程 丁,吳 晟*,吳 兌,**,劉 建,宋 烺,孫天林,毛 夏,江 崟,劉愛(ài)明

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深圳市城區(qū)和郊區(qū)黑碳?xì)馊苣z對(duì)比研究

程 丁1,2,吳 晟1,2*,吳 兌1,2,3**,劉 建3,宋 烺1,2,孫天林1,2,毛 夏4,江 崟4,劉愛(ài)明4

(1.暨南大學(xué)質(zhì)譜儀器與大氣環(huán)境研究所,廣東 廣州 510632；2.暨南大學(xué)廣東省大氣污染在線源解析系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510632；3.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510275；4.深圳市氣象局,廣東 深圳 518040)

為了解深圳地區(qū)黑碳?xì)馊苣z(BC)的污染特征,使用深圳市西涌(XC)站點(diǎn)(郊區(qū)) 和竹子林(ZZL)站點(diǎn)(城區(qū))2014年1月1日~2015年6月30日測(cè)得的BC濃度及常規(guī)氣象資料,對(duì)比研究了深圳地區(qū)兩個(gè)不同代表性站點(diǎn)的BC變化特征.結(jié)果表明:在觀測(cè)期間,郊區(qū)XC和城區(qū)ZZL站點(diǎn)BC小時(shí)平均濃度分別為(1.12±0.90),(2.58±2.00)μg/m3,本底濃度分別為(0.27±1.31),(1.07±0.85)μg/m3,氣溶膠吸收系數(shù)abs分別為(5.87±4.81),(13.47±10.50)Mm-1,城區(qū)站點(diǎn)值均高于郊區(qū)站點(diǎn).兩站點(diǎn)BC濃度分布均為對(duì)數(shù)正態(tài)分布,且都呈現(xiàn)干季高、濕季低的季節(jié)變化特點(diǎn).日變化分析表明ZZL站點(diǎn)BC濃度呈現(xiàn)明顯的雙峰結(jié)構(gòu),XC站點(diǎn)日變化不明顯.通過(guò)計(jì)算兩地的氣溶膠波長(zhǎng)吸收指數(shù)AAE值,發(fā)現(xiàn)兩地AAE值均接近1,說(shuō)明兩地BC污染主要來(lái)源于化石燃料的燃燒.進(jìn)一步分析可知XC站點(diǎn)西北方向32km處是世界第三大集裝箱碼頭,當(dāng)西北風(fēng)達(dá)到一定程度時(shí)(10~20m/s),碼頭排放的污染物將嚴(yán)重影響XC站點(diǎn)的BC濃度.后向軌跡聚類分析結(jié)果表明,XC站點(diǎn)主要受中遠(yuǎn)距離輸送影響,ZZL站點(diǎn)主要受周邊及本地污染源排放影響.

黑碳?xì)馊苣z(BC)；深圳市；質(zhì)量濃度；波長(zhǎng)吸收指數(shù)(AAE)

黑碳?xì)馊苣z(BC)是大氣氣溶膠的重要組成部分,主要是由含碳物質(zhì)的不完全燃燒產(chǎn)生,它對(duì)全球氣候變化、區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量和人體健康均有重要影響.近年來(lái),關(guān)于BC的研究已經(jīng)成為國(guó)際和國(guó)內(nèi)關(guān)于大氣研究的熱點(diǎn)內(nèi)容.國(guó)際上對(duì)BC研究開(kāi)展得相對(duì)較早,西方國(guó)家早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)BC進(jìn)行觀測(cè)研究[1],1973年Smith等最早發(fā)現(xiàn)海洋沉積物中有黑碳的存在[2],并發(fā)現(xiàn)黑碳可以在土壤和海洋中貯存停留幾千年到上萬(wàn)年[3],可根據(jù)沉積物中的黑碳成分作為示蹤物推斷地球曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的重大事件.此外,科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)BC造成的直接輻射強(qiáng)迫介于IPCC報(bào)告中的CH4和CO2之間而成為全球變暖的第二影響因子[4].到20世紀(jì)80年代,世界氣象組織(WMO)開(kāi)展的全球大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)(GAW)將BC作為一個(gè)重要的氣溶膠觀測(cè)項(xiàng)目.90年代起,中國(guó)逐漸開(kāi)展了關(guān)于BC的觀測(cè)研究,發(fā)現(xiàn)東部地區(qū)的BC排放量大于西部地區(qū),且BC的排放具有較強(qiáng)的季節(jié)性[5].吳兌等[6-7]從2003年開(kāi)始在珠三角地區(qū)開(kāi)展對(duì)BC連續(xù)多年的觀測(cè),得出了珠三角地區(qū)BC濃度在干季較高,濕季較低,BC濃度在近地面較高,山頂大氣成分站濃度較低.隨著我國(guó)工業(yè)化的高速發(fā)展,能源消耗急劇增加,環(huán)境空氣質(zhì)量不斷惡化,針對(duì)我國(guó)珠江三角洲[8-9]、長(zhǎng)江三角洲[10-12]、京津冀[13-14]及其他地區(qū)[15-16]的BC研究逐漸增多.

