杜川利,余 興,李星敏,陳 闖,王繁強(qiáng),彭 艷,董 妍,董自鵬 (陜西省氣象科學(xué)研究所,陜西 西安 710015)

黑碳是含碳物質(zhì)在不完全燃燒中產(chǎn)生的顆粒物,是元素碳及其黏附在一起的一些有機(jī)物的混合物.除了自然產(chǎn)生的森林大火外,大部分的黑碳主要由人為活動(dòng)產(chǎn)生,如燃料燃燒以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中物質(zhì)的燃燒,因此大氣氣溶膠中的黑碳常常被用作人類(lèi)活動(dòng)的指示物[1].黑碳在大氣中可滯留 1周左右,通過(guò)干沉降和降雨、雪等濕沉降過(guò)程被清除,據(jù)統(tǒng)計(jì),每年通過(guò)干、濕去除過(guò)程向全球海洋沉降的黑碳量分別為2和 10Tg/a[2].基于2000年統(tǒng)計(jì)資料顯示,全球化石燃料燃燒排放的黑碳?xì)馊苣z為(以C 計(jì))2.8Tg/a,且從20世紀(jì)50年代以來(lái)增加了約3倍,黑碳排放中心從北美和西歐向位于熱帶地區(qū)和東亞的發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移[3],其中我國(guó)2000年排放149.94萬(wàn)t,成為全球重要的碳排放源.

黑碳?xì)馊苣z作為氣溶膠的一種,對(duì)于氣候變化和大氣環(huán)境有著非常重要的影響[4].氣溶膠可以通過(guò)直接和間接兩種效應(yīng)作用于大氣輻射強(qiáng)迫過(guò)程,而黑碳?xì)馊苣z在上述兩種效應(yīng)中均占有重要地位[5].黑碳?xì)馊苣z對(duì)太陽(yáng)輻射的強(qiáng)烈吸收作用,以及潛在的氣候強(qiáng)迫效應(yīng)已成為氣溶膠氣候效應(yīng)研究中的一個(gè)重要內(nèi)容[6-7].

從 20世紀(jì) 80年代開(kāi)始,世界氣象組織(WMO)全球大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)(GAW)的各監(jiān)測(cè)站普遍開(kāi)展大氣本底黑碳?xì)馊苣z連續(xù)觀測(cè).我國(guó)相關(guān)的研究工作開(kāi)展較晚,到20世紀(jì)90年代以后,才陸續(xù)開(kāi)始在臨安[8]、北京[9]、瓦里關(guān)[10]、南京[11]等地開(kāi)展黑碳?xì)馊苣z觀測(cè).

我國(guó)目前有不少大氣成分觀測(cè)站,使不少地區(qū)大氣中黑碳?xì)馊苣z含量及變化規(guī)律得到確認(rèn).蔡子穎等[12]發(fā)現(xiàn)天津市夏季黑碳?xì)馊苣z濃度均值為6.3μg/m3,占PM10質(zhì)量濃度的4.17%,其吸收消光占?xì)馊苣z總體消光的 10.23%.張磊等[13]發(fā)現(xiàn)沙塵氣溶膠對(duì)黑碳濃度的影響取決沙塵過(guò)程的強(qiáng)度、沙塵攜帶的人為污染物的種類(lèi)及數(shù)量、黑碳顆粒被其他氣溶膠混合和包裹的程度.吳兌等[14]利用其他儀器對(duì)黑碳儀觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了訂正,并分別測(cè)量了 PM10、PM2.5、PM1.0中黑碳的濃度,分析了黑碳濃度與吸收系數(shù)、濁度計(jì)觀測(cè)的散射系數(shù)、以及導(dǎo)出的單次散射反照率.車(chē)慧正等[15]利用天空輻射計(jì)得到北京地區(qū)大氣氣溶膠單次散射反照率和粒子譜分布變化特征,發(fā)現(xiàn)冬季由于黑碳?xì)馊苣z吸收影響會(huì)降低氣溶膠單次散射反照率.朱崇抒等[16]發(fā)現(xiàn)西安黑碳?xì)馊苣z濃度變化幅度很大,全年黑碳日均濃度變化范圍為 1.4～30μg/m3,平均值為 10μg/m3,秋、冬季其濃度具有明顯的雙峰特征.

西安涇河大氣成分觀測(cè)站建在西安涇河經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)一座小山上,距離市中心直線距離20.5km,南鄰渭河,周?chē)容^空曠,沒(méi)有高大的建筑物群,也沒(méi)有明顯的黑碳排放源.與文獻(xiàn)[17]觀測(cè)站的位置相比,遠(yuǎn)離都市中心,適合測(cè)量較大區(qū)域黑碳?xì)馊苣z、顆粒物濃度等大氣污染.西安作為我國(guó)西北重要的政治、文化、經(jīng)濟(jì)中心,具有不同于其他城市的大氣污染特征,因此,將涇河站作為代表站,對(duì)西安地區(qū)黑碳?xì)馊苣z、消光系數(shù)、吸收系數(shù)等表征大氣氣溶膠狀況的物理參量進(jìn)行研究,可以更好地了解西北內(nèi)陸城市黑碳?xì)馊苣z的分布特征和變化規(guī)律,對(duì)研究大氣環(huán)境污染、氣溶膠氣候效應(yīng)有重要意義.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究資料

