程 丁,吳 晟*,吳 兌,**,劉 建,宋 烺,孫天林,毛 夏,江 崟,劉愛明

?

深圳市城區(qū)和郊區(qū)黑碳氣溶膠對比研究

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,劉愛明4

(1.暨南大學質譜儀器與大氣環(huán)境研究所,廣東 廣州 510632；2.暨南大學廣東省大氣污染在線源解析系統(tǒng)工程技術研究中心,廣東 廣州 510632；3.中山大學大氣科學學院,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)黑碳氣溶膠(BC)的污染特征,使用深圳市西涌(XC)站點(郊區(qū)) 和竹子林(ZZL)站點(城區(qū))2014年1月1日~2015年6月30日測得的BC濃度及常規(guī)氣象資料,對比研究了深圳地區(qū)兩個不同代表性站點的BC變化特征.結果表明:在觀測期間,郊區(qū)XC和城區(qū)ZZL站點BC小時平均濃度分別為(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)站點值均高于郊區(qū)站點.兩站點BC濃度分布均為對數(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.日變化分析表明ZZL站點BC濃度呈現(xiàn)明顯的雙峰結構,XC站點日變化不明顯.通過計算兩地的氣溶膠波長吸收指數(shù)AAE值,發(fā)現(xiàn)兩地AAE值均接近1,說明兩地BC污染主要來源于化石燃料的燃燒.進一步分析可知XC站點西北方向32km處是世界第三大集裝箱碼頭,當西北風達到一定程度時(10~20m/s),碼頭排放的污染物將嚴重影響XC站點的BC濃度.后向軌跡聚類分析結果表明,XC站點主要受中遠距離輸送影響,ZZL站點主要受周邊及本地污染源排放影響.

黑碳氣溶膠(BC)；深圳市；質量濃度；波長吸收指數(shù)(AAE)

黑碳氣溶膠(BC)是大氣氣溶膠的重要組成部分,主要是由含碳物質的不完全燃燒產生,它對全球氣候變化、區(qū)域環(huán)境空氣質量和人體健康均有重要影響.近年來,關于BC的研究已經成為國際和國內關于大氣研究的熱點內容.國際上對BC研究開展得相對較早,西方國家早在20世紀70年代就已經開始對BC進行觀測研究[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年[3],可根據沉積物中的黑碳成分作為示蹤物推斷地球曾經發(fā)生過的重大事件.此外,科學研究發(fā)現(xiàn)BC造成的直接輻射強迫介于IPCC報告中的CH4和CO2之間而成為全球變暖的第二影響因子[4].到20世紀80年代,世界氣象組織(WMO)開展的全球大氣監(jiān)測網(GAW)將BC作為一個重要的氣溶膠觀測項目.90年代起,中國逐漸開展了關于BC的觀測研究,發(fā)現(xiàn)東部地區(qū)的BC排放量大于西部地區(qū),且BC的排放具有較強的季節(jié)性[5].吳兌等[6-7]從2003年開始在珠三角地區(qū)開展對BC連續(xù)多年的觀測,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.隨著我國工業(yè)化的高速發(fā)展,能源消耗急劇增加,環(huán)境空氣質量不斷惡化,針對我國珠江三角洲[8-9]、長江三角洲[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,主要是細粒子的污染,尤其BC污染很嚴重[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,東西兩側均與海洋相接,是重要的邊境口岸城市.以往有研究者對深圳地區(qū)BC開展過觀測研究,但是僅僅基于單個站點且采樣時間較短,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展為期一年半的BC同步觀測,結合常規(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,通過后向軌跡聚類分析,探討了不同方向氣流對深圳市城區(qū)和郊區(qū)BC的影響特征.

1 研究方法

1.1 觀測站點

本研究的采樣站點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,遠離深圳市城區(qū),受人為活動影響較小,屬于深圳市郊區(qū),觀測數(shù)據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)和商貿區(qū),受人為活動影響較大,具有城市站點的典型特征,觀測數(shù)據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 觀測站點位置示意

1.2 觀測儀器與原理

本實驗觀測采用的儀器是美國Magee公司生產研發(fā)的AE-31型黑碳儀(Aethelometer Model 31,Magee Science Company),其擁有7個測量通道,波長分別為370、470、520、590、660、880及940nm,儀器經自動流量計校準后的流量為5.0L/min.黑碳儀測量大氣中BC的基本原理是建立在石英濾膜所收集的氣溶膠粒子對光吸收造成的衰減上[18],BC對可見光具有較強的吸收性,當用一束光照射到附有BC粒子的濾膜時,透過采樣濾膜的光會產生衰減,黑碳儀通過測量不同波長光的光學衰減量ATN,經過一系列運算就可以確定樣品中BC的含量.