有研究指出,目前在粵港地區(qū)的氣溶膠污染中,主要是細(xì)粒子的污染,尤其BC污染很嚴(yán)重[17].深圳位于廣東省南部,地處珠江三角洲東岸,北臨東莞、惠州,南與香港一水之隔,東西兩側(cè)均與海洋相接,是重要的邊境口岸城市.以往有研究者對(duì)深圳地區(qū)BC開(kāi)展過(guò)觀測(cè)研究,但是僅僅基于單個(gè)站點(diǎn)且采樣時(shí)間較短,本研究于2014年1月1日~2015年6月30日在深圳市西涌和竹子林開(kāi)展為期一年半的BC同步觀測(cè),結(jié)合常規(guī)氣象資料,探討了深圳市城區(qū)和郊區(qū)的BC污染特征及影響因素,通過(guò)后向軌跡聚類分析,探討了不同方向氣流對(duì)深圳市城區(qū)和郊區(qū)BC的影響特征.

1 研究方法

1.1 觀測(cè)站點(diǎn)

本研究的采樣站點(diǎn)分別是深圳市西涌站(XC,郊區(qū))和竹子林站(ZZL,城區(qū)),如圖1所示.兩站點(diǎn)之間的直線距離為57km.深圳市西涌站(114°33′E,22°29′N,海拔172m)位于深圳市大鵬半島臨海一山頂處,離海岸不到1km,遠(yuǎn)離深圳市城區(qū),受人為活動(dòng)影響較小,屬于深圳市郊區(qū),觀測(cè)數(shù)據(jù)在一定程度上代表了深圳市郊區(qū)背景大氣中的BC濃度.竹子林站(114°03′E,22°32′N,海拔63m)位于深圳市福田區(qū),是深圳市市中心所在地,周邊是居民生活區(qū)和商貿(mào)區(qū),受人為活動(dòng)影響較大,具有城市站點(diǎn)的典型特征,觀測(cè)數(shù)據(jù)在一定程度上代表了深圳市城區(qū)大氣中BC污染狀況.

圖1 觀測(cè)站點(diǎn)位置示意

1.2 觀測(cè)儀器與原理

本實(shí)驗(yàn)觀測(cè)采用的儀器是美國(guó)Magee公司生產(chǎn)研發(fā)的AE-31型黑碳儀(Aethelometer Model 31,Magee Science Company),其擁有7個(gè)測(cè)量通道,波長(zhǎng)分別為370、470、520、590、660、880及940nm,儀器經(jīng)自動(dòng)流量計(jì)校準(zhǔn)后的流量為5.0L/min.黑碳儀測(cè)量大氣中BC的基本原理是建立在石英濾膜所收集的氣溶膠粒子對(duì)光吸收造成的衰減上[18],BC對(duì)可見(jiàn)光具有較強(qiáng)的吸收性,當(dāng)用一束光照射到附有BC粒子的濾膜時(shí),透過(guò)采樣濾膜的光會(huì)產(chǎn)生衰減,黑碳儀通過(guò)測(cè)量不同波長(zhǎng)光的光學(xué)衰減量ATN,經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算就可以確定樣品中BC的含量.

本文在分析儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),對(duì)其存在的誤差進(jìn)行校正[19-22].用黑碳儀觀測(cè)大氣中BC含量時(shí),存在以下幾個(gè)方面的誤差:①除去一些特殊天氣狀況(如沙塵),BC對(duì)總的光吸收貢獻(xiàn)在90%以上[23-24],其他成分的氣溶膠對(duì)光的吸收占比很小,可忽略不計(jì);因此用黑碳儀收集的氣溶膠粒子,本文近似地認(rèn)為全部是黑碳粒子.②BC是懸浮在空氣中的膠體分散系統(tǒng),在大氣中發(fā)生多向散射效應(yīng).當(dāng)黑碳儀把大氣中的BC粒子收集到濾膜上時(shí),BC由懸浮態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s態(tài),其性狀發(fā)生改變,從而散射效應(yīng)也發(fā)生改變.黑碳儀測(cè)得的是氣溶膠在濾膜上的光衰減系數(shù)atn,需要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算校正,轉(zhuǎn)變?yōu)闅馊苣z在大氣中的吸收系數(shù)abs.③黑碳儀是基于濾帶監(jiān)測(cè)的儀器,在進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí),由于濾帶上負(fù)載物質(zhì)逐漸增加,沉積在濾膜上的BC粒子前后會(huì)產(chǎn)生遮擋,造成儀器對(duì)光透射信號(hào)的非線性響應(yīng),隨著采樣點(diǎn)處“負(fù)載效應(yīng)”的增加,儀器測(cè)得的數(shù)據(jù)會(huì)顯示出系統(tǒng)性的減少.本文對(duì)其他成分的氣溶膠造成的光的衰減忽略不計(jì),對(duì)②③產(chǎn)生的儀器檢測(cè)誤差進(jìn)行校正.計(jì)算光學(xué)衰減量ATN的公式如下:

式中:為采樣點(diǎn)處光學(xué)衰減增量;o為參照點(diǎn)處光學(xué)衰減增量.一個(gè)測(cè)量周期中,當(dāng)濾膜采樣點(diǎn)收集的粒子達(dá)到一定程度,透過(guò)光的光學(xué)衰減量達(dá)到設(shè)置的閾值時(shí),該周期結(jié)束,儀器進(jìn)行下個(gè)采樣周期.atn是氣溶膠在濾膜上的光吸收系數(shù),計(jì)算公式如下:

式中:ΔATN是指某一個(gè)測(cè)量周期與上一個(gè)測(cè)量周期間的采樣點(diǎn)光學(xué)衰減量的增量,與采樣點(diǎn)的BC質(zhì)量的增量成正比;是氣溶膠沉積物的斑點(diǎn)面積;是在每個(gè)測(cè)量周期中通過(guò)濾膜的空氣體積.氣溶膠的吸收系數(shù)abs與氣溶膠在濾膜上的衰減系數(shù)atn有一定的關(guān)系,可以由Weingartner提出的校正算法求出[19]:

式中:ref是多向散射校正參數(shù);(ATN)是用于修正“負(fù)載效應(yīng)”的ATN的函數(shù),可用下列公式計(jì)算得出[20]:

式中:是可調(diào)的,為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不連續(xù)性的最小化.本次研究的黑碳儀數(shù)據(jù)采用的ref為3.48[22]、為1.20,使用Aethlometer date processor程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的訂正[24].在已知吸收系數(shù)的情況下,BC質(zhì)量濃度的計(jì)算公式為:

式中:σ表示單位面積沉積在濾膜上的單位質(zhì)量的黑碳?xì)馊苣z對(duì)光的衰減率,m2/g.得到采樣時(shí)間間隔Δ內(nèi)采樣的空氣體積,結(jié)合(1)~(5)式通過(guò)計(jì)算即可得到該時(shí)間段內(nèi)空氣樣品中的BC含量.本文中的直方圖和箱式圖使用Histbox程序繪制[25].

2 結(jié)果與討論

2.1 觀測(cè)結(jié)果頻率分布

圖2所示為深圳市XC和ZZL站點(diǎn)2014年1月1日~2015年6月30日觀測(cè)得到的BC逐時(shí)濃度和氣溶膠吸收系數(shù)abs的頻率分布圖,吸收系數(shù)abs是在波長(zhǎng)520nm處測(cè)得,記為abs520.由圖2可知,觀測(cè)期間XC站點(diǎn)的BC平均濃度和氣溶膠吸收系數(shù)abs520分別為 (1.12±0.90)μg/m3、(5.87±4.81)Mm-1,ZZL站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值分別為 (2.58±2.00)μg/m3、(13.47±10.50)Mm-1,深圳市城區(qū)BC濃度和氣溶膠吸收系數(shù)abs均超過(guò)郊區(qū)值的2倍多,說(shuō)明深圳市城區(qū)細(xì)粒子污染更嚴(yán)重.

平均濃度只能反映某地污染物在一段時(shí)期的濃度平均值,無(wú)法衡量本地長(zhǎng)時(shí)間污染物背景濃度值.本底濃度是指大氣中某物質(zhì)基本混合均勻后的濃度,能夠反映某一尺度區(qū)域內(nèi)處于均勻混合狀態(tài)的某種成分的大氣濃度水平,把出現(xiàn)頻率最大的峰值濃度作為該地區(qū)的本底濃度,用來(lái)反映本地污染背景值[26].進(jìn)一步采用多參數(shù)對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)對(duì)兩個(gè)站點(diǎn)的BC頻數(shù)分布擬合,通過(guò)擬合后的函數(shù)求得兩個(gè)站點(diǎn)BC的本底濃度分別為:XC站點(diǎn)(0.27±1.31)μg/ m3、ZZL站點(diǎn)(1.07±0.85)μg/m3,兩個(gè)站點(diǎn)的本底濃度都小于該站點(diǎn)的平均濃度,兩個(gè)站點(diǎn)BC濃度分布均為對(duì)數(shù)正態(tài)分布.XC站點(diǎn)低濃度出現(xiàn)的頻率要遠(yuǎn)大于ZZL站點(diǎn),說(shuō)明城區(qū)BC污染比郊區(qū)嚴(yán)重.