本文所用數(shù)據(jù)主要有黑碳質(zhì)量濃度、顆粒物濃度、大氣能見(jiàn)度、以及相關(guān)時(shí)間段的邊界層探空數(shù)據(jù)、常規(guī)氣象數(shù)據(jù)等,起止時(shí)間為2011年6月1日～8月31日.黑碳濃度資料由中國(guó)氣象局大氣成分觀測(cè)網(wǎng)中的西安涇河站提供,該站點(diǎn)設(shè)立在西安涇河國(guó)家氣候觀象臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)(34.43°N,108.96°E,海拔 411m),設(shè)備都架設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱頂部.

黑碳采樣儀器為美國(guó)瑪基科學(xué)公司生產(chǎn)的AE-31型黑碳測(cè)量?jī)x(Aethalometer).該儀器是一種基于濾膜測(cè)量氣溶膠光吸收的技術(shù)(光學(xué)灰度測(cè)量法),原理是通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量石英濾紙帶上收集的粒子對(duì)光的吸收造成的衰減,并假定透過(guò)濾膜的光衰減是由黑碳吸收造成的,測(cè)量從370～950nm的7個(gè)波段的光學(xué)吸收,由此根據(jù)連續(xù)測(cè)量透過(guò)濾膜光衰減的變化計(jì)算出黑碳的濃度.黑碳測(cè)量?jī)x具有內(nèi)置泵,采樣頭與測(cè)量?jī)x器相連,管長(zhǎng) 3m,儀器內(nèi)部安裝有濾紙帶,以平均每5min獲取一個(gè)數(shù)據(jù), 流量為3.8～4.0LPM.該儀器已經(jīng)廠家標(biāo)定.資料格式是每 5min7個(gè)波段(370～950nm)的黑碳濃度測(cè)量值,通過(guò)進(jìn)一步整理和分析,對(duì)于一些有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)(如負(fù)值)進(jìn)行剔除.

在一定范圍內(nèi),光學(xué)衰減量與單位面積采樣膜上黑碳?xì)馊苣z的沉積量有如下線性關(guān)系:

式中:Δ ATNλ為某一波長(zhǎng)光采樣一個(gè)周期的光學(xué)衰減量;ln為自然對(duì)數(shù);I0為采樣前透過(guò)濾膜的光強(qiáng);I為采樣后透過(guò)濾膜的光強(qiáng);σλ為某一波長(zhǎng)光黑碳?xì)馊苣z的比衰減系數(shù),表示單位面積沉積在濾膜上單位質(zhì)量黑碳?xì)馊苣z對(duì)光的衰減率,為m2/g.

對(duì)于880nm波段來(lái)說(shuō),根據(jù)黑碳?xì)馊苣z的不同來(lái)源及混合狀態(tài),λσ在一定范圍內(nèi)變化,一般在 10～19m2/g,本文采用的是廠家推薦的16.6m2/g,BC為單位面積采樣膜上的黑碳質(zhì)量,單位為 g/m2[14].在此基礎(chǔ)上,計(jì)算出 880nm 波段黑碳小時(shí)濃度值,以便對(duì)黑碳日變化和各月變化特征進(jìn)行分析.

顆粒物濃度觀測(cè)采用德國(guó) GRIMM Aerosol公司生產(chǎn)的GRIMM180顆粒物監(jiān)測(cè)儀.該顆粒物監(jiān)測(cè)儀基于激光散射光譜法原理,采用 685nm高頻率激光脈沖照射由抽氣泵以恒定流量(1.2L/Min)將環(huán)境空氣吸入測(cè)量室的樣品,如有顆粒物存在,激光照在上面會(huì)發(fā)生散射,散射光經(jīng)反射鏡(與激光照射方向成 90°角)聚焦后到達(dá)對(duì)面的檢測(cè)器,根據(jù)檢測(cè)器接收到脈沖信號(hào)的頻次和強(qiáng)弱,可得出顆粒物的數(shù)量和所屬粒徑范圍,進(jìn)而得出顆粒物的濃度.可以每5min實(shí)時(shí)測(cè)量0.25～30μm范圍內(nèi)31個(gè)粒徑段的氣溶膠數(shù)濃度以及 PM10、PM2.5及 PM1.0質(zhì)量濃度.

1.2 常規(guī)地面氣象要素確定邊界層高度

利用地面氣象記錄,根據(jù)大氣穩(wěn)定度計(jì)算邊界層高度.常用的大氣穩(wěn)定度分類(lèi)方法有帕斯奎爾(Pasquill)法和國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)IAEA推薦的方法,這里主要用前者.它分為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定、穩(wěn)定六級(jí),分別表示為 A、B、C、D、E、F.該方法主要是根據(jù)太陽(yáng)高度角計(jì)算出太陽(yáng)輻射等級(jí),然后再根據(jù)當(dāng)時(shí)云量、風(fēng)速等地面氣象要素確定穩(wěn)定度等級(jí).

