空气污染问题、传输特征等,可定性地分析污染物潜在来源[30]。聚类分析方法是一种简单的统计方法,用于识别对多个样本进行分类的方法。再根据不同气团轨迹的传输方向和速度,对到达所观测点的气团轨迹进行聚类分析,然后利用欧氏距离法确定不同气团的传输类型,并对各传输类型气团输送轨迹所对应的污染物浓度(此数据用BC质量浓度)数值特征进行分析[31]。

2 结果与讨论

2.1 BC质量浓度时间变化特征分析

2019年2月4 –26日,宝鸡市发生的空气污染过程是一次典型的持续重污染过程。自2019年2月4日起PM2.5质量浓度逐日升高,2019年2月11日PM2.5质量浓度达到181.9 μg·m-3,AQI为234,空气质量达到重度污染。根据GB 3095-2012《环境空气质量标准》中PM2.5质量浓度二级标准限值(75 μg·m-3)可知,观测期间超过二级标准限值有21天(2019年2月5–25日),有6天(2019年2月11–13日和19–21日)空气质量为重度污染级别(AQI＞200)。重度污染期间BC平均质量浓度为3.4 μg·m-3,PM2.5平均质量浓度为176.4 μg·m-3。

图1为2019年2月4日–26日PM2.5、BC质量浓度和AQI逐日变化。由图可知,污染期间BC质量浓度、PM2.5质量浓度和AQI的变化趋势一致,空气质量为“良”时,BC质量浓度为1.6 μg·m-3,PM2.5质量浓度为 49.4 μg·m-3;当空气质量为“轻度污染”时,BC 和 PM2.5的质量浓度分别为 2.3 μg·m-3和 84.3 μg·m-3;当空气质量为“中度污染”时,BC 和 PM2.5的质量浓度分别为 3.1 μg·m-3和 126.5 μg·m-3。

图1 2019年2月4日–26日PM2.5、BC质量浓度和AQI逐日变化Fig.1 The daily changes of PM2.5,BC mass concentration and AQI from February 4 to 26,2019

图2为BC和PM2.5质量浓度时间序列变化图。由图可知,其时间序列变化趋势基本一致,2019年2月4日BC和PM2.5质量浓度处于低水平状态,5–25日整体处于高水平状态,尤其是重度污染期间。观测期间BC 质量浓度范围为 0.4～8.0 μg·m-3,平均浓度为 2.8 μg·m-3,PM2.5质量浓度范围为 17.3～221.9 μg·m-3,平均值为 119.9 μg·m-3。

图2 2019年2月4日–26日PM2.5、BC质量浓度时间序列变化Fig.2 Time series changes of PM2.5and BC mass concentration from February 4 to 26,2019

2.2 黑碳质量浓度日变化

图3为不同空气质量下BC质量浓度的日变化。由图可知,空气质量为“良”时,BC浓度有明显峰值,出现在晚间21:00,从17:00开始BC浓度迅速升高,主要是由于晚高峰期的到来,车辆逐渐增多,汽车尾气排放增加,导致BC质量浓度升高,其余时间段BC质量浓度整体较低;当空气质量为“轻度污染”时,BC质量浓度呈“双峰双谷”型,第一个峰值提前约1～2 h,出现在08:00左右,主要是早晨大气层较稳定,早高峰的到来导致车辆尾气排放增加。午后随着光照增强,大气边界层逐渐抬升,对流运动开始变强,易于污染物的扩散,BC浓度逐渐下降,15:00–16:00左右BC质量浓度出现谷值。17:00之后随着晚高峰的来临,机动车尾气排放增多,居民烹饪燃煤及生物质增加,导致BC浓度不断升高,20:00出现第二个峰值。当污染较重时,即空气质量为“中度和重度污染”时,近地面主要受高压控制,风速较小,不利于近地面污染物的稀释和扩散。夜间BC质量浓度整体较高,这是由于夜间太阳辐射较弱,大气边界层较低,大气对流活动较弱,导致污染物的累积,06:00–07:00左右BC质量浓度逐渐升高,加之早高峰的到来使BC浓度在09:00–10:00出现第一个的峰值。11:00左右达到边界层达到峰值随后开始下降,15:00–16:00左右达到谷值,17:00开始BC质量浓度逐渐升高,20:00–22:00达到峰值,导致BC质量浓度出现白天低,夜间高的现象。对比不同污染等级BC质量浓度日变化可知,污染越重的BC质量浓度越大。

图3 不同空气质量等级下BC质量浓度的日变化Fig.3 Daily variation of BC mass concentration under different air quality levels