圖2 XC、ZZL站點(diǎn)BC濃度和氣溶膠吸收系數(shù)頻率分布

2.2 深圳市BC濃度水平

表1所示為本次觀測(cè)BC濃度和我國(guó)其他站點(diǎn)的比較結(jié)果.同中國(guó)北方城市比較,深圳市城區(qū)BC濃度明顯低于北京[31]、成都[33]、重慶[34]、合肥[36]、上海[37]、蘭州[38]等北方城區(qū)BC值,也低于珠三角城市東莞[35]城區(qū)BC值,同2009年深圳城區(qū)[27]觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比,本次測(cè)得的值下降明顯,說(shuō)明近年來(lái)深圳市城區(qū)空氣質(zhì)量有一定的改善;而深圳市郊區(qū)BC濃度低于南京[30]、北京[32]、廣州[35]、上海[38]等郊區(qū)BC值,和海洋大氣背景海南西沙永興島[29]的BC濃度相比,其本底濃度值較接近,說(shuō)明深圳市XC站點(diǎn)作為一個(gè)區(qū)域本底站具有較好的代表性,XC站點(diǎn)可作為珠三角地區(qū)大氣成分背景站點(diǎn).

表1 我國(guó)不同站點(diǎn)BC濃度對(duì)比(mg/m3)

續(xù)表1

2.3 日變化分析

圖3所示為XC和ZZL站點(diǎn)BC濃度的日均變化圖,圖中圓圈代表平均值,直線的上下邊代表95和5分位數(shù),柱形上下邊代表75和25分位數(shù),中心線代表中位數(shù).由圖可知,整個(gè)觀測(cè)期間XC站點(diǎn)的BC濃度日變化波動(dòng)范圍較小,呈平滑穩(wěn)定狀態(tài),沒(méi)有明顯的峰值和谷值,僅在18:00(北京時(shí)間,下同)時(shí)刻略微上升;ZZL站點(diǎn)的BC濃度日變化波動(dòng)范圍較大,具有明顯的雙峰結(jié)構(gòu),兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在早上08:00和下午19:00~21:00時(shí)刻,雙峰出現(xiàn)的時(shí)間與市中心機(jī)動(dòng)車排放源的早晚高峰對(duì)應(yīng).谷值出現(xiàn)的時(shí)間大約是在中午13:00和夜間04:00左右,第一個(gè)谷值出現(xiàn)的時(shí)間與邊界層的抬升息息相關(guān).BC 的日變化特征是由氣象條件的日變化和人為活動(dòng)的日變化規(guī)律共同影響決定,能反映出人為活動(dòng)及大氣邊界層的日變化特征.

XC站點(diǎn)日變化波動(dòng)較小主要有兩方面原因:一是由于XC站點(diǎn)的大氣環(huán)境質(zhì)量受污染程度較輕,空氣比較潔凈,環(huán)境中BC濃度本身就比較低;二是由于XC站點(diǎn)遠(yuǎn)離人為源和交通源,受人類活動(dòng)影響較少,因此XC站點(diǎn)BC濃度日變化波動(dòng)較小. XC站點(diǎn)在18:00時(shí)刻BC濃度略微上升,可能是受傍晚氣溫下降、邊界層頂層降低的原因使得大氣中污染物擴(kuò)散能力下降,導(dǎo)致BC有微弱累積.

圖3 XC、ZZL站點(diǎn)BC濃度的日平均變化

ZZL站點(diǎn)東北方向垂直距離200m是京港澳高速公路,公路偏北、東北方向都是居民生活區(qū),站點(diǎn)靠近人為源和交通源,受人類活動(dòng)影響較大.夜間至早晨時(shí)間段大氣條件相對(duì)穩(wěn)定,高速公路車輛行駛較少,ZZL站點(diǎn)夜間BC濃度呈下降趨勢(shì).隨著天亮后人類活動(dòng)增強(qiáng)以及車輛早高峰的到來(lái),BC濃度在短期內(nèi)迅速積累,達(dá)到峰值.待早高峰結(jié)束后車輛逐漸減少,午后太陽(yáng)輻射、大氣湍流活動(dòng)都達(dá)到最大值,同時(shí)加上邊界層的抬升,這些因素均有利于BC的稀釋,因此在中午13:00時(shí)刻BC濃度達(dá)到最小值.下午隨著晚高峰來(lái)臨, BC濃度持續(xù)上升,在20:00時(shí)刻達(dá)到第二個(gè)峰值.峰值和谷值出現(xiàn)的時(shí)間與上下班高峰、機(jī)動(dòng)車行駛規(guī)律及大氣邊界層運(yùn)動(dòng)規(guī)律相吻合.

