盐城市黑碳气溶胶分布特征研究

吴硕秋 殷 婕 葛 侨 刘骏杰

（盐城市亭湖区气象局 江苏 盐城 224001）

引言

黑碳气溶胶（black carbon，BC）是大气气溶胶的重要组分之一[1]，尽管其在大气气溶胶成分中所占比例较小，但作为吸收性气溶胶它有强烈的半直接效应，对可见光到红外波段内的太阳光有强烈的吸收作用[2][3]，会增加地-气系统所吸收的太阳辐射能量，对气候变化产生较强的正辐射强迫[4]。BC 本身不会由其他污染物反应生成或是经由化学过程从大气中清除，它通过干、湿沉降从大气中消失，时空分布极不均匀，在大气传输过程中，BC 表面可以吸附其他污染物，为这些物质的非均相转化及气粒转换过程提供活性载体并起到一定的催化作用。在BC 浓度很高的城市，其光学吸收特性会使大气能见度大幅降低，使空气质量明显下降。同时，BC 对人体健康也有巨大的危害性[5][6]。

中国是BC 的主要源区之一。据统计，中国区域BC 排放量达到甚至超过了全球排放总量的1/4[7]，而中国的BC 高排放区主要集中在长三角地区、京津冀地区和珠江三角洲地区[8～12]。江苏省盐城市位于长三角东部，一方面受到当地BC排放与京津冀地区BC 输送的影响，存在一定BC污染；另一方面盐城市临近黄海，清洁的海洋气团对于空气污染有一定缓解作用。因此，研究黑碳气溶胶的污染分布特征及与气象要素之间的联系对提高空气质量、降低空气污染、制定更为精准的治理方案有着重要作用。

1 材料与方法

MERRA（The Modern-Era Retrospective-analysis for Research and Applications）[13]是美国国家航天航空局全球模拟和同化办公室推出的高分辨率全球再分析资料，资料覆盖时段为1979～2016 年。本文使用的MERRA-2 是MERRA 升级版，提供了1980 年以后的再分析资料，该再分析数据集改进了同化系统，结合了MERRA 缺乏的观测资料并同化了若干遥感反演数据集，减少了与气象观测系统变化相关的误差[14]。

MERRA-2 产品除了提供标准的气象分析，还提供了5 种气溶胶（灰尘、海盐、硫酸盐、黑碳和有机碳）的可靠数据集。本文使用MERRA-2 提供的2010～2020 年间逐月数据集，分辨率为0.625°×0.5°，选取的变量为2m 温度、2m 风速、地面气压、降水与黑碳地面质量浓度。

2 结果与分析

2.1 盐城地区气候特征

利用MERRA-2 再分析资料对盐城地区2010～2020 年地面气象要素的季节特征进行分析。盐城市位于北半球中纬度地区，常年处于高空西风环流控制之下，属于典型的季风气候。因此，盐城地区的气候特征主要为四季分明、雨热同季。由表1 可见，盐城地区夏季炎热多雨、冬季寒冷干燥。夏季是整年温度最高、气压最低且风速最高的季节，此时台风、暴雨、强对流等灾害性天气高发，降水量可达全年降水的50%以上；冬季则是全年温度最低、气压最高且降水量最低的季节。

表1 2010～2020 年盐城地区气象要素季节平均值

2.2 盐城黑碳地面质量浓度季节分布

从黑碳地面质量浓度季节分布图(图1)可以看到，在空间分布上，四季黑碳浓度分布均呈现西高东低的趋势，最大黑碳浓度往往出现在盐都、建湖、阜宁等地，沿海地区的黑碳地面浓度相对较低；在时间分布上，盐城地区的地面黑碳浓度秋冬季大、春夏季小。春季黑碳浓度为2～3.5µg/m3。夏季整体黑碳浓度有所降低，临海地区的黑碳浓度只有1.5µg/m3左右，黑碳浓度最高出现在东台东部，在3µg/m3左右。秋季盐城东部地区的黑碳浓度有所升高，达到了3.5µg/m3，而沿海地区黑碳浓度变化较小。冬季地面黑碳浓度为全年最高，浓度最低的沿海地区都达到了3～4µg/m3，盐都、建湖、阜宁和东台地区的黑碳浓度达到了5µg/m3。