常用計(jì)算邊界層高度的方法有幾種,本文主要用羅氏法計(jì)算.計(jì)算的邊界層頂高度利用同期探空數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證.

Nozaki等[18]1973年提出一種用地面氣象資料估算混合層高度的方法即羅氏法.他們認(rèn)為大氣混合層是由熱力湍流和機(jī)械湍流共同作用的結(jié)果,而且邊界層上部大氣運(yùn)動(dòng)狀況與地面氣象參數(shù)間存在著相互聯(lián)系和反饋?zhàn)饔?因此可以用地面氣象資料來(lái)估算大氣混合層高度.計(jì)算公式如下:

式中:T為地面氣溫;Td為露點(diǎn)溫度;uz為z高度處的平均風(fēng)速;z0為地面粗糙度(涇河站地面粗糙度定為 0.5m); f為柯氏參數(shù);P為帕斯圭爾穩(wěn)定度級(jí)別.

2 夏季黑碳?xì)馊苣z變化特征及原因

2.1 黑碳?xì)馊苣z濃度逐時(shí)時(shí)間序列

圖1是西安夏季(2011年6月1日至2011年 8月 31日)黑碳?xì)馊苣z濃度逐時(shí)的平均圖,其中橫坐標(biāo)代表從逐日時(shí)間,縱坐標(biāo)代表每日24小時(shí)濃度值,圖中色塊代表小時(shí)平均濃度,深黑色代表黑碳濃度最高超過(guò) 15μg/m3,淺黃色代表最低在 1μg/m3,空白處數(shù)據(jù)缺測(cè).西安 2011年 6月 1日～2011年8月31日黑碳?xì)馊苣z濃度(圖1),從6月開(kāi)始是依次減少.黑碳濃度超過(guò) 10μg/m3的時(shí)次7月份最多,6月次之,8月最少.從24h黑碳濃度變化來(lái)看,上午和晚上有兩個(gè)很明顯峰值區(qū),午后有一很明顯低值區(qū).

西安地處關(guān)中平原,地形屬于兩邊高,中間低,是典型的川道平原地區(qū).而西安位于川道中部,所以無(wú)論是秋冬季盛行西北風(fēng)還是春夏季偏東北風(fēng),都會(huì)將周?chē)貐^(qū)黑碳?xì)馊苣z吹向該地.再加上西安市是陜西乃至西北最大的省會(huì)城市,由于人口眾多、交通繁忙,同時(shí)周?chē)休^大企業(yè)和熱電廠,導(dǎo)致西安涇河夏季黑碳濃度高.由于遠(yuǎn)離繁華城區(qū),所以無(wú)論是平均值還是變化范圍,西安涇河地區(qū)秋冬季黑碳濃度普遍低于西安市區(qū)黑碳濃度值[16-17].這主要是因?yàn)樯鲜鑫墨I(xiàn)中測(cè)站的位置位于西安高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi),就在西安繁華的城區(qū)內(nèi),同時(shí),由于其距離南邊秦嶺較近(距離山邊約 20km),導(dǎo)致污染物無(wú)法向南邊擴(kuò)散,造成觀測(cè)值偏高.而涇河位于西安城區(qū)北部,遠(yuǎn)離鬧市區(qū),同時(shí)北面是開(kāi)闊的平原,有利于城區(qū)產(chǎn)生污染物向北擴(kuò)散,所以,該站黑碳?xì)馊苣z觀測(cè)值能代表這個(gè)地區(qū)黑碳?xì)馊苣z濃度.

由圖 2可見(jiàn),6～8月日平均黑碳濃度與圖 1變化情況基本一致.其中 6月份日均值變化范圍在2.6～13.4μg/m3,平均值為6.49μg/m3;7月份日均值變化范圍在2.7～12.1μg/m3,平均值為6.17μg/m3;8月份日均值變化范圍在 2.0～10.74μg/m3,平均值為5.549μg/m3.從變化過(guò)程來(lái)看,6 月份持續(xù)偏低,7月黑碳濃度呈一定的周期性變化,8 月呈現(xiàn)由高到低,再到高的變化.出現(xiàn)這種變化特點(diǎn),與各月天氣狀況和邊界層結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系.

圖1 西安夏季黑碳?xì)馊苣z濃度逐時(shí)變化特征Fig.1 Variations of black carbon during summer 2011 at Xi'an

圖2 西安夏季黑碳?xì)馊苣z濃度日平均變化特征Fig.2 Daily variations of Black Carbon during summer 2011 at Xi’an

2.2 黑碳濃度日變化特征及與顆粒物濃度關(guān)系

由圖3a可見(jiàn),黑碳?xì)馊苣z濃度日變化呈現(xiàn)明顯的雙峰分布,峰值出現(xiàn)在08:00和23:00,濃度分別是9.08μg/m3和9.1μg/m3,兩個(gè)谷值分別出現(xiàn)在06:00和15:00,濃度分別是7.38μg/m3和4.2μg/m3,日內(nèi)最高值與最低值分別為 9.1μg/m3和4.2μg/m3,其濃度的日內(nèi)變化幅度主要反映了當(dāng)?shù)睾谔寂欧旁吹淖兓约按髿膺吔鐚禹敻叨茸兓瘜?duì)其的影響[19].