2.3 风速风向对黑碳气溶胶质量浓度的影响

为研究气象要素对BC气溶胶的影响,利用风速风向对BC的影响进行分析,风速可以反映大气环流的流场特征,地面风速在BC的运输和扩散过程中起着重要作用。图4为风速风向和BC质量浓度间的关系图。所用数据为BC和风速风向的小时值,观测期间的平均风速为1.2 m·s-1。由图可知,BC质量浓度的升高很可能是来源于东南和东北方向的污染物,东南风向下BC质量浓度较高,平均值为2.8 μg·m-3;东北风向下,BC平均质量浓度为2.7 μg·m-3,此时平均风速为1.1 m·s-1,风速较小,不利于污染物的扩散,容易使污染物累积。一般距地面10 m处的风速≤0.5 m·s-1,即定义为静风,通过研究发现静风条件下BC平均质量浓度为3.0 μg·m-3,非静风条件下BC平均质量浓度为2.7 μg·m-3,说明静风条件下,风场较稳定,污染物容易累积。进一步对不同空气质量下风速对BC质量浓度影响进行研究发现,当空气质量为“良”,处于静风状态时,BC质量浓度为1.9 μg·m-3,风速为非静风条件时,BC平均质量浓度为1.5 μg·m-3;当空气质量为“轻度、中度和重度污染”,处于静风状态时,BC质量浓度分别为2.4、3.5、3.7 μg·m-3,当处于非静风条件时,BC平均质量浓度分别为2.2、3.0、3.3 μg·m-3,表明污染越重BC浓度越大,且静风条件下污染比非静风条件下严重,BC浓度较高。进一步研究发现,观测期间BC浓度和风速呈显著负相关,二者的相关系数为-0.146**(**表示在a=0.01水平(双侧)上显著相关)。

图4 风速风向与BC质量浓度的关系Fig.4 Relationship between wind speed and direction and BC mass concentration

2.4 聚类分析

为研究观测期间BC气溶胶传输路径及来源,本文基于美国国家环境预报中心(NCEP)提供的GDAS数据,结合MeteoInfoMap软件[32]中TrajStat插件对宝鸡市2019年2月4日至26日每小时气流来源进行48 h后向轨迹反演,根据站点的海拔高度选择500 m高度,用BC小时质量浓度进行传输模拟,结合实测数据,将气流轨迹分为4类:C1表示第1类、C2表示第2类、C3表示第3类、C4表示第4类,并且计算了各类轨迹所对应的BC质量浓度进而讨论不同气流对BC质量浓度的影响。图5为观测期间的聚类轨迹图。

图5 48 h后向轨迹聚类分析Fig.5 48 h backward trajectory cluster analysis

3 结论

观测期间到达宝鸡的气团主要来自东南部(受秦岭阻挡)和东部区域,第1和第3类轨迹占总轨迹数的76.6%,第3类轨迹共占54.8%,BC平均质量浓度为2.3 μg·m-3,第1类轨迹占21.8%,其所对应的BC平均质量浓度为2.6 μg·m-3。且第1类和第3类轨迹路径较短,说明该区域气象条件较稳定,污染物扩散能力较差,易将宝鸡东部区域的污染物输送至宝鸡,逐渐累积,另外由于秦岭的阻挡,污染物无法扩散,逐渐累积。此次污染主要是偏东风传输以及本地堆积污染导致。Zhou等[29]研究宝鸡市2015年BC气溶胶来源,发现BC主要来源于陕西南部、湖北西北部和重庆北部。

1)观测期间共有6天的空气质量为重度污染级别。重度污染期间,BC平均质量浓度为3.4 μg·m-3,PM2.5平均质量浓度为176.4 μg·m-3,空气质量为“良、轻度和中度污染”时,BC质量浓度分别为1.6、2.3、3.1 μg·m-3,PM2.5质量浓度分别为 49.4、84.3、126.5 μg·m-3。整个观测期间 BC 质量浓度和 PM2.5质量浓度范围分别为 0.4～8.0 μg·m-3和 17.3～221.9 μg·m-3,平均质量浓度分别为 2.8 μg·m-3和 119.9 μg·m-3。

2)不同污染等级下,BC质量浓度日变化表现有所差异,空气质量为“良”时,BC浓度有明显峰值,出现在晚间21:00;当空气质量为“轻度污染”时,BC质量浓度呈“双峰双谷”型,当空气质量为“中度和重度污染”时,呈现白天低夜间高的变化趋势,主要是由于污染较重时BC受气象条件、本地积累以及区域传输的影响,污染较轻时受本地污染影响。

3)观测期间平均风速约为1.2 m·s-1。其中东南风向和东北风向的BC浓度较高,平均质量浓度分别为2.8 μg·m-3和2.7 μg·m-3。静风条件下,当空气质量为“良、轻度、中度和重度污染”时,BC质量浓度分别为1.9、2.4、3.5、3.7 μg·m-3,非静风条件下,BC 质量浓度分别为 1.5、2.2、3.0、3.3 μg·m-3,表明污染越重 BC浓度越大,静风条件下,污染物更易累积。

4)后向轨迹聚类分析表明,来自东部区域的气流占比较大,轨迹较短,气象条件稳定,易将该方向的污染物传送至宝鸡,并且由于秦岭的阻挡,导致污染物扩散较慢,逐渐累积,故BC浓度较高。