本文在分析儀器觀測數(shù)據時,對其存在的誤差進行校正[19-22].用黑碳儀觀測大氣中BC含量時,存在以下幾個方面的誤差:①除去一些特殊天氣狀況(如沙塵),BC對總的光吸收貢獻在90%以上[23-24],其他成分的氣溶膠對光的吸收占比很小,可忽略不計;因此用黑碳儀收集的氣溶膠粒子,本文近似地認為全部是黑碳粒子.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.當黑碳儀把大氣中的BC粒子收集到濾膜上時,BC由懸浮態(tài)轉變?yōu)閴嚎s態(tài),其性狀發(fā)生改變,從而散射效應也發(fā)生改變.黑碳儀測得的是氣溶膠在濾膜上的光衰減系數(shù)atn,需要對其進行計算校正,轉變?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)測的儀器,在進行連續(xù)監(jiān)測時,由于濾帶上負載物質逐漸增加,沉積在濾膜上的BC粒子前后會產生遮擋,造成儀器對光透射信號的非線性響應,隨著采樣點處“負載效應”的增加,儀器測得的數(shù)據會顯示出系統(tǒng)性的減少.本文對其他成分的氣溶膠造成的光的衰減忽略不計,對②③產生的儀器檢測誤差進行校正.計算光學衰減量ATN的公式如下:

式中:為采樣點處光學衰減增量;o為參照點處光學衰減增量.一個測量周期中,當濾膜采樣點收集的粒子達到一定程度,透過光的光學衰減量達到設置的閾值時,該周期結束,儀器進行下個采樣周期.atn是氣溶膠在濾膜上的光吸收系數(shù),計算公式如下:

式中:ΔATN是指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的增量,與采樣點的BC質量的增量成正比;是氣溶膠沉積物的斑點面積;是在每個測量周期中通過濾膜的空氣體積.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“負載效應”的ATN的函數(shù),可用下列公式計算得出[20]:

式中:是可調的,為了實現(xiàn)數(shù)據不連續(xù)性的最小化.本次研究的黑碳儀數(shù)據采用的ref為3.48[22]、為1.20,使用Aethlometer date processor程序實現(xiàn)數(shù)據的訂正[24].在已知吸收系數(shù)的情況下,BC質量濃度的計算公式為:

式中:σ表示單位面積沉積在濾膜上的單位質量的黑碳氣溶膠對光的衰減率,m2/g.得到采樣時間間隔Δ內采樣的空氣體積,結合(1)~(5)式通過計算即可得到該時間段內空氣樣品中的BC含量.本文中的直方圖和箱式圖使用Histbox程序繪制[25].

2 結果與討論

2.1 觀測結果頻率分布

圖2所示為深圳市XC和ZZL站點2014年1月1日~2015年6月30日觀測得到的BC逐時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520nm處測得,記為abs520.由圖2可知,觀測期間XC站點的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站點對應的值分別為 (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均超過郊區(qū)值的2倍多,說明深圳市城區(qū)細粒子污染更嚴重.

平均濃度只能反映某地污染物在一段時期的濃度平均值,無法衡量本地長時間污染物背景濃度值.本底濃度是指大氣中某物質基本混合均勻后的濃度,能夠反映某一尺度區(qū)域內處于均勻混合狀態(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,用來反映本地污染背景值[26].進一步采用多參數(shù)對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)對兩個站點的BC頻數(shù)分布擬合,通過擬合后的函數(shù)求得兩個站點BC的本底濃度分別為:XC站點(0.27±1.31)μg/ m3、ZZL站點(1.07±0.85)μg/m3,兩個站點的本底濃度都小于該站點的平均濃度,兩個站點BC濃度分布均為對數(shù)正態(tài)分布.XC站點低濃度出現(xiàn)的頻率要遠大于ZZL站點,說明城區(qū)BC污染比郊區(qū)嚴重.

圖2 XC、ZZL站點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BC濃度和我國其他站點的比較結果.同中國北方城市比較,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]觀測的數(shù)據對比,本次測得的值下降明顯,說明近年來深圳市城區(qū)空氣質量有一定的改善;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,說明深圳市XC站點作為一個區(qū)域本底站具有較好的代表性,XC站點可作為珠三角地區(qū)大氣成分背景站點.

