不同天氣狀況寶雞市黑碳氣溶膠污染特征分析

張 歡 樊 儒 羅相林 李 龍

（寶雞文理學院地理與環境學院陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室 陜西寶雞 721013）

引言

黑碳（black carbon，BC）是氣溶膠的重要組成成分，對太陽輻射、環境空氣質量、人類身體健康、全球氣候變化有著不可忽視的影響[1]。近些年來，隨著工業化的快速發展，空氣污染也愈發嚴重。從20 世紀70 年代開始，國際上就開始對南北極等極地地區的黑碳氣溶膠濃度特性進行研究探索[2～4]。國內從20 世紀90 年代在瓦里關本底站對BC 進行監測[5]。之后，眾多學者開始關注其他地區BC 氣溶膠的污染特征，國內有武漢[6]、南京[7][8]、成都[9]、廣州[10]、西安[11]等都有相關數據報道。

國內外主要對黑碳的溫室效應、健康效應以及其來源進行研究[12～14]。相關研究表明大氣中BC 氣溶膠來源主要包括自然源和人為源，自然源主要來自火山爆發和森林大火等，而人為源主要來自生物質和化石燃料等物質的不完全燃燒，因此城市中工業和交通運輸是BC 的主要來源[15～17]。

蘭劍等[18]通過對上海市2014 年黑碳氣溶膠的監測發現，其日變化呈雙峰型，BC 濃度季節變化呈冬季高夏季低的趨勢。

孫天林等[19]通過對東莞市的BC 氣溶膠數據監測后，發現BC 氣溶膠頻率呈正態分布，其濃度呈干季高，濕季低的趨勢。

關亞楠等[20]利用石家莊南郊的BC 濃度數據分析后發現，BC 潛在源區主要集中于山西中部、河北南部以及河南北部。陳程等[21]利用連云港2016 年的BC 氣溶膠數據分析后，發現BC 濃度與能見度和風速呈負相關。

程丁等[22]通過對2014 年1 月1 日-2015 年6 月30 日深圳郊區和城區的BC 數據進行監測，分析發現城區污染比郊區較為嚴重。周變紅等[23]對2018 年1 月1 日-3 月31 日寶雞市BC 濃度進行觀測，發現BC 平均濃度為0.63 μg/m3，日變化呈雙峰雙谷型。

寶雞處于汾渭平原的西部，北鄰渭河，南依秦嶺。近年來開展了黑碳氣溶膠的研究，Zhou 等[24]對2015 年寶雞市的BC 質量濃度進行觀測，發現BC 濃度與人類活動及氣象因素相關。

本文利用2017 年12 月1 日-2017 年12 月31日寶雞市高新區BC 氣溶膠數據以及同期污染物（PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO）數據，對其來源進行分析研究，為寶雞市未來大氣污染防范與治理提供參考依據。

研究區選擇寶雞文理學院東區明理樓的樓頂，采樣點周圍沒有明顯的工業污染源，距地面大約20 m。

1 觀測儀器和觀測時間

觀測期間使用的監測儀器為Magee Scientific Company（美國瑪基科技公司）生產的AE-31 型黑碳儀。AE-31 型黑碳儀共有7 個測量通道，分別為370，470，520，590，660，880 和950 nm，采樣所用的是PM2.5 切割頭，其時間分辨率為5 min，本文采用波長為880 nm 的測量通道數據，觀測時間為2017年12 月1 日-2017 年12 月31 日，剔除因斷電、設備出現故障以及維護期間缺失的數據，有效觀測日數共計29 d，資料有效率為90.5%。

觀測期間寶雞市空氣質量較差，觀測資料能夠反映出黑碳氣溶膠污染的峰值，有利于評估嚴重污染階段BC 的來源。觀測時間為2017 年12 月1 日-2017 年12 月31 日。利用該時間段內BC 氣溶膠數據和同期污染物（PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO）數據，分析了BC 濃度的變化特征，且利用SPSS 對BC濃度和PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO 進行相關性分析研究。

根據 《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）中PM2.5 質量濃度二級標準限值（75 μg/m3）可知，觀測期間超過二級標準限值有16 d，有12 d 空氣質量為良級別（50＜AQI≤100），有10 d 空氣質量為輕度污染級別（100＜AQI≤150），有5 d 空氣質量為中度污染級別（150＜AQI≤200），有3 d 空氣質量為重度污染級別（200＜AQI≤300），有1 d 空氣質量為嚴重污染級別（AQI≥300）。