2.4 干濕季變化分析

深圳是珠江三角洲核心城市,位于華南地區(qū),由于深圳獨(dú)特的地理位置使得它氣候環(huán)境的四季變化不明顯,根據(jù)濕度和降水量,把華南地區(qū)全年劃分為干季和濕季[39].其中濕季是4~9月,干季是10月~次年3月,濕季伴隨著較高溫度和較多雨量,太陽(yáng)輻射和日照時(shí)間均較干季大,干季氣候相對(duì)干燥,溫度也較低.

表2統(tǒng)計(jì)了XC和ZZL站點(diǎn)觀測(cè)期間干濕季BC濃度特征.由表2可知:XC站點(diǎn)干濕季BC平均濃度分別為(1.55±0.91),(0.69±0.71) μg/m3,本底濃度分別為(1.00±0.65),(0.21±0.91)μg/m3, 干季BC平均濃度為濕季的2.2倍,干季BC本底濃度大約是濕季的5.0倍;ZZL站點(diǎn)干濕季BC平均濃度分別為(3.26±2.13),(1.91±1.60)μg/m3,本底濃度分別為(1.92±0.63),(0.83±0.69)μg/m3,干季BC平均濃度是濕季的1.7倍,干季BC本底濃度是濕季的2.3倍.ZZL站點(diǎn)的BC平均濃度在干濕季分別是XC站點(diǎn)的2.1倍和2.8倍;本底濃度分別為1.9倍和4.0倍.

表2 兩站點(diǎn)BC濃度干濕季對(duì)比(μg/m3)

數(shù)據(jù)反映兩地干濕季BC濃度差異較大,干季明顯高于濕季.干濕季節(jié)BC濃度差異受多方面因素控制,首先珠三角地區(qū)干濕季節(jié)大尺度背景風(fēng)向不同,干季受東北季風(fēng)影響為主,吹偏北風(fēng),在污染物遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中有長(zhǎng)三角及閩浙沿海一帶污染物與本地污染物疊加導(dǎo)致干季BC濃度偏高,濕季受南海季風(fēng)影響為主,吹偏南風(fēng),來(lái)自南海的氣流比較清潔導(dǎo)致濕季BC濃度偏低;其次,干季有微弱的下沉氣流,有利于污染物不斷在低層堆積,濕季垂直向上的熱力輸送較強(qiáng),有利于污染物向高層擴(kuò)散,加上濕季降雨較多,BC粒子受雨水沖刷發(fā)生吸濕增長(zhǎng),加速濕沉降過(guò)程,這些因素均造成濕季BC濃度低于干季.

2.5 年變化分析

圖4所示為XC和ZZL站點(diǎn)BC濃度年變化特征,圖中隨著顏色由藍(lán)到紅表示BC濃度逐漸增大.由圖4可知,XC站點(diǎn)BC濃度受人為活動(dòng)影響較小,在水平方向上顏色變化較穩(wěn)定,在7~10月傍晚18:00~21:00時(shí)段有微弱的增大趨勢(shì);ZZL站點(diǎn)受人為活動(dòng)影響較大,在水平方向變化劇烈,早晚都有較強(qiáng)的顏色變化趨勢(shì),在10月~次年1月傍晚濃度都處于較高水平.

圖4 XC、ZZL站點(diǎn)逐時(shí)BC濃度年變化

BC濃度變化主要受局地污染源和氣象條件的共同作用.兩個(gè)站點(diǎn)的BC濃度逐月波動(dòng)都較大,造成一年中的不同月份BC濃度變化的原因是多方面的,除受當(dāng)?shù)嘏欧旁春团欧艔?qiáng)度不同影響外,還受到大氣湍流變化強(qiáng)度的影響.每年2~8月珠三角地區(qū)日照時(shí)間較長(zhǎng),地面接收到的能量較多,大氣湍流垂直運(yùn)動(dòng)較為劇烈,有利于污染物稀釋,該段時(shí)期BC濃度較低;9月~次年1月珠三角地區(qū)日照時(shí)間較短,大氣湍流發(fā)展弱,且逆溫層出現(xiàn)的頻率較高,不利于污染物稀釋,因此這段時(shí)期BC濃度處于較高水平.

