全國大氣背景地區黑碳濃度特征

張 霞，余益軍，解淑艷，孟曉艷，齊煒紅，王 帥，潘本鋒

1.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012 2.常州市環境監測中心，江蘇 常州 213001 3.邯鄲市環境監測中心站，河北 邯鄲 056002

近年來，我國大中城市顆粒物污染發生頻率高，持續時間長，細顆粒物中不同組分對太陽輻射的吸收和散射作用直接導致能見度降低，同時影響輻射強迫、擾動區域氣候變化；另外，氣溶膠，尤其是黑碳(Black Carbon, BC)氣溶膠粒子中的多種化學組分與人體健康密切相關，并且黑碳的輻射強度介于二氧化碳和甲烷之間，是影響全球變暖僅次于二氧化碳的第二位重要因素[1]，成為環境科學界的研究熱點之一。黑碳氣溶膠的研究歷史較短，黑碳測量技術和方法有較大的不確定性，20世紀80年代，我國有關于氣溶膠吸收系數觀測方法的相關研究[2-3]，自20世紀90年代開始在少數大氣本底站和部分城市開展了黑碳觀測研究，湯潔等[4]于1991年在臨安大氣本地站、1998年在拉薩等地區開展了短期的黑碳濃度觀測研究，王庚辰等[5]于北京郊區開展了黑碳濃度觀測，同時在北京、上海、天津、重慶[6-11]等分別有相關工作見諸報道，得出了OC和EC在PM2.5和PM10的濃度分布特征；吳兌等[12]在2004—2007年對廣州番禺大氣成分站進行黑碳濃度與吸光系數研究，得出廣州地區黑碳濃度變化情況，是時間較長的一次單站點觀測。這些觀測研究對了解城市的黑碳分布特征提供數據支撐，但在更大尺度掌握黑碳的污染特征仍顯不足。

為了反映全國整體層面的環境空氣質量狀況，監控空氣質量狀況和變化趨勢及污染在大氣環流作用下對區域的影響，國家環境保護部統一布局，構建了大氣背景站監測網絡，在15個背景站開展了黑碳氣溶膠監測，為黑碳氣溶膠在大尺度上的研究提供基礎數據。本研究探討了背景地區的黑碳濃度水平及其變化特征。

1 研究方法

1.1 數據來源

14個背景站黑碳自動在線監測(西沙背景站2015年尚未開展監測)，相關信息見表1，數據采集時間均為2015年1月1日至12月31日。

表1 14個背景站點位信息

1.2 儀器和數據處理

采樣儀器為美國AE-31型黑碳儀，具有370、470、520、590、660、880、950 nm等7個波長測量通道。黑碳儀利用黑碳氣溶膠在一定波長范圍內能有效吸收入射電磁波的原理，測量氣溶膠樣本的光學衰減量，從而確定大氣中黑碳氣溶膠的含量。黑碳儀采用PM2.5切割頭進行采樣，采樣流量為5 L/min，時間分辨率為5 min。

為保證數據可比性，本研究數據有效性規定：參照《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)常規污染物項目監測數據統計的有效性規定要求，日均值至少有分布均勻的20個有效小時質量濃度均值數據。考慮到背景站地理位置的特殊性，本文規定：月平均濃度至少有分布均勻的20個有效日均濃度數據，季均濃度至少有2個有效月均值，年均濃度需有4個有效季均值。

在相關性分析部分，采用7個測量通道 (370、470、520、590、660、880、950 nm) 的數據，其他部分采用880 nm測量通道的數據。

2 結果與討論

2.1 小時濃度均值分布特征

表2為14個背景站880 nm波長時黑碳小時質量濃度均值、中值、標準差、極大值和極小值的分布情況。從表2可以看出，14個背景站880 nm波長時黑碳小時質量濃度均值介于88.7 ng/m3(納木措)和1 487.6 ng/m3(長島)之間，中值介于72.0 ng/m3(納木措)和1 055.3 ng/m3(長島)之間，標準差介于69.7(納木措)和1 395.5(長島)之間，小時質量濃度最小值基本在1.0 ng/m3左右，門源和長島較高，超過8 ng/m3，小時質量濃度最大值差別較大，介于685.0 ng/m3(納木措)和13 731.0 ng/m3(長島)之間；取各小時質量濃度均值對數后的頻數呈典型正態分布特征，分別以納木措、呼倫貝爾和長島為例，其頻數分布如圖1所示。