表1 我國不同站點BC濃度對比(mg/m3)

續(xù)表1

2.3 日變化分析

圖3所示為XC和ZZL站點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,整個觀測期間XC站點的BC濃度日變化波動范圍較小,呈平滑穩(wěn)定狀態(tài),沒有明顯的峰值和谷值,僅在18:00(北京時間,下同)時刻略微上升;ZZL站點的BC濃度日變化波動范圍較大,具有明顯的雙峰結構,兩個峰值分別出現(xiàn)在早上08:00和下午19:00~21:00時刻,雙峰出現(xiàn)的時間與市中心機動車排放源的早晚高峰對應.谷值出現(xiàn)的時間大約是在中午13:00和夜間04:00左右,第一個谷值出現(xiàn)的時間與邊界層的抬升息息相關.BC 的日變化特征是由氣象條件的日變化和人為活動的日變化規(guī)律共同影響決定,能反映出人為活動及大氣邊界層的日變化特征.

XC站點日變化波動較小主要有兩方面原因:一是由于XC站點的大氣環(huán)境質量受污染程度較輕,空氣比較潔凈,環(huán)境中BC濃度本身就比較低;二是由于XC站點遠離人為源和交通源,受人類活動影響較少,因此XC站點BC濃度日變化波動較小. XC站點在18:00時刻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散能力下降,導致BC有微弱累積.

圖3 XC、ZZL站點BC濃度的日平均變化

ZZL站點東北方向垂直距離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),站點靠近人為源和交通源,受人類活動影響較大.夜間至早晨時間段大氣條件相對穩(wěn)定,高速公路車輛行駛較少,ZZL站點夜間BC濃度呈下降趨勢.隨著天亮后人類活動增強以及車輛早高峰的到來,BC濃度在短期內迅速積累,達到峰值.待早高峰結束后車輛逐漸減少,午后太陽輻射、大氣湍流活動都達到最大值,同時加上邊界層的抬升,這些因素均有利于BC的稀釋,因此在中午13:00時刻BC濃度達到最小值.下午隨著晚高峰來臨, BC濃度持續(xù)上升,在20:00時刻達到第二個峰值.峰值和谷值出現(xiàn)的時間與上下班高峰、機動車行駛規(guī)律及大氣邊界層運動規(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),由于深圳獨特的地理位置使得它氣候環(huán)境的四季變化不明顯,根據濕度和降水量,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,太陽輻射和日照時間均較干季大,干季氣候相對干燥,溫度也較低.

表2統(tǒng)計了XC和ZZL站點觀測期間干濕季BC濃度特征.由表2可知:XC站點干濕季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站點的BC平均濃度在干濕季分別是XC站點的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BC濃度干濕季對比(μg/m3)

數(shù)據反映兩地干濕季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)大尺度背景風向不同,干季受東北季風影響為主,吹偏北風,在污染物遠距離傳輸過程中有長三角及閩浙沿海一帶污染物與本地污染物疊加導致干季BC濃度偏高,濕季受南海季風影響為主,吹偏南風,來自南海的氣流比較清潔導致濕季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,有利于污染物向高層擴散,加上濕季降雨較多,BC粒子受雨水沖刷發(fā)生吸濕增長,加速濕沉降過程,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BC濃度年變化特征,圖中隨著顏色由藍到紅表示BC濃度逐漸增大.由圖4可知,XC站點BC濃度受人為活動影響較小,在水平方向上顏色變化較穩(wěn)定,在7~10月傍晚18:00~21:00時段有微弱的增大趨勢;ZZL站點受人為活動影響較大,在水平方向變化劇烈,早晚都有較強的顏色變化趨勢,在10月~次年1月傍晚濃度都處于較高水平.

圖4 XC、ZZL站點逐時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.兩個站點的BC濃度逐月波動都較大,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?shù)嘏欧旁春团欧艔姸炔煌绊懲?還受到大氣湍流變化強度的影響.每年2~8月珠三角地區(qū)日照時間較長,地面接收到的能量較多,大氣湍流垂直運動較為劇烈,有利于污染物稀釋,該段時期BC濃度較低;9月~次年1月珠三角地區(qū)日照時間較短,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,因此這段時期BC濃度處于較高水平.