2.6 波長(zhǎng)吸收指數(shù)

波長(zhǎng)吸收指數(shù)(AAE)可以用來(lái)分析氣溶膠的混合狀態(tài),它是由兩個(gè)不同波長(zhǎng)(1的2)的吸收系數(shù)的比值和波長(zhǎng)比值求出的負(fù)指數(shù):

式中:()表示吸收系數(shù),1和2表示不同波長(zhǎng),通過(guò)上式可得該組波長(zhǎng)的AAE值:

有研究指出,大氣中純凈的黑碳?xì)馊苣z的AAE值接近1.0[41];Kirchstetter等[42]計(jì)算了接近排放BC源的AAE值大約為0.7~1.3,Chung等[43]計(jì)算的AAE值大約為0.7~1.0,并推測(cè)距離BC排放源的真實(shí)AAE值要小于1.如果BC中混合了棕碳?xì)馊苣z(BrC)、硫酸鹽氣溶膠、沙塵氣溶膠,其值就會(huì)增大[43-44];大氣中生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的BC的AAE值要比化石燃料燃燒產(chǎn)生的BC的AAE值大[45];基于Sandradewi等[46]的計(jì)算模型,化石燃料燃燒的AAE值大約為1.1,生物質(zhì)燃燒的AAE值大約為1.8~1.9.

本文分別用可見(jiàn)光波段470nm和660nm兩個(gè)波長(zhǎng)的吸收系數(shù)計(jì)算了XC和ZZL兩站點(diǎn)的日平均AAE值,XC站點(diǎn)的AAE值變化范圍在0.56~1.75之間,平均值為(0.94±0.16);ZZL站點(diǎn)AAE值日變化范圍在0.74~1.29之間,平均值為(0.92±0.08).XC站點(diǎn)的AAE值日變化范圍、標(biāo)準(zhǔn)差均大于ZZL站點(diǎn),說(shuō)明XC站點(diǎn)的BC污染排放源對(duì)當(dāng)?shù)谺C的貢獻(xiàn)較不穩(wěn)定,增加或減少某個(gè)排放源,BC受影響較大,而ZZL站點(diǎn)的BC污染排放源對(duì)當(dāng)?shù)谺C的貢獻(xiàn)比較穩(wěn)定,增加或減少某個(gè)排放源,BC受影響較小.

表3所示為XC和ZZL兩地不同月份的AAE值比較.由表可知,XC和ZZL兩地AAE值均在9月達(dá)到最小值,分別為0.77、0.85,在12月達(dá)到最大值,分別為1.16、1.03,此結(jié)果說(shuō)明兩地在9月份BC排放源對(duì)BC的貢獻(xiàn)比較單一,BC中所含其他類型的氣溶膠較少.華南地區(qū)在12月份天氣開(kāi)始變冷, 生物質(zhì)燃燒及其它含碳物質(zhì)的燃燒事件增多使得BC中混雜了其他類型的氣溶膠導(dǎo)致AAE值變大.雖受不同排放源影響,但兩地每月AAE值都在1附近波動(dòng),此結(jié)果表明造成兩地BC污染的主要來(lái)源是相同的,均源于化石燃料的燃燒,不同的是,ZZL站點(diǎn)受機(jī)動(dòng)車尾氣排放影響較大,而XC站點(diǎn)受碼頭船舶排放的污染物影響較大.

2.7 風(fēng)場(chǎng)對(duì)BC濃度的影響

XC站點(diǎn)海拔較ZZL站點(diǎn)高,視野比較開(kāi)闊,對(duì)風(fēng)的遮擋和阻礙較少,而ZZL站點(diǎn)海拔較低,建筑物多造成城市下墊面粗糙度較大,對(duì)風(fēng)的遮擋和阻礙較大,因此XC站點(diǎn)常年風(fēng)速較ZZL地區(qū)大.較大的風(fēng)速能使得污染物較快的被輸送,這也是造成XC站點(diǎn)BC濃度較ZZL站點(diǎn)低的一個(gè)原因.

圖5所示為BC濃度隨近地面風(fēng)場(chǎng)的變化圖.圖中由圓心到外表示風(fēng)速逐漸增大,隨著顏色由淺到深表示BC濃度逐漸增大,虛線圓圈代表風(fēng)速.由圖5發(fā)現(xiàn),XC站點(diǎn)顏色最深的位置在西北方向,而ZZL站點(diǎn)顏色最深的位置靠近圓心處.這種現(xiàn)象提示了碼頭船舶可能是XC地區(qū)BC的重要排放源,而ZZL地區(qū)則受本地排放源影響較大.