為了分析夏季西安涇河黑碳?xì)馊苣z與顆粒物濃度的關(guān)系,分析了黒碳?xì)馊苣z占 PM1.0比值變化及PM1.0、PM2.5、PM10觀測(cè)值的日變化.

由圖 3a可見(jiàn),比值日變化呈單峰單谷分布,峰值出現(xiàn)在 23:00,比值是 45.5%,谷值出現(xiàn)在06:00,比值是23.6%,日內(nèi)最高值與最低值比值相差近 2倍.這表明在一天當(dāng)中,黑碳?xì)馊苣z在PM1.0顆粒物濃度的比值變化相當(dāng)大.正如前言所述,城市黑碳?xì)馊苣z基本上都是人為活動(dòng)引起的,所以上述比值是與城市中人為活動(dòng)相關(guān)的(比如生火做飯、交通活動(dòng)、工廠上下班、電廠用電高峰等).從06:00該比值最低開(kāi)始,城市開(kāi)始蘇醒,人為活動(dòng)開(kāi)始增多,直到上午 08:00達(dá)到一個(gè)高值,然后,人為活動(dòng)開(kāi)始有一減小期;到 11:00以后,又有一個(gè)增加期,直到13:00;從15:00以后,有一個(gè)急速增加期,到晚上 18:00達(dá)到一天中次高點(diǎn);在19:00稍有下降,隨著人們夜生活的開(kāi)始,該比值持續(xù)增加,在 21:00達(dá)到一天中最高值;最后,隨著時(shí)間漸晚,人為活動(dòng)減少,該比值迅速減小.可見(jiàn),該比值完全可以反映城市人為活動(dòng)的變化規(guī)律.

圖3 西安夏季黑碳?xì)馊苣z濃度和顆粒物濃度日變化Fig.3 Diurnal variations of black carbon and particle mass concentrations during summer at Xi'an

黑碳?xì)馊苣z濃度在PM1.0中所占比例一天中變化較大,所以有必要分析不同級(jí)別顆粒物質(zhì)量濃度與黑碳?xì)馊苣z濃度之間的關(guān)系.從圖3b可見(jiàn),從日變化形態(tài)上PM10更接近黑碳?xì)馊苣z濃度的分布.所以,為進(jìn)一步分析黑碳?xì)馊苣z與顆粒物濃度之間的關(guān)系,計(jì)算黑碳?xì)馊苣z與PM1.0、PM2.5、PM10之間相關(guān)系數(shù)分別為0.695、0.856、0.914.由于黑碳?xì)馊苣z是由于化石和生物質(zhì)燃料不完全燃燒產(chǎn)生的,粒子尺度在 0.01～1μm,按理說(shuō)應(yīng)該與 PM1.0之間的相關(guān)關(guān)系要好于 PM10.但是從計(jì)算的結(jié)果來(lái)看,情況確是相反的.雖然BC粒子尺度在 0.01～1μm,基本屬于 PM1.0,但 PM1.0中含有大量二次氣溶膠粒子,而二次氣溶膠的日變化強(qiáng)烈受氣象條件的日變化影響,BC是一次氣溶膠,PM10中主要也是一次氣溶膠,其日變化主要受排放源的日變化影響,因此BC和PM10的相關(guān)性要更高.

2.3 風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)黑碳?xì)馊苣z的影響

風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)大氣污染物的堆積和傳輸有重要作用.在西安城區(qū),由于地面建筑多,高樓大廈林立,使地面粗糙度增大,導(dǎo)致城區(qū)風(fēng)速明顯減弱,不利于污染物擴(kuò)散,造成大氣中黑碳?xì)馊苣z濃度明顯高于城郊濃度[17].不同風(fēng)向會(huì)造成污染物的輸送,由于西安位于關(guān)中平原中部,不同風(fēng)向都會(huì)造成其他區(qū)域污染物向該區(qū)輸送.

圖4 西安夏季黑碳?xì)馊苣z濃度與風(fēng)向和風(fēng)速關(guān)系Fig.4 Relationship between black carbon and wind

由于涇河大氣成分觀測(cè)站位于西安城區(qū)北部,從圖 4a可以很明顯看出,該站受從城區(qū)方向(西南風(fēng)向)過(guò)來(lái)氣流的影響,造成黑碳?xì)馊苣z測(cè)量濃度較高.涇河站夏季盛行東北風(fēng)和西南風(fēng),這與環(huán)流形勢(shì)有很大關(guān)系(由于陜西夏季主要受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響).受東北風(fēng)影響時(shí),由于上游沒(méi)有大的城市污染,對(duì)涇河黑碳?xì)馊苣z濃度有一些影響;受西南風(fēng)向影響時(shí),由于城區(qū)位于測(cè)站西南方向,導(dǎo)致此方向氣流將城區(qū)大氣污染物輸送到測(cè)站位置,造成該風(fēng)向黑碳?xì)馊苣z測(cè)量濃度明顯高于其他風(fēng)向;偏西氣流雖然頻率少,但是由于測(cè)站西部是西-咸一體化城市咸陽(yáng),造成的污染也不低;另外,偏南氣流同樣也將部分城市污染物輸送到測(cè)站,造成觀測(cè)值同樣不低;只有氣流方向從東部和東南方向來(lái)時(shí),由于該方向是從秦嶺山區(qū)來(lái),空氣比較清潔,所以造成該方向黑碳?xì)馊苣z濃度最低.通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算,八個(gè)方向下平均黑碳濃度從小到大排列分別為E、NE、SE、S、SW、N、W、NW.