2.6 波長吸收指數(shù)

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

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

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

本文分別用可見光波段470nm和660nm兩個波長的吸收系數(shù)計算了XC和ZZL兩站點的日平均AAE值,XC站點的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站點的AAE值日變化范圍、標準差均大于ZZL站點,說明XC站點的BC污染排放源對當?shù)谺C的貢獻較不穩(wěn)定,增加或減少某個排放源,BC受影響較大,而ZZL站點的BC污染排放源對當?shù)谺C的貢獻比較穩(wěn)定,增加或減少某個排放源,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月達到最小值,分別為0.77、0.85,在12月達到最大值,分別為1.16、1.03,此結果說明兩地在9月份BC排放源對BC的貢獻比較單一,BC中所含其他類型的氣溶膠較少.華南地區(qū)在12月份天氣開始變冷, 生物質燃燒及其它含碳物質的燃燒事件增多使得BC中混雜了其他類型的氣溶膠導致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,此結果表明造成兩地BC污染的主要來源是相同的,均源于化石燃料的燃燒,不同的是,ZZL站點受機動車尾氣排放影響較大,而XC站點受碼頭船舶排放的污染物影響較大.

2.7 風場對BC濃度的影響

XC站點海拔較ZZL站點高,視野比較開闊,對風的遮擋和阻礙較少,而ZZL站點海拔較低,建筑物多造成城市下墊面粗糙度較大,對風的遮擋和阻礙較大,因此XC站點常年風速較ZZL地區(qū)大.較大的風速能使得污染物較快的被輸送,這也是造成XC站點BC濃度較ZZL站點低的一個原因.

圖5所示為BC濃度隨近地面風場的變化圖.圖中由圓心到外表示風速逐漸增大,隨著顏色由淺到深表示BC濃度逐漸增大,虛線圓圈代表風速.由圖5發(fā)現(xiàn),XC站點顏色最深的位置在西北方向,而ZZL站點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.

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

表3 XC、ZZL站點不同月份AAE值比較

圖5 XC、ZZL站點BC濃度隨風速和風向的變化

2.8 后向軌跡聚類分析

為了更進一步研究兩個站點的風場對BC濃度的長期影響,利用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA ARL)提供的GDAS數(shù)據,結合TrajStat軟件對XC和ZZL站點2014年1月1日~2015年6月30日00:00~23:00逐時氣流來源進行48h后向軌跡反演,根據兩站點海拔高度不同分別選擇200m和100m高度進行計算,并根據計算結果對軌跡進行聚類分析.

本研究中根據計算結果將兩個站點的軌跡都分為4類(Cluster 1~4,C1~C4),圖6所示為XC和ZZL站點48h后向軌跡聚類以及每條聚類對應的BC濃度分布圖.圖中每條聚類對應的百分數(shù)表示不同方向的氣流比例,其大小反映了XC站點受中遠距離傳輸影響較大,ZZL站點受周邊地區(qū)及本地排放源影響較大.圖中還統(tǒng)計了兩站點不同聚類下對應的BC濃度.由圖可知,XC站點不同聚類下對應的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站點不同聚類下對應的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,當受其控制時, XC和ZZL地區(qū)BC濃度偏大;來自南海的氣流較清潔,當受其控制時, XC和ZZL地區(qū)BC濃度偏小.

兩站點C4軌跡差異較大,ZZL站點的C4軌跡明顯較XC站點的C4軌跡短,這是由于當ZZL地區(qū)受周邊地區(qū)及本地排放源共同影響時,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],進一步表明城區(qū)站點本地排放源對城區(qū)BC的影響較大.

圖6 XC、ZZL站點48h后向軌跡聚類及不同聚類對應的BC濃度分布

3 結論

3.1 觀測期間,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濃度分布都是對數(shù)正態(tài)分布.XC站點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,說明深圳市XC站點作為一個區(qū)域本底站具有較好的代表性.

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

3.3 通過分析兩站點AAE值變化特征,發(fā)現(xiàn)兩地AAE值均接近1,說明兩地BC污染均主要來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)受本地機動車排放的污染物影響較大.

3.4 根據后向軌跡聚類分析,XC站點主要受中遠距離輸送影響,ZZL站點主要受本地排放源影響.來自華中地區(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,XC和ZZL地區(qū)BC濃度偏大;來自南海的氣流較清潔,受其控制時, XC和ZZL地區(qū)BC濃度偏小.ZZL站點受珠三角地區(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.

[1] Wolff G T. Particulate elemental carbon in the atmosphere [J]. Journal of the Air Pollution Control Association, 1981,31(9):935-938.

[2] Smith D M, Griffin J J, Goldberg E D. Elemental carbon in marine sediments: A baseline for burning [J]. Nature, 1973, 241(5387):268-270.