受近地面風(fēng)場(chǎng)影響,污染物的輸送在不同站點(diǎn)間影響顯著,下風(fēng)向地區(qū)易受上風(fēng)向地區(qū)傳輸影響[40].XC站點(diǎn)正南方向臨海,人類活動(dòng)較少,海面沒(méi)有較大的污染源,從海面吹來(lái)的風(fēng)較清潔,氣流中污染物攜帶較少,因此當(dāng)吹南風(fēng)時(shí),XC站點(diǎn)BC濃度始終保持在較低水平;XC站點(diǎn)的偏北方向是陸地,伴隨較多的人類活動(dòng),且西北方是深圳鹽田港(距XC站點(diǎn)大約32km),為世界第三大集裝箱碼頭,干季盛行偏北風(fēng),當(dāng)吹西北風(fēng)時(shí),XC站點(diǎn)正好位于鹽田港的下風(fēng)向,風(fēng)速較小時(shí),污染物傳輸速度較慢,XC站點(diǎn)BC濃度沒(méi)有明顯的增加;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10~20m/s時(shí),污染物傳輸速度較快,此時(shí)碼頭排放的污染物源源不斷的被輸送到XC地區(qū)導(dǎo)致XC地區(qū)BC濃度急劇升高;當(dāng)風(fēng)速超過(guò)20m/s時(shí),傳輸?shù)絏C站點(diǎn)的污染物隨著強(qiáng)氣流在短時(shí)間內(nèi)被清除,此時(shí)BC濃度變小.ZZL站點(diǎn)人類活動(dòng)較頻繁,BC濃度受局地污染源和城區(qū)污染物輸送的雙重影響.當(dāng)無(wú)風(fēng)或者風(fēng)速較小時(shí),污染物在城區(qū)容易積累不易擴(kuò)散,此時(shí)BC濃度最高;當(dāng)風(fēng)速逐漸增大時(shí),城區(qū)污染物輸送速度加快,此時(shí)BC濃度變小.

表3 XC、ZZL站點(diǎn)不同月份AAE值比較

圖5 XC、ZZL站點(diǎn)BC濃度隨風(fēng)速和風(fēng)向的變化

2.8 后向軌跡聚類分析

為了更進(jìn)一步研究?jī)蓚€(gè)站點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)對(duì)BC濃度的長(zhǎng)期影響,利用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA ARL)提供的GDAS數(shù)據(jù),結(jié)合TrajStat軟件對(duì)XC和ZZL站點(diǎn)2014年1月1日~2015年6月30日00:00~23:00逐時(shí)氣流來(lái)源進(jìn)行48h后向軌跡反演,根據(jù)兩站點(diǎn)海拔高度不同分別選擇200m和100m高度進(jìn)行計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)軌跡進(jìn)行聚類分析.

本研究中根據(jù)計(jì)算結(jié)果將兩個(gè)站點(diǎn)的軌跡都分為4類(Cluster 1~4,C1~C4),圖6所示為XC和ZZL站點(diǎn)48h后向軌跡聚類以及每條聚類對(duì)應(yīng)的BC濃度分布圖.圖中每條聚類對(duì)應(yīng)的百分?jǐn)?shù)表示不同方向的氣流比例,其大小反映了XC站點(diǎn)受中遠(yuǎn)距離傳輸影響較大,ZZL站點(diǎn)受周邊地區(qū)及本地排放源影響較大.圖中還統(tǒng)計(jì)了兩站點(diǎn)不同聚類下對(duì)應(yīng)的BC濃度.由圖可知,XC站點(diǎn)不同聚類下對(duì)應(yīng)的BC平均濃度由大到小依次排列為:C1(1.76±1.05) >C4(1.39±0.80)>C3 (1.07±0.76)>C2(0.54±0.55) μg/m3;ZZL站點(diǎn)不同聚類下對(duì)應(yīng)的BC平均濃度由大到小依次排列為:C4(3.50±2.26)>C1(3.25±1.72)>C3(2.63±1.89)>C2(1.62±1.33) μg/m3.來(lái)自于華中地區(qū)和海岸線的氣流攜帶污染物較多且污染較大,當(dāng)受其控制時(shí), XC和ZZL地區(qū)BC濃度偏大;來(lái)自南海的氣流較清潔,當(dāng)受其控制時(shí), XC和ZZL地區(qū)BC濃度偏小.

兩站點(diǎn)C4軌跡差異較大,ZZL站點(diǎn)的C4軌跡明顯較XC站點(diǎn)的C4軌跡短,這是由于當(dāng)ZZL地區(qū)受周邊地區(qū)及本地排放源共同影響時(shí),在珠三角地區(qū)形成小尺度渦旋,其排放的污染物在原地打轉(zhuǎn)造成局地污染,這種現(xiàn)象和吳兌課題組在珠三角核心區(qū)發(fā)現(xiàn)的性狀是一致的[47-48],進(jìn)一步表明城區(qū)站點(diǎn)本地排放源對(duì)城區(qū)BC的影響較大.