從圖4b可以看出,風(fēng)速對(duì)黑碳濃度影響有不同作用.風(fēng)速過(guò)小不利于污染物輸送,風(fēng)速在1m/s以下時(shí),由于氣流的輸送作用較小,測(cè)站的污染物只有局地的;當(dāng)風(fēng)速到達(dá) 2m/s時(shí),由于受從其他地區(qū)輸送污染物的影響,這時(shí)測(cè)站所測(cè)黑碳?xì)馊苣z濃度值達(dá)到最大;風(fēng)速超過(guò) 3m/s以后,由于氣流作用,使大氣污染物很難堆積,所以造成黑碳?xì)馊苣z隨風(fēng)速增大濃度逐步減小,特別是風(fēng)速大于6m/s以后,黑碳濃度很少超過(guò)5μg/m3.

2.4 城市邊界層頂變化對(duì)黑碳?xì)馊苣z的影響

黑碳?xì)馊苣z濃度除了受風(fēng)向、風(fēng)速影響,還受邊界層頂高度的影響,也就是大氣湍流擴(kuò)散的高度.邊界層頂高度越高,單位氣柱內(nèi)容納的污染物濃度越少,觀測(cè)值越低;邊界層頂高度越低,單位氣柱內(nèi)容納的污染物濃度越多,觀測(cè)值越高.

由圖 5a可見(jiàn),05:00～06:00,雖然邊界層頂高度較低,風(fēng)速較小,但是街上機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量不多,黑碳排放較少,所以黑碳濃度達(dá)到低點(diǎn).07:00以后,此時(shí)正處于上班高峰期,市區(qū)機(jī)動(dòng)車(chē)增加,交通來(lái)源黑碳排放量增加;另外在日出后,大氣穩(wěn)定層結(jié)破壞,邊界層頂高度抬高,應(yīng)該有利于大氣污染物質(zhì)的稀釋擴(kuò)散,但是,由于地面溫度升高較慢,造成大氣上下混合不強(qiáng),使排放的污染物來(lái)不及升到較高空中,致使污染物堆積,造成 07:00～09:00黑碳濃度升高. 10:00以后,街上機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量有所減少,地面溫度升高較快,大氣中湍流增強(qiáng),物質(zhì)交換加快,所以黑碳濃度下降很快.隨著溫度進(jìn)一步升高,邊界層頂高度逐步抬升,到 15:00,邊界層頂達(dá)到最高(1200m),此外相對(duì)于一天的上下班交通高峰期,午后的人為活動(dòng)明顯降低,機(jī)動(dòng)車(chē)排放量降低,所以這時(shí)黑碳濃度全天最低.此后,隨著地面溫度降低,邊界層頂高度也逐漸降低,另外,下班高峰期機(jī)動(dòng)車(chē)輛逐漸增加,居民取暖及烹飪活動(dòng),導(dǎo)致黑碳濃度逐漸升高,在 23:00達(dá)到全天最高.

圖5 西安夏季黑碳?xì)馊苣z濃度與邊界層頂高度(PBLH)變化Fig.5 Relationship between black carbon and planetary boundary layer heigh

由圖5b可見(jiàn),黑碳?xì)馊苣z濃度與邊界層頂高度之間呈明顯的反相關(guān)關(guān)系,即日平均邊界層頂高度高,則黑碳?xì)馊苣z濃度低,反之也然.通過(guò)相關(guān)分析,得到二者的相關(guān)系數(shù)為-0.31.特別是6月25～7月1日,當(dāng)邊界層頂高度持續(xù)偏高時(shí),造成黑碳濃度持續(xù)低,濃度范圍在 2～4μg/m3.說(shuō)明只要天氣條件合適,地面湍流活動(dòng)增強(qiáng),使邊界層頂高度抬高,對(duì)大氣污染物的排放非常有利.

3 夏季黑碳?xì)馊苣z吸收特性

黑碳?xì)馊苣z具有很強(qiáng)的吸附性,表面吸附一些其他物質(zhì),從紫外到紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)都對(duì)太陽(yáng)輻射有強(qiáng)烈吸收,是大氣中首要的吸收型氣溶膠成分[20],對(duì)大氣能見(jiàn)度影響很大.大氣組分的消光作用是影響能見(jiàn)度的直接因素,包括散射和吸收,不同組分表現(xiàn)出不同的吸收和散射能力[21].因此,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式,可以探討黑碳?xì)馊苣z吸收系數(shù)與大氣消光系數(shù)之間的關(guān)系.