表2 14個背景站(880 nm)黑碳小時質量濃度的分布

注：基于黑碳有效小時數據統計。

圖1 不同濃度水平典型背景站黑碳小時質量濃度均值分布Fig.1 Distributions of houly BC concentrations (880 nm) in typical background sites

分析代表不同濃度水平的海螺溝、玉龍雪山、納木措、喀納斯、龐泉溝、長島和衡山7個背景站的日變化特征，結果如圖2所示。選取的7個背景站日變化特征基本呈現“單峰”型，但峰值出現時間有所不同，如濃度較低的納木措背景站黑碳濃度峰值出現在10：00，而喀納斯背景站黑碳濃度峰值則出現在14：00；海螺溝背景站黑碳濃度峰值時間較寬；濃度較高的長島、衡山2個背景站黑碳濃度峰值分別出現在12：00、15：00，各時刻間濃度差異較明顯，龐泉溝背景站各時刻分布差異不大。

圖2 7個背景站黑碳質量濃度日變化特征Fig.2 Durnal variations of BC concentrations (880 nm) in different background sites

峰值出現時間及其跨度取決于污染源的變化以及大氣邊界層內氣象要素的變化[13]，魏楨等[14]在合肥發現黑碳日變化呈現特別明顯的雙峰型現象，與城市早晚高峰的出行(污染源)、夜間大氣邊界層降低等有關。針對背景站日變化趨勢之間的區別，日間濃度升高開始時間與背景站所處的經度有關，如地處最西側的喀納斯背景站出現濃度快速上升的時間最晚；其峰值和寬度應與區域污染狀況有關，其影響的規律有待進一步研究。

2.2 日均值和月均值特征

各背景站黑碳日均濃度分布范圍見圖3(端點代表最大值和最小值，盒子上下兩端分別代表第75百分位數和第25百分位數，盒子中間橫線代表平均值)。2015年長島和衡山濃度明顯高于其他背景站，海螺溝、納木措等12個背景站日均質量濃度第10百分位數和第90百分位數分別為64.1、773 ng/m3，這反映了我國背景站黑碳的平均本底和平均峰值情況。長島的黑碳濃度明顯高于其他背景站，低于城市站，該背景站海拔低，地處渤海海峽、黃渤海交匯處，北距遼東半島超60 km，南距膠東半島超50 km，距城市較近，反映了該點位受山東半島及環京津冀區域的影響[15]。

從月均變化趨勢看，納木措和喀納斯月均濃度變化特征不明顯，長島、武夷山、衡山呈現“中間低兩頭高”的特征，其他背景站總體上冬季相對較高，夏季相對較低，其他月份變化特征不明顯(圖4)。

2.3 年均濃度特征

14個背景站黑碳年均質量濃度為88.3～1 468.2 ng/m3(表3)，其中納木措和喀納斯黑碳年均質量濃度小于100 ng/m3，呼倫貝爾、玉龍雪山、海螺溝、神農架、門源等9個背景站的黑碳年均質量濃度為199.1～640.7 ng/m3，長島最高(年均質量濃度為1 468.2 ng/m3)，衡山次之(年均質量濃度為976.9 ng/m3)。

圖3 2015年14個背景站黑碳(880 nm)日均濃度分布盒須圖Fig.3 Box-plots of daily averaged BC concentrations (880 nm) in 14 background sites in 2015

圖4 2015年14個背景站黑碳(880 nm)月均質量濃度變化曲線Fig.4 Monthly-averaged BC concentrations (880 nm) in 14 background sites in 2015

結合部分已公開發表研究[8，16-22]成果，比較主要背景站和其他背景站的黑碳濃度水平，具體見表3。整體而言，背景站黑碳濃度明顯低于城市濃度；納木措、喀納斯、呼倫貝爾和玉龍雪山4個背景站黑碳濃度低于瓦里關全球大氣本底站，但高于人類活動相對較少的北冰洋、白令海等區域；神農架背景站黑碳濃度與瓦里關接近。