圖6 XC、ZZL站點(diǎn)48h后向軌跡聚類及不同聚類對(duì)應(yīng)的BC濃度分布

3 結(jié)論

3.1 觀測(cè)期間,深圳市城區(qū)和郊區(qū)的BC平均濃度分別為(2.58±1.91),(1.12±0.90)μg/m3,本底濃度分別為(1.13±0.81),(0.30±1.16)μg/m3,大氣氣溶膠吸收系數(shù)abs分別為(13.47±10.50)Mm-1、(5.87±4.81)Mm-1,城區(qū)BC值和abs值均高于郊區(qū)值,深圳市BC濃度分布都是對(duì)數(shù)正態(tài)分布.XC站點(diǎn)BC濃度與海洋大氣背景區(qū)海南西沙永興島的BC濃度較接近,說(shuō)明深圳市XC站點(diǎn)作為一個(gè)區(qū)域本底站具有較好的代表性.

3.2 XC站點(diǎn)作為區(qū)域背景站,BC日變化沒(méi)有明顯的峰值和谷值,ZZL站點(diǎn)BC日變化具有明顯的峰值和谷值.峰值和谷值出現(xiàn)的時(shí)間與上下班高峰、機(jī)動(dòng)車行駛規(guī)律及大氣邊界層運(yùn)動(dòng)規(guī)律相吻合.兩站點(diǎn)BC濃度均呈干季高、濕季低的特征.

3.3 通過(guò)分析兩站點(diǎn)AAE值變化特征,發(fā)現(xiàn)兩地AAE值均接近1,說(shuō)明兩地BC污染均主要來(lái)源于化石燃料的燃燒,XC地區(qū)受碼頭船舶排放的污染物影響較大,而ZZL地區(qū)受本地機(jī)動(dòng)車排放的污染物影響較大.

3.4 根據(jù)后向軌跡聚類分析,XC站點(diǎn)主要受中遠(yuǎn)距離輸送影響,ZZL站點(diǎn)主要受本地排放源影響.來(lái)自華中地區(qū)和海岸線的氣流攜帶污染物較多且污染較大,受其控制時(shí),XC和ZZL地區(qū)BC濃度偏大;來(lái)自南海的氣流較清潔,受其控制時(shí), XC和ZZL地區(qū)BC濃度偏小.ZZL站點(diǎn)受珠三角地區(qū)形成小尺度渦旋氣流影響,周邊和本地排放的污染物較易積聚,具有與珠三角核心區(qū)類似的性狀.

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Comparative study on the characteristics of black carbon aerosol in urban and suburban areas of Shenzhen.

CHENG Ding1,2, WU Cheng1,2*, WU Dui1,2,3**, LIU Jian3, SONG Lang1,2, SUN Tian-lin1,2, MAO Xia4, JIANG Yin4, LIU Ai-ming4

(1.Institute of Mass Spectrometer and Atmospheric Environment, Jinan University, Guangzhou 510632, China；2.Guangdong Engineering Research Centre for Online Atmospheric Pollution Source Appointment Mass Spectrometry System, Jinan University, Guangzhou 510632, China；3.School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China；4.Shenzhen Meteorological Bureau, Shenzhen 518040, China.)., 2018,38(5)：1653~1662

To better understand the pollution characteristics of black carbon (BC) in Shenzhen, BC and meteorological factors were measured from January 1, 2014 to June 30, 2015 at XC (suburban site) and ZZL (urban site) in Shenzhen. The results showed the average mass concentrations of BC at XC and ZZL sites during the campaign were (1.12±0.90) μg/m3and (2.58±2.00) μg/m3respectively. The background concentrations of BC at the two sites were (0.27±1.31) μg/m3and (1.07±0.85) μg/m3respectively. Theabsat XC site was (5.87±4.81) Mm-1while at ZZL site was (13.47±10.50) Mm-1. It was found that the values at the urban site were much higher than those at the suburban site. The BC concentrations at both sites were following the logarithmic normal distribution with higher concentrations in the dry season than that in the rainy season. A distinct diurnal pattern of BC with two peaks was observed at ZZL site. In contrast, XC site did not show obvious diurnal variations.The Absorption Angstrom Exponent (AAE) can be considered as an indicator of BC mixing state. It was found to be close to 1at both sites, indicating that BC at the two sites were dominated by fossil fuel combustion.Further study suggested high BC concentrations at XC site were usually associated with northwest wind (10~20m/s) when polluted aerosols were transported from the Shenzhen container wharf, which is the world's third largest container terminal. The backward trajectories clusters analysis indicated that BC at XC site was mainly affected by the long-range transport. WhileBC at the ZZL site was affected by the surrounding areas and local emissions.

BC；Shenzhen；mass concentration；AAE

X513

A

1000-6923(2018)05-1653-10

2017-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41475004,40775011)

* 責(zé)任作者, 博士后, wucheng.vip@foxmail.com; ** 教授, wudui.vip@foxmail.com

程 丁(1990-),男,山西呂梁人,暨南大學(xué)碩士研究生,主要從事大氣氣溶膠方面的研究.發(fā)表論文3篇.