3.1 黑碳?xì)馊苣z吸收系數(shù)和消光系數(shù)計(jì)算

黑碳?xì)馊苣z不但具有一般氣溶膠的性質(zhì),而且吸收特性也是大家關(guān)注的性質(zhì).利用測(cè)量的黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度,可以計(jì)算黑碳?xì)馊苣z的吸收系數(shù),其經(jīng)驗(yàn)公式[14]表達(dá)如下:

式中:BCM 是AE-31在880nm波段測(cè)量的黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度;532A 為根據(jù)式(1)將880nm波段的黑碳?xì)馊苣z訂正到532nm波段上的吸收系數(shù).

根據(jù)世界氣象組織推薦值,可以實(shí)現(xiàn)能見(jiàn)度和消光系數(shù)的轉(zhuǎn)換[21],其中轉(zhuǎn)換公式為:

式中:extb 為消光系數(shù);VR為能見(jiàn)度;2.996代表Koschmeider常數(shù),為世界氣象組織(WMO)推薦值.取該值時(shí),有以下假設(shè)條件:目標(biāo)物為深色理想物體;閾對(duì)比度取0.05;目標(biāo)物和觀察者之間大氣組成均一;地球曲率可忽略;目標(biāo)物、天空背景和觀察者等各處的光亮度相同.

另外,大氣消光系數(shù)又可以表示為:

式中:gext,b 、pext,b 分別為氣體和顆粒物的消光系數(shù);agb 、sgb 、apb 、spb 分別為氣體的吸收系數(shù)、散射系數(shù)、顆粒物的吸收系數(shù)、散射系數(shù).大氣瑞利散射系數(shù)(sgb )為一常量,通常取值為 13 Mm?1.根據(jù)姚婷婷的統(tǒng)計(jì)分析,在總消光系數(shù)中,顆粒物散射平均占72%,顆粒物吸收平均占21%,氣體散射平均占 4.5%,氣體吸收平均占 2.1%[21].所以估計(jì)氣體吸收系數(shù),這樣就可以利用黑碳?xì)馊苣z吸收系數(shù)、大氣消光系數(shù)估計(jì)氣溶膠的單次散射反照率.

3.2 黑碳?xì)馊苣z吸收特性及與消光系數(shù)關(guān)系

根據(jù)黑碳儀觀測(cè)的 2011年6月 1～8月 31日黑碳?xì)馊苣z小時(shí)質(zhì)量濃度和涇河小時(shí)能見(jiàn)度資料,利用上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算西安地區(qū)氣溶膠吸收系數(shù)、大氣消光系數(shù),同時(shí)根據(jù)式(8)利用氣體吸收系數(shù)估計(jì)值,反算相應(yīng)的氣溶膠單次散射反照率因子.

圖6 西安夏季3個(gè)月黑碳?xì)馊苣z吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)Fig.6 Diurnal variation of extinction coefficient and absorption coefficient during summer (June, July,and August)at Xi'an

從圖6a可以看出,氣溶膠吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)日變化比較顯著.氣溶膠吸收系數(shù)在從凌晨開(kāi)始維持高值到 08:00～09:00,然后迅速下降,在午后 15:00～16:00達(dá)到最低值,之后吸收系數(shù)迅速增加,到 23:00點(diǎn)達(dá)到高值.高值基本在70～90Mm-1,低值在 35～40Mm-1.6、7、8 三個(gè)月吸收系數(shù)變化總體趨勢(shì)一致,吸收系數(shù)平均值三個(gè)月依次略微減小.大氣消光系數(shù)日變化與吸收系數(shù)一致,不過(guò)其極值點(diǎn)出現(xiàn)比吸收系數(shù)略晚1h,這與氣體消光作用有關(guān)[14].消光系數(shù)高值基本在300～450Mm-1,低值在 230～260Mm-1.6～8 月消光系數(shù)總體變化趨勢(shì)一致,平均值三個(gè)月依次增加.圖6b是6～8月氣溶膠吸收系數(shù)與大氣消光系數(shù)的比值日變化.從圖上看,該比值有很明顯周期變化,早晚比值高,中午比值低,呈典型的 V 型.早晚比值高,說(shuō)明黑碳?xì)馊苣z的消光作用在整個(gè)大氣消光中所占比重高(達(dá)到 25%～30%),這主要是由于大氣湍流交換不強(qiáng),城市邊界層頂?shù)?造成黑碳?xì)馊苣z濃度高.隨著黑碳?xì)馊苣z濃度逐漸降低,該比值逐漸減少,在午后(12:00)達(dá)到一天最低(12%～18%);然后隨著黑碳?xì)馊苣z濃度逐漸增多,該比值開(kāi)始增加,在凌晨達(dá)到最高.