[3] Masiello C A, Druffel E R M. Black carbon in deep-sea sediments [J]. Science, 1998,280(5371):1911.

[4] Jacobson M Z. Strong radiative heating due to the mixing state of black carbon in atmospheric aerosols. [J]. Nature, 2001,409(6821):695.

[5] 許 黎,王亞強,陳振林,等.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.

[6] 吳 兌,毛節(jié)泰,鄧雪嬌,等.珠江三角洲黑碳氣溶膠及其輻射特性的觀測研究[J]. 中國科學D輯, 2009,39(11):1542-1553.

[7] 吳 兌,廖碧婷,陳慧忠,等.珠江三角洲地區(qū)的灰霾天氣研究進展[J]. 氣候與環(huán)境研究, 2014,19(2):248-264.

[8] 陶 俊,朱李華,韓靜磊,等.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] Wu C, Ng W M, Huang J, et al. Determination of elemental and organic carbon in PM2.5in the Pearl River Delta Region: Inter-instrument (Sunset vs. DRI Model 2001 Thermal. Optical Carbon Analyzer) and Inter-Protocol Comparisons (IMPROVE vs. ACE-Asia Protocol) [J]. Aerosol Science & Technology, 2012,46(6):610-621.

[10] 徐 昶,沈建東,葉 輝,等.杭州黑碳氣溶膠污染特性及來源研究[J]. 中國環(huán)境科學, 2014,34(12):3026-3033.

[11] 王洪強,賀千山,陳勇航,等.2008~2012年上海黑碳濃度變化特征分析[J]. 環(huán)境科學, 2014,35(4):1215-1222.

[12] 丁 銘,鄒 強,葛 順,等.蘇州市黑碳氣溶膠的污染特征分析[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2014,30(6):67-71.

[13] 張 驍,湯 潔,武云飛,等. 2006~2012年北京及周邊地區(qū)黑碳氣溶膠變化特征[J]. 中國粉體技術, 2015,21(4):24-29.

[14] 姚 青,蔡子穎,韓素芹,等.天津城區(qū)秋冬季黑碳氣溶膠觀測與分析[J]. 環(huán)境化學, 2012,31(3):324-329.

[15] 高潤祥,牛生杰,張 華,等. 2006年春季西北地區(qū)黑碳氣溶膠的觀測研究[J]. 大氣科學學報, 2008,31(5):655-661.

[16] 李燕軍,張 鐳,曹賢潔,等.蘭州城市和遠郊區(qū)黑碳氣溶膠濃度特征[J]. 中國環(huán)境科學, 2014,31(6):1397-1403.

[17] 吳 兌,劉啟漢,梁延剛,等.粵港細粒子PM2.5污染導致能見度下降與灰霾天氣形成的研究[J]. 環(huán)境科學學報, 2012,32(11): 2660-2669.

[18] Hansen A D A, Rosen H, Novakov T. The aethalometer-An instrument for the real-time measurement of optical absorption by aerosol particles [J]. Sci. Total Environ., 1984, 36(JUN):191-196.

[19] Weingartner E, Saathoff H, Schnaiter M, et al. Absorption of light by soot particles: determination of the absorption coefficient by means of aethalometers [J]. Journal of Aerosol Science, 2003, 34(10):1445-1463.

[20] Virkkula A, M?kel? T, Hillamo R, et al. A simple procedure for correcting loading effects of Aethalometer Data [J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 2007,57(10):12-14.

[21] Coen M C, Weingartner E, Apituley A, et al. Minimizing light absorption measurement artifacts of the Aethalometer: evaluation of five correction algorithms [J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2010,3(2010):457-474.

[22] Wu D, Wu C, Liao B, et al. Seasonal variation of black carbon over the South China Sea and in various continental locations in South China [J]. Atmos. Chem. Physi., 2013,13(24):12257-12270.

[23] Hansen A D A, Novakov T. Real-time measurement of aerosol black carbon during the carbonaceous species methods comparison study [J]. Aerosol Science & Technology, 1990,12(1):194-199.

[24] Wu C, Wu D, Yu J Z. Quantifying black carbon light absorption enhancement by a novel statistical approach [J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2018,18(1):289-309.

[25] Wu C. Histbox. Zenodo. http://doi.org/10.5281/zenodo.832411. [P]. 2017.

[26] 秦世廣,湯 潔,石廣玉,等.四川溫江黑碳氣溶膠濃度觀測研究[J]. 環(huán)境科學學報, 2007,27(8):1370-1376.

