天津市APEC期間黑碳氣溶膠觀測研究

畢溫凱，唐 邈，楊 寧，高璟赟，李 源，李 丹，張 寬

(天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191)

天津市APEC期間黑碳氣溶膠觀測研究

畢溫凱，唐 邈，楊 寧，高璟赟，李 源，李 丹，張 寬

(天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191)

摘要：利用AE-31型黑碳儀在APEC期間對天津進行了黑碳氣溶膠濃度監(jiān)測，分析了APEC期間氣象因素對黑碳氣溶膠的影響結果，監(jiān)測結果表明APEC期間天津市黑碳氣溶膠平均濃度為4.8μg/m3，占同期PM2.5濃度的7.1%，并通過數據對比說明APEC期間天津市采取的最高級別應急減排措施對保障環(huán)境空氣質量起到了積極作用。

關鍵詞：亞太經合組織；黑碳氣溶膠；觀測

1引言

黑碳氣溶膠主要由含碳物質不充分燃燒熱解產生，煤、石油、木碳以及柴草等燃燒都會產生大量的黑碳氣溶膠。黑碳氣溶膠的化學結構決定了它在環(huán)境空氣中的惰性，除物理擴散及沉降外，黑碳氣溶膠本身難以清除。作為PM2.5中重要的污染物，黑碳氣溶膠的以上特性使其多作為環(huán)境空氣中PM2.5一次污染排放的代表性污染物，黑碳氣溶膠占PM2.5質量濃度的百分比可用于表示一次排放污染物所占比重。

2014年11月亞太經濟合作組織(APEC)會議在北京召開,為響應國家要求，確保APEC期間北京市環(huán)境空氣質量達標，天津市政府于APEC期間在全市行政區(qū)域范圍內實施了包括重點行業(yè)企業(yè)限產限排，施工工地揚塵污染控制，禁止露天燒烤，機動車單雙號限行等最高級別應急減排措施.本文利用黑碳儀連續(xù)監(jiān)測APEC前后天津市黑碳氣溶膠濃度，討論了天津市在APEC期間黑碳氣溶膠濃度變化特征， 并結合氣象數據分析黑碳氣溶膠的變化特征及可能的影響因素，同時研究了PM2.5中黑碳氣溶膠所占質量百分比，以綜合說明APEC期間天津市黑碳氣溶膠變化。

2材料與方法

2.1　黑碳儀

本次監(jiān)測采用AE-31型黑碳儀(Magee scientific Inc ，USA)，該儀器可同時使用370，470，520，590，660， 880和950nm 7個波段的光源測量黑碳氣溶膠的光吸收，計算黑碳氣溶膠濃度，時間分辨率可達1min。

AE-31型黑碳儀采用“時間差分測量方式”進行監(jiān)測，即在抽氣泵的作用下，環(huán)境空氣連續(xù)通過黑碳氣溶膠濾膜采樣區(qū)，每隔一個時間周期，儀器開/關測量光源一次，測量有光源照射和無光源照射2種條件下黑碳氣溶膠采樣區(qū)和參照區(qū)的光強信號。通過采樣區(qū)光學衰減量，計算得到該測量周期內收集的黑碳氣溶膠質量，再除以此段時間通過的采樣體積，即計算出采樣空氣流中的平均黑碳濃度。如果測量周期與所關注的空氣質量變化時間尺度相比較短時，可以認為觀測是連續(xù)的。如果平均濃度從一個觀測周期到下一個周期的變化不大，則認為該平均值合理反映了該測量周期內環(huán)境空氣的實際黑碳濃度。

采樣區(qū)氣溶膠樣品光學削減ATN按照如下公式進行計算：

ANT=100×In[(SB-SZ)/(RB-RZ)]

(1)

式中：SB、SZ、RB、RZ分別為采樣區(qū)“亮”信號、采樣區(qū)“暗”信號、參照區(qū)“亮”信號和參照區(qū)“暗”信號。某一個測量周期與上一個測量周期間的采樣點光學衰減量ΔATN與采樣點的黑碳氣溶膠質量增量Δ(MBC)成正比：

ΔATN=ATN-ATN0=σ×Δ(MBC)

(2)

式中：σ為黑碳氣溶膠當量衰減系數，cm2/g；ATN為本測量周期光學衰減；ATN0為上一測量周期光學衰減；Δ(MBC)為采樣區(qū)單位黑碳沉積量增量。設采樣點的面積為A，采樣的體積流速為F，則相鄰兩個采樣周期(時間差為T)內環(huán)境空氣中平均黑碳濃度[BC]為：