圖7 西安夏季3個(gè)月黑碳?xì)馊苣z吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)日平均Fig.7 Daily variation of extinction coefficient and absorption coefficient during summer at Xi’an

圖7是利用黑碳?xì)馊苣z濃度、大氣能見(jiàn)度計(jì)算的 6～8月氣溶膠吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)日平均及比值.從圖 7a可以看出,夏季氣溶膠吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)日平均變化幅度較大,二者在變化形態(tài)上不完全一致,有時(shí)二者變化完全相反,說(shuō)明氣溶膠吸收系數(shù)只是大氣消光系數(shù)中一個(gè)部分,并不能完全反應(yīng)消光系數(shù)的變化.氣溶膠吸收系數(shù)變化范圍在20～130Mm-1,6～8月平均值分別為64.9,61.7,55.4Mm-1,可見(jiàn)吸收系數(shù)三個(gè)月平均值依次減小.大氣消光系數(shù)日平均與吸收系數(shù)日平均變化不完全一致,變化范圍在 200～700Mm-1,三個(gè)月平均值分別為 254.5, 262.8,329.6Mm-1,可見(jiàn)吸收系數(shù)三個(gè)月平均值依次增加.圖7b是2011年夏季6～8月氣溶膠吸收系數(shù)與大氣消光系數(shù)日平均的比值,變化范圍在10%～50%,三個(gè)月平均值分別為25.5%、23.2%、17.1.

3.3 西安涇河氣溶膠單次散射反照率變化

利用式(8)估算得到關(guān)中地區(qū)夏季單次散射反照率.與其他地區(qū)相比較(表 1),發(fā)現(xiàn)不同研究的單次散射反照率比較接近,吳兌等[14]得到珠三角地區(qū)為 0.81,毛節(jié)泰等[22]得到北京城區(qū)的為0.79,Li等[23]得到香河的為0.81～0.85,而在關(guān)中地區(qū)得到的為 0.76,說(shuō)明在關(guān)中地區(qū)較全國(guó)其他地區(qū)氣溶膠單次散射反照率要低.另外像北京、西安等這樣的北方城市,得到的氣溶膠單次散射反照率要比南方的低.除了由于城市中排放較多黑碳?xì)馊苣z,氣溶膠吸收系數(shù)要大以外,還有一個(gè)原因就是在真實(shí)大氣中,由于具有散射能力的粒子會(huì)不同程度的吸濕增長(zhǎng),因而有一個(gè)含水氣溶膠附加的散射貢獻(xiàn),而在南方水體附近測(cè)量的單次散射反照率要高[14].

由圖 8可知,西安涇河夏季單次散射反照率日變化比較顯著,全天基本上呈一個(gè)倒 V字型.從凌晨開(kāi)始逐漸增加,06:00～08:00有一小的下降,之后一直增加,午后 14:00～15:00達(dá)到最高,之后就一直下降, 23:00達(dá)到全天最低.單次散射反照率一天中變化幅度較大,從最低的 0.7到最高的0.84.從單次散射反照率日變化的形態(tài)來(lái)看,其變化與黑碳?xì)馊苣z濃度變化有主要關(guān)系.06:00～08:00,由于早上交通高峰使黑碳?xì)馊苣z濃度增加,出現(xiàn)單次散射反照率在該時(shí)刻的下降;午后由于湍流增強(qiáng),邊界層頂升高,導(dǎo)致黑碳?xì)馊苣z濃度降低至全天最低,這時(shí)單次散射反照率達(dá)到全天最高;之后隨著湍流逐漸減弱,大氣層頂高逐漸降低,黑碳?xì)馊苣z濃度逐漸增加,至 23:00黑碳?xì)馊苣z濃度增加至全天最高,這時(shí)單次散射反照率也下降至全天最低.

表1 不同地區(qū)單次散射反照率(SSA)的比較Table 1 Comparison of the single scattering albedo at different regions

圖8 西安涇河夏季氣溶膠單次散射反照率日變化Fig.8 Diurnal variation of aerosol single scattering albedo during summer at Xi'an

4 結(jié)論

4.1 西安 6～8月黑碳?xì)馊苣z濃度依次減小.其中 6 月份日均值變化范圍在 2.6～13.4μg/m3,平均值為 6.49μg/m3;7 月份日均值變化范圍在2.7～12.1μg/m3,平均值為6.17μg/m3;8月份日均值變化范圍在 2.0～10.74μg/m3,平均值為5.549μg/m3.

4.2 黑碳?xì)馊苣z占 PM1.0的比值日變化呈單峰單谷分布,峰值出現(xiàn)在 23:00,比值是 45.5%,谷值出現(xiàn)在 06:00,比值是 23.6%.黑碳?xì)馊苣z與顆粒物質(zhì)量濃度 PM1.0、PM2.5、PM10相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.85、0.91.

4.3 黑碳?xì)馊苣z濃度受城市邊界層頂高影響,風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)涇河黑碳?xì)馊苣z的堆積輸送有不同影響.

4.4 氣溶膠吸收系數(shù)和大氣消光系數(shù)日變化比較顯著.氣溶膠吸收系數(shù)高值在70～90Mm-1,低值在 35～40Mm-1.大氣消光系數(shù)日變化與吸收系數(shù)一致,高值在 300～450Mm-1,低值在 230～260Mm-1.氣溶膠吸收系數(shù)占大氣消光系數(shù)的比值范圍在12%～30%.

4.5 西安涇河夏季單次散射反照率平均值為0.76.單次散射反照率日變化比較顯著,全天基本上呈一個(gè)倒V字型,變化范圍在0.70～0.84.