觀測點旁設國控站點，有六要素PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO 的同步觀測儀器。

2 結果與分析

2.1 BC濃度時間變化特征

2017 年12 月1 日-31 日寶雞高新區BC 濃度平均值為1.7 μg/m3，觀測期間最大值出現在12 月28日，BC 濃度為3.4 μg/m3，最小值出現在12 月7 日，BC 濃度為0.9 μg/m3。為了進一步研究不同污染天氣下，BC 濃度的變化，對觀測期間數據進行統計分析發現，當空氣質量為“良”時，BC 濃度為1.3 μg/m3，當空氣質量為“輕度污染”時，BC 平均濃度為1.7 μg/m3，當空氣質量為“中度污染”時，BC 平均濃度為2.1 μg/m3，當空氣質量為“重度及以上污染”時，BC 平均濃度為2.5 μg/m3，表明BC 濃度隨著空氣質量的變差而逐漸升高。

2.2 不同天氣條件下BC濃度的日變化

對不同天氣條件下BC 濃度的日變化進行分析研究發現，當空氣等級為“良”、“輕度污染”、“中度污染”、“重度及以上污染”時，BC 濃度日變化趨勢基本一致，均呈雙峰雙谷型，且污染越重，BC 的濃度越大。不同天氣條件下BC 濃度第一個峰值均出現在08:00～09:00，清晨伴隨著早高峰的開始，車流量逐漸增加，汽車尾氣排放導致BC 氣溶膠濃度升高，污染嚴重時，加之大氣層較穩定，故BC 氣溶膠濃度會更高；午后隨著光照增強，太陽輻射增加，對流活動逐漸增強，擴散條件變好，BC 氣溶膠濃度逐漸降低，在15:00～16:00 達到一天的最小值；之后隨著晚高峰的到來，車輛逐漸增多，大氣層較穩定，故在18:00～20:00時間段BC 濃度達到另一個峰值，夜間隨著人類活動的減少，BC 濃度會在凌晨04:00～05:00 達到另一個谷值。

2.3 不同天氣條件下BC濃度和污染物相關性分析

為了進一步研究BC 濃度與PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO 這五種主要污染物濃度間的關系，利用SPSS 對不同天氣條件下的BC 濃度和同期PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO 濃度進行Pearson 相關性分析，發現當空氣質量為 “良” 時，BC 濃度與PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO 均呈正相關，相關系數分別為0.372，0.549，0.250，0.590 和0.629，表明空氣質量為“良”時，BC 濃度和PM2.5、NO2、CO 相關性較高，說明BC 可能來源于含碳物質不完全燃燒，機動車尾氣的排放等。

當空氣質量為“輕度污染”時，BC 濃度與物種污染物相關系數從大到小依次為0.707（PM2.5）＞0.674（CO）＞0.519（NO2）＞0.287（SO2）＞0.282（PM10），在此空氣質量下BC 的污染來源與空氣質量為“良”時基本一致，但是“輕度污染”時，相關性更高一些。當空氣質量為“中度污染”時，BC 濃度只與PM2.5 和NO2呈正相關，相關系數分別為0.361 和0.323，表明BC主要來源于汽車的尾氣排放，且與PM2.5 有部分共同源。

當空氣質量為“重度及以上污染”時，BC 濃度與PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO 濃度相關系數依次為0.211、0.434、0.490、0.513 和0.421，表明BC 除受含碳物質不完全燃燒，機動車尾氣排放影響外，可能還受工業燃煤等的影響。

結語

觀測期間BC 濃度平均值為1.7 μg/m3，并且通過對BC 濃度與PM10，PM2.5，SO2，NO2和CO 濃度相關性分析以及BC 日變化分析發現，BC 濃度均與PM2.5、NO2、CO 相關性較高，表明寶雞市BC 主要來源于含碳物質不完全燃燒，機動車尾氣排放以及工業燃煤等。BC 濃度日變化呈雙峰雙谷型，BC 濃度均與PM2.5、NO2、CO 相關性較高，說明在早晚高峰期時，須加強對冒黑煙車輛，不達標排放非道路移動機械排查管理，減少汽車尾氣污染；并且建議加強對揚塵的管控，多灑水降塵，加大道路保潔的頻次和力度；加強管控露天焚燒行為，嚴禁焚燒生物質、生活垃圾等。