[BC]=Δ(MC)×A×109/F×T

(3)

2.2　監(jiān)測地點及時間

監(jiān)測地點位于天津市環(huán)境監(jiān)測中心大氣環(huán)境多參數監(jiān)測站(117°09′E、39°06′N)，黑碳氣溶膠采樣儀距地面高度23m，距監(jiān)測站房頂1m。監(jiān)測時間為2014年11月3日至11月17日。

3結果與討論

3.1　黑碳氣溶膠濃度變化特征

本文取2014年11月3日至5日代表APEC前期，2014年11月6日至11日代表APEC期間，2014年11月12日至17日代表APEC后期。圖1為監(jiān)測期間黑碳氣溶膠日平均濃度，監(jiān)測期間黑碳氣溶膠平均濃度為4.8μg/m3，其中APEC前期平均濃度為5.1μg/m3，APEC期間平均濃度為5.3μg/m3，APEC后期平均濃度為4.2μg/m3。這一結果顯著低于2001年在北京的觀測值10.3μg/m3，說明APEC期間天津市本地污染源控制效果顯著。

在污染源排放穩(wěn)定的前提下，黑碳氣溶膠逐日變化情況與天氣條件密切相關，監(jiān)測期間屬于冬季，黑碳氣溶膠濃度變化情況主要受冷空氣、靜穩(wěn)天氣及風向影響。如APEC前期天津市以偏東風為主，風自大海吹來，空氣相對干凈，黑碳氣溶膠濃度處于中間水平(5.1μg/m3)；APEC期間天津市以偏南風為主，風速較低，天氣相對靜穩(wěn)且從南部地區(qū)傳輸污染物，不利于環(huán)境空氣質量改善，黑碳氣溶膠濃度處于較高水平(5.3μg/m3)，APEC后期天津市冷空氣基本為北風，風速較高且較為清潔，能夠迅速吹散污染，改善環(huán)境空氣質量，黑碳氣溶膠濃度處于較低水平(4.2μg/m3)。

圖1中11月6日和11月11日受冷空氣影響(均為偏北風，平均風速分別約為1。8m/s，2.3m/s)，黑碳氣溶膠濃度均較低，其中11月12日出現(xiàn)APEC期間黑碳氣溶膠最低值1.2μg/m3。11月10日受低壓系統(tǒng)影響，天氣靜穩(wěn)(偏南風，平均風速約0.7m/s)，黑碳氣溶膠達到最大數值9.2μg/m3，是監(jiān)測期間最小值1.2μg/m3的7.7倍。

圖1　APEC會議期間天津市黑碳氣溶膠質量濃度情況

圖2中為APEC期間黑碳氣溶膠小時濃度變化情況，整體呈現(xiàn)雙峰型。APEC期間黑碳氣溶膠峰值出現(xiàn)在6時與22時，谷值出現(xiàn)在13時至16時，出現(xiàn)以上規(guī)律與機動車限行減少白天機動車黑碳氣溶膠排放和混合層高度變低出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象等情況有關。

圖2　APEC會議期間天津市黑碳氣溶膠小時變化情況

3.2　PM2.5質量濃度與PM2.5中黑碳氣溶膠濃度的關系

圖3是APEC期間PM2.5的小時質量濃度與PM2.5中黑碳氣溶膠小時質量濃度的回歸關系圖，兩者相關系數為0.806，說明在絕大多數情況下兩者的來源是一致的。

圖3　PM2.5的小時質量濃度與PM2.5中黑碳氣溶膠小時質量濃度的關系

利用APEC期間天津市環(huán)境監(jiān)測中心空氣自動監(jiān)測站PM2.5監(jiān)測數據和黑碳監(jiān)測器對應數據進行比較，計算得到PM2.5中黑碳所占質量濃度百分比，其中APEC前期為7.3%，APEC期間為7.1%，APEC后期為9.0%。結合天津市APEC期間環(huán)境空氣質量保障措施來看，APEC前期天津市主要對工業(yè)企業(yè)和土石方作業(yè)進行管控;APEC期間增加施工工地和機動車管控。APEC期間及APEC前期黑碳氣溶膠占PM2.5質量濃度百分比明顯低于APEC后期，說明APEC期間一次生成的PM2.5比重明顯降低，天津市APEC期間環(huán)境空氣質量保障工作起到了積極效果。