[1]Graham B, Falkovich A H, Rudich Y, et al. Local and regional contributions to the atmospheric aerosol over Tel Aviv, Israel: a case study using elemental, ionic and organic tracers [J].Atmospheric Environment, 2004,38(11):1593-1604.

[2]Jurado E, Dachs J, Duarte C M, et al. Atmospheric deposition of organic and black carbon to the global oceans [J]. Atmospheric Environment, 2008,42(34):7931-7939.

[3]張 華,王志立.黑碳?xì)馊苣z氣候效應(yīng)的研究進(jìn)展 [J]. 氣候變化研究進(jìn)展, 2009,5(6):311-317.

[4]薛福民,李 娟,黃 侃,等.塔克拉瑪干沙漠黑碳?xì)馊苣z的特性及來(lái)源 [J]. 中國(guó)科學(xué):化學(xué), 2010,40(5):556-566.

[5]李建云,張 杰,田 密.中國(guó)地區(qū)黒碳?xì)馊苣z直接輻射效應(yīng)的數(shù)值模擬研究 [J]. 氣象與減災(zāi)研究, 2009,32(001):17-24.

[6]Haywood J, Boucher O. Estimates of the direct and indirect radiative forcing due to tropospheric aerosols: a review [J].Reviews of Geophysics, 2000,38(4):513-543.

[7]Menon S, Hansen J, Nazarenko L, et al. Climate effects of black carbon aerosols in China and India [J]. Science, 2002,297(5590):2250-2253.

[8]湯 潔,溫玉璞,周凌晞,等.中國(guó)西部大氣清潔地區(qū)黑碳?xì)馊苣z的觀測(cè)研究 [J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 1999,10(2):160-170.

[9]王庚辰,孔琴心,任麗新.北京地區(qū)大氣中的黑碳?xì)馊苣z及其變化特征 [J]. 過(guò)程工程學(xué)報(bào), 2002,2:284-288.

[10]秦世廣,湯 潔.黑碳?xì)馊苣z及其在氣候變化研究中的意義 [J].氣象, 2001,27(011):3-7.

[11]陳 魁,銀 燕,魏玉香,等.南京大氣 PM2.5中碳組成觀測(cè)分析[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2010,30(8):1015-1020.

[12]蔡子穎,韓素芹,黃 鶴,等.天津夏季黑碳?xì)馊苣z及其吸收特性的觀測(cè)研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(5):719-723.

[13]張 磊,張 鐳,張丁玲,等.蘭州遠(yuǎn)郊區(qū)黑碳?xì)馊苣z濃度特征[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(8):1248-1255.

[14]吳 兌,毛節(jié)泰,鄧雪嬌,等.珠江三角洲黑碳?xì)馊苣z及其輻射特性的觀測(cè)研究 [J]. 中國(guó)科學(xué):D輯, 2009,39(11):1542-1553.

[15]車(chē)慧正,石廣玉,張小曳.北京地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特性及其直接輻射強(qiáng)迫的研究 [J]. 中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào), 2007,24(5):699-704.

[16]朱崇抒,曹軍驥,沈振興,等.西安黑碳?xì)馊苣z的污染特征及其成因分析 [J]. 中國(guó)粉塵技術(shù), 2009, 15(002): 66-71.

[17]李 楊,曹軍驥,張小曳,等.2003年秋季西安大氣中黑碳?xì)馊苣z的演化特征及其來(lái)源解析[J]. 氣候與環(huán)境研究, 2005,10(002):229-237.

[18]史寶忠,鄭方成.對(duì)大氣混合層高度確定方法的比較分析 [J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 1997,29(2):138-141.

[19]張 強(qiáng),呂世華,張廣庶.山谷城市大氣邊界層結(jié)構(gòu)及輸送能力[J]. 高原氣象, 2003,22(4):346-353.

[20]章秋英,牛生杰,沈建國(guó),等.半干旱區(qū)冬春季黑碳?xì)馊苣z吸收特性的觀測(cè)研究 [J]. 中國(guó)沙漠, 2009,29(1):183-188.

[21]姚婷婷,黃曉鋒,何凌燕,等.深圳市冬季大氣消光性質(zhì)與細(xì)粒子化學(xué)組成的高時(shí)間分辨率觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)關(guān)系研究 [J]. 中國(guó)科學(xué):化學(xué), 2010,40(8):1163-1171.

[22]毛節(jié)泰,李成才.氣溶膠輻射特性的觀測(cè)研究 [J]. 氣象學(xué)報(bào),2005,63(005):622-635.

[23]Li Z Q, Xia X A, Maureen C, et al. Aerosol optical properties and their radiative effects in norhern China [J]. J. Geophys. Res.,2007,112:D22S01.

[24]Xia X, Li Z, Holben B, et al. Aerosol optical properties and radiative effects in the Yangtze Delta region of China [J]. J.Geophys. Res, 2007, 112: D22S12.

[25]Quinn P K, Coffman D J, Bates T S, et al. Aerosol optical properties measured on board the Ronald H. Brown during ACE-Asia as a function of aerosol chemical composition and source region [J]. J. Geophys. Res., 2004, 109: D19S01.