图1 2010～2020 年黑碳地面浓度季节分布图

如图2 所示，地面黑碳浓度与气温呈显著负相关，北部地区的负相关更为显著；与气压呈显著正相关，北部地区的相关性更强。而黑碳与风速之间则呈现出弱的负相关性，不同于其他气象要素，黑碳与风速在南部地区的相关性要更显著一些。地面黑碳浓度在中北部地区与降水呈显著负相关，在南部地区呈弱负相关。因此，温度、风速与降水的增加都会不同程度地导致地面黑碳浓度的下降。夏季高温带来的不稳定大气层结有利于黑碳跨区域输送，使得地面的黑碳浓度通过大气输送到其他地区，而冬季低温、受高压控制的气象条件则更有利于黑碳在近地面积聚，不利于黑碳的扩散。风速对黑碳的影响是多元的，在冬季，盐城盛行的偏北风会将京津冀地区的污染物向东向南输送到盐城，但在夏季，东南风所带来的海洋清洁气团则会使黑碳浓度下降。而降水的增加会使黑碳的湿沉降清除作用更为显著，更多的黑碳会随着降水被清除出去。

图2 2010～2020 年黑碳地面浓度与气象要素的相关性

图3 展示了盐城地区2010～2020 年黑碳气溶胶月平均浓度与气象要素 月平均值的关系（通过显著性水平为0.05 的检验）。黑碳气溶胶浓度与温度、降水呈显著负相关，与气压呈显著正相关，这与图2 所示的相关性分布较为一致，而黑碳气溶胶浓度与风速整体上呈显著负相关，这说明在盐城地区，海洋清洁气团所带来的清洁效应比黑碳气溶胶的跨区域输入更为明显。

图3 2010～2020 年黑碳气溶胶月平均浓度和气象要素的相关性

2.3 逐年变化

从图4 可以看出，2010～2020 年盐城地区地面黑碳浓度总体呈波动下降的趋势。2010～2012年黑碳浓度从3.8µg/m3下降到了3.3µg/m3，但在接下来的几年中又迅速上升，2015 年达到了近10 年来黑碳地面浓度的最大值3.9µg/m3，之后便又逐渐降低，2018 年达到了近10 年来黑碳地面浓度的最低值3.2µg/m3。

图4 2010～2020 年盐城黑碳地面浓度的逐年变化

3 讨论

自20 世纪90 年代以来，我国经济发展迅猛，城镇化、工业化程度飞速提高，但同时也造成了非常严重的污染问题。进入21 世纪，我国大气污染物防治力度不断加强，“十一五”（2006～2010 年）期间政府开始关注温室气体的排放，并在“十二五”（2011～2015 年）期间制定了具体的节能减排计划。随着2013 年全国大范围出现的“雾霾”天气，大众对于“大气污染”有了具体的认知，对于大气污染的防治也逐渐向着更为全面的方向发展。“十三五”（2016～2020年）期间加快清洁能源的转变，推进能源结构调整优化，明确了大气污染防治的主要量化指标，空气质量改善取得了历史性突破。

结论

盐城市的黑碳气溶胶浓度在春秋季为2～3.5µg/m3；夏季整体降低为1.5～3µg/m3；冬季全年最高，浓度最低的沿海地区都达到了3～4µg/m3，盐都、建湖、阜宁和东台地区达到了5µg/m3。盐城市的黑碳气溶胶浓度与温度、降水、风速呈显著负相关，与气压呈显著正相关。2010～2020 年盐城市黑碳气溶胶浓度总体呈波动下降趋势，2010～2012 年从3.8µg/m3下降到3.3µg/m3；之后几年迅速上升，2015 年达到3.9µg/m3；接着又逐渐降低，2018 年达到3.2µg/m3。