4結論

(1)天津市APEC期間整體黑碳氣溶膠平均值為4.8μg/m3，其中APEC前期平均值為5.1μg/m3， APEC期間平均值為5.3μg/m3，APEC后期平均值為4.2μg/m3。

(2)黑碳氣溶膠質量濃度變化受氣象條件影響較大，早晚出行高峰期濃度相對較高，最低值出現(xiàn)在午后。

(3)黑碳氣溶膠與細粒子相關性顯著，兩者來源較為一致。

(4)APEC期間黑碳氣溶膠濃度占PM2.5比重顯著低于APEC后期，說明天津市APEC期間環(huán)境空氣質量保障工作起到了積極作用。

參考文獻：

[1]許黎，王夏強，陳振林.黑碳氣溶膠研究進展Ⅰ:排放、清除和濃度[J].地球科學進展，2006，21(4):352～360.

[2]婁淑娟，毛節(jié)泰，王美華.北京地區(qū)不同尺度氣溶膠中黑碳含量的觀測研究[J].環(huán)境科學學報，2005，25(1):17～22.

[3]趙敬德，亢燕銘.黑碳氣溶膠濃度測量的研究進展[J].能源與環(huán)境，2007(3):92～94.

[4]王月華，湯莉莉，鄒強.蘇州地區(qū)黑碳氣溶膠季節(jié)變化研究[J].環(huán)境工程，2014(32):544～547.

[5]Andrews E，Larson S.Effect of sulfactant layers on the size changes of aerosol particles as a function of relative humidity[J].Environmental Science & Technology，1993，27: 857~865.

[6]Bond T，Streets D，Yarber K，et al.A technology-based global inventory of black and organic carbon emissions from combustion[J]. Journal of Geophysical Research-Atmospheres，2004，109:D14203.

[7]孫杰，孫天樂，何凌燕.深圳市環(huán)境空氣中黑碳氣溶膠的污染特征研究[J].中國測試，2012，38(3):8~11.

[8]陶俊，朱李華，韓靜磊.2007年春季廣州城區(qū)黑碳氣溶膠污染特征的初步研究[J].氣候與環(huán)境研究，2008，13(5):658~662.

[9]潘小樂，王自發(fā)，王喜全.2008年北京奧運會前后城區(qū)黑碳氣溶膠濃度的變化特征[J].氣候與環(huán)境研究，2010，15(5): 616~623.

[10]張燦，周志恩，翟崇.重慶市氣溶膠特征及影響因素初探[J].環(huán)境科學學報，2014，34(4):812~818.

[11]楊溯，張武，韓晶晶.上海市浦東新區(qū)秋冬季黑碳氣溶膠特性[J].蘭州大學學報：自然科學版，2008，44(4):66~70.

[12]張華，王志立.黑碳氣溶膠氣候效應的研究進展[J].氣候變化研究進展，2009，5(6):311~317

Observation and Investigation of Black Carbon Aerosols in Tianjin During the APEC

Bi Wenkai, Tang Miao, Yang Ning, Gao Jingyun, Li Yuan, Li Dan, Zhang Kuan

(TianjinEnvironmentalMonitoringCenter,Tianjin300191,China)

Abstract:The concentration of black carbon aerosols in Tianjin during the APEC period is monitored by using AE-31 type's black carbon analyzer. The article analyzes the influence of meteorological factors on black carbon aerosols. The monitoring results show that the average concentration of black carbon aerosol is up to 4.8μg/m3during the APEC, which accounts for 7.1% of PM2.5concentration over the same period. Through the date comparison, the results demonstrate that a series of the highest level of emergency mitigation measures taken by Tianjin government during the APEC have played a positive role in protecting the ambient air quality.

Key words:Asia-Pacific Economic Cooperation; black carbon aerosols; observation

中圖分類號：X513

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2015)04-0177-03

通訊作者：唐邈(1983—)，男，天津人，工程師，主要從事環(huán)境空氣質量監(jiān)測與評價等方面的研究。

作者簡介：畢溫凱(1988—)，男，內蒙古赤峰人，助理工程師，主要從事環(huán)境空氣質量監(jiān)測與評價等方面的研究。

基金項目：天津市重大科技專項項目(編號：14ZCDGSF00027)；天津市科技計劃項目(編號：13ZCZDSF14600)資助

收稿日期：2015-02-28