[27] 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.

[28] 湯 潔,溫玉璞,周凌晞,等.中國西部大氣清潔地區(qū)黑碳氣溶膠的觀測研究[J]. 應用氣象學報, 1999,10(2):33-43.

[29] 杜 麗,孟曉艷,李 鋼,等.西沙永興島黑碳濃度特征初探[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2013,29(5):69-72.

[30] 肖思晗,于興娜,朱 彬,等.南京北郊黑碳氣溶膠污染特征及影響因素分析[J]. 環(huán)境科學, 2016,37(9):3280-3289.

[31] 張宸赫,程興宏,趙天良,等.不同季節(jié)氣象條件對北京城區(qū)高黑碳濃度變化的影響[J]. 環(huán)境科學學報, 2017,37(6):2255-2264.

[32] 荊俊山,張仁健,陶 俊.北京郊區(qū)夏季PM2.5和黑碳氣溶膠的觀測資料分析[J]. 氣象科學, 2011,31(4):510-515.

[33] 孫歡歡,倪長健,崔 蕾.成都市黑碳氣溶膠污染特征及與氣象因子的關系[J]. 環(huán)境工程, 2016,34(6):119-124.

[34] 鐘 杰,翟崇治,余家燕,等.重慶市核心區(qū)黑碳氣溶膠濃度特征以及影響因素分析[J]. 環(huán)境工程學報, 2016,10(2):805-810.

[35] 陳慧忠,吳 兌,廖碧婷,等.東莞與帽峰山黑碳氣溶膠濃度變化特征的對比[J]. 中國環(huán)境科學, 2013,33(4):605-612.

[36] 魏 楨,朱 余,張勁松,等.合肥市黑炭氣溶膠濃度分布和變化特征研究[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2015,31(6):22-27.

[37] 肖秀珠,劉鵬飛,耿福海,等.上海市區(qū)和郊區(qū)黑碳氣溶膠的觀測對比 [J]. 應用氣象學報, 2011,22(2):158-168.

[38] 張 磊,張 鐳,張丁玲,等.蘭州遠郊區(qū)黑碳氣溶膠濃度特征[J]. 中國環(huán)境科學, 2011,31(8):1248-1255.

[39] 簡茂球.華南地區(qū)氣候季節(jié)的劃分[J]. 中山大學學報(自然科學版), 1994,46(2):131-133.

[40] 吳 蒙,彭慧萍,范紹佳,等.珠江三角洲區(qū)域空氣質量的時空變化特征[J]. 環(huán)境科學與技術, 2015,38(2):77-82.

[41] Moosmüller H, Chakrabarty R K, Ehlers K M, et al. Absorption angstrom coefficient, brown carbon, and aerosols: basic concepts, bulk matter, and spherical particles [J]. Atmos. Chem. Physi., 2011,11(3):24735-24761.

[42] Kirchstetter T W, Novakov T, Hobbs P V. Evidence that the spectral dependence of light absorption by aerosols is affected by organic carbon [J]. J. Geophysical Research Atmospheres, 2004, 109(D21):21208.

[43] Chung C E, Kim S W, Lee M, et al. Carbonaceous aerosol AAE inferred from in-situ aerosol measurements at the Gosan ABC super site, and the implications for brown carbon aerosol [J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2012,12(14):4507-4539.

[44] Lack D A, Cappa C D. Impact of brown and clear carbon on light absorption enhancement, single scatter albedo and absorption wavelength dependence of black carbon [J]. Atmospheric Chemistry & Physics Discussions, 2010,10(1):4207-4220.

[45] Russell P B, Bergstrom R W, Shinozuka Y, et al. Absorption angstrom exponent in AERONET and related data as an indicator of aerosol composition [J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2010,10(3):1155-1169.

[46] Sandradewi J, Prév?t A S, Szidat S, et al. Using aerosol light absorption measurements for the quantitative determination of wood burning and traffic emission contributions to particulate matter [J]. Environ. Sci. Technol., 2008,42(9):3316

[47] 吳 兌,鄧雪嬌,畢雪巖,等.細粒子污染形成灰霾天氣導致廣州地區(qū)能見度下降[J]. 熱帶氣象學報, 2007,23(1):1-6.

[48] 吳 兌,吳 晟,李 菲,等.粗粒子氣溶膠遠距離輸送造成華南嚴重空氣污染的分析[J]. 中國環(huán)境科學, 2011,31(4):540-545.

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

國家自然科學基金資助項目(41475004,40775011)

* 責任作者, 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.