2.4 與風向風速的關系

氣象因素(如風向風速)對黑碳濃度變化也有影響[23]。以緯度相近的門源和長島為例，分析黑碳濃度與風向風速的關系，結果如圖6所示。雖然各背景站相對遠離城市，但仍受附近城市(群)的遠距離輸送影響。如長島站，位于山東半島的東北面，西南風向時黑碳小時濃度均值較高。

再以門源背景站為例，黑碳濃度較高時刻的風向主要是南風或者東南風(門源縣城位于該點SE方向約35 km位置，海北藏族自治州位于該點SSW方向約80 km位置，西寧則位于該點SSE方向約110 km處)。選取門源背景站黑碳小時質量濃度均值相對較高的2個時刻為2015年3月31日01：00和2015年12月12日10：00，以及處于第90百分位數(可視為平均峰值)的2015年4月30日08：00，在地面30、100、300 m高度進行后向軌跡分析[24-25]，結果(圖6)表明，這些重污染的典型時刻，氣流主要來自東南方向，也就是這些城市所在的方向。

2.5 黑碳對污染事故的反映

黑碳儀可同時進行7個波長的監測，不同波長監測的結果代表了不同類型的黑碳，因此正在被發展成源解析的手段。如一般認為370 nm可用于測量煙草、木頭等燃燒產物，而880 nm主要用于識別煤炭和機動車燃燒產物[26]。

表3 14個背景站黑碳濃度與城市、區域黑碳濃度比較

圖5 風向和風速與典型背景站黑碳質量濃度分布關系Fig.5 Relationships of wind speed and direction with BC concentrations in Menyuan and Changdao station

圖6 門源站典型時刻的24 h后向軌跡圖Fig.6 24 hour back-trajectory analysis of air parcels in Menyuan site

2015年4月13日呼倫貝爾發生由俄羅斯境外火引發的草原大火，自10:30外火從八大關處燒入陳巴爾虎旗，13:10火勢蔓延至額爾古納市的黑山頭鎮梁東地區，直至次日凌晨被撲滅[27]。呼倫貝爾背景站受該火災影響，此時段內PM10、PM2.5質量濃度和處于370 nm、880 nm的黑碳質量濃度如圖7所示。

圖7 2015年4月13日呼倫貝爾草原大火顆粒物和黑碳質量濃度變化Fig.7 Trends of BC, PM2.5 and PM10 in Hulunbeier during forest fires on 2015-04-13

PM10和PM2.5濃度在2015年4月13日18:00開始出現大幅升高，21:00達到峰值。在快速爬升階段，370 nm測得黑碳相對濃度升高速率與PM2.5、PM10的相對濃度升高速率高度吻合，可見370 nm在生物質燃燒引起的黑碳監測具有較好的指示作用。

針對不同波長的babs(吸收系數)與(1/λ)α(λ為波長，α為波長指數)成正比關系，該指數可指征不同類型的燃燒，如對于生物質燃燒形成的黑碳，α≈2或更高，而化石燃料燃燒形成的α≈1[28]。2015年4月13日呼倫貝爾背景站黑碳各時刻α值與黑碳濃度的關系如圖8所示，α值與黑碳濃度同步升高，最高接近于2，可見此時段內黑碳濃度升高確實由于生物質燃燒(草原大火)引起。

3 結論

1)2015年全國14個背景站的黑碳小時質量濃度均值呈明顯的對數正態分布特征，14個背景站880 nm波長時黑碳年均質量濃度為88.7～1 487.6 ng/m3，小時最大峰值為685.0～13 731.0 ng/m3，其中長島和衡山的黑碳濃度較高。

2)各背景站黑碳小時濃度日變化基本呈現“單峰”狀，峰值出現的時間有所不同，與所代表地區污染排放狀況、氣象條件變化規律有關。背景站黑碳月際濃度變化特征為冬季高、夏季低。

圖8 黑碳波長指數與黑碳濃度的時間變化趨勢Fig.8 Trends of absorption exponent alpha and black carbon concentrations

3)緯度相近的門源和長島2個典型背景站黑碳濃度分析顯示，風向對黑碳濃度有較明顯影響，可能是受附近城市(群)的遠距離輸送影響，后向軌跡分析也印證了這個結論。

4)2015年4月13日內蒙古草原大火期間，呼倫貝爾背景站370 nm波長時黑碳濃度明顯升高，印證了370 nm波長時黑碳濃度對生物質燃燒影響有較好的響應。

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