陳 誠(chéng)，王晨波，秦 瑋，花 艷，湯莉莉,4

(1. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，南京 210036；2. 江蘇省蘇協(xié)環(huán)境技術(shù)研究院，南京 210036；3. 南京科略環(huán)境科技有限責(zé)任公司，南京 211800；4. 南京信息工程大學(xué)，南京210044)

1 前 言

黑碳(black carbon，BC)指在大氣當(dāng)中的黑色含碳顆粒物，是由于煤和石油等的不完全燃燒或火山噴發(fā)所形成的無(wú)定型碳質(zhì)[1]。BC具有很強(qiáng)的吸收性質(zhì)，占大氣氣溶膠總吸收性能的90%以上[2]，吸收太陽(yáng)光使得大氣能見(jiàn)度降低，影響人類(lèi)的交通出行；它還可以通過(guò)云-氣溶膠之間相互作用，造成直接或間接輻射強(qiáng)迫效應(yīng)[3]，引起溫室效應(yīng)和全球氣候變化；BC表面孔隙結(jié)構(gòu)有利于各種有害氣體 (如含硫、氮的化合物和臭氧等)、顆粒物、毒性有機(jī)物(如多環(huán)芳烴，PAH等)和大氣中的各種自由基(如OH等)的吸收,并在其表面有可能發(fā)生光氧化等二次化學(xué)反應(yīng)[4]；加上其自身的粒徑較小，易通過(guò)呼吸進(jìn)入人體內(nèi)部被人所吸收,一旦BC吸附了有毒有害物質(zhì)，則會(huì)引起皮膚、呼吸道、肺部等器官的疾病，甚至引發(fā)癌癥，危害人體健康。

我國(guó)BC的排放和濃度比同緯度的國(guó)家和地區(qū)要高，據(jù)統(tǒng)計(jì)[5]，中國(guó)排放的BC占全球人為排放量的1/4，并且BC在大氣中通?？神v留長(zhǎng)達(dá)一周，因此這些BC經(jīng)大氣傳輸對(duì)周邊國(guó)家和地區(qū)環(huán)境產(chǎn)生影響。中國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，正處在工業(yè)化進(jìn)程當(dāng)中，能源需求量大，需要燃燒大量的以煤為主的化石燃料；隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量急劇增長(zhǎng)；在我國(guó)的廣大農(nóng)村地區(qū)會(huì)進(jìn)行如燃燒秸稈[6]和牛糞燃燒等排放大量BC的活動(dòng)，所以在未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，中國(guó)仍是全球BC的主要排放源之一。綜上所述，BC的觀測(cè)研究對(duì)于我國(guó)乃至全球的環(huán)境保護(hù)工作和緩解全球溫室效應(yīng)，提高人們的生活質(zhì)量有著重要的意義。

南京和蘇州作為長(zhǎng)三角腹地重要城市，灰霾等大氣復(fù)合污染問(wèn)題日漸突出[7]。本研究運(yùn)用黑碳儀對(duì)2013年南京和蘇州BC進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，分析兩市BC濃度變化特征和影響因素，研究其與氣象條件及氣態(tài)污染物SO2、CO、NOX之間的關(guān)系，對(duì)改善長(zhǎng)三角地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量，建立區(qū)域大氣污染治理對(duì)策有重要意義。

2 儀器與方法

2.1 觀測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)時(shí)間

南京觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在鼓樓區(qū)鳳凰西街某環(huán)保單位的六層觀測(cè)臺(tái)，該點(diǎn)位15m外是交通密集干道，并且周?chē)h(huán)境以餐飲業(yè)、居民區(qū)和辦公樓為主，可以代表大都市基本環(huán)境特征。蘇州市觀測(cè)點(diǎn)位于市區(qū)南門(mén)國(guó)控子站附近，周邊多為居民住宅小區(qū)，偏南方向700m處為蘇州南門(mén)汽車(chē)客運(yùn)站。表1匯總了本研究采用的觀測(cè)儀器和時(shí)間。

表1 觀測(cè)時(shí)間和觀測(cè)儀器Tab.1 Observation period and instruments

2.2 觀測(cè)儀器

2.2.1 黑碳儀

美國(guó)Magee公司生產(chǎn)的AE-31型黑碳儀能夠在370nm，470 nm，520 nm，590 nm，660 nm，880 nm和950 nm 7個(gè)波段連續(xù)監(jiān)測(cè)黑碳的濃度，是光學(xué)測(cè)量法的典型代表儀器。黑碳儀主要由采樣室、進(jìn)氣管線和抽氣泵及流量控制系統(tǒng)、光源電路系統(tǒng)、光檢測(cè)器系統(tǒng)以及控制計(jì)算機(jī)等部分組成。

2.2.2 輔助儀器

采用METONE型號(hào)的BAM-1020 BETA射線顆粒物監(jiān)測(cè)儀，采樣流量為16.7 L/min。經(jīng)美國(guó)國(guó)家環(huán)保局EPA認(rèn)證，利用Beta射線原理自動(dòng)測(cè)量和記錄顆粒物濃度水平。該方法提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的濃度檢測(cè)方法，以空氣每立方米毫克或微克顆粒物為單位。

氣態(tài)污染物分析儀。美國(guó)Thermo公司生產(chǎn)的Model 42i、Model 43i和Model 48i三種氣態(tài)污染物分析儀分別監(jiān)測(cè)NOX、SO2和CO的濃度數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和質(zhì)量保證

觀測(cè)期間，儀器均按照操作規(guī)章開(kāi)展日常的內(nèi)標(biāo)、外標(biāo)、零點(diǎn)標(biāo)定、跨度標(biāo)定工作；標(biāo)準(zhǔn)氣體等均選用商業(yè)化的、純度高的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。所有在線觀測(cè)數(shù)據(jù)均進(jìn)行數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性和有效性，文中各平均值均為算數(shù)平均值，相關(guān)性分析均嚴(yán)格按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 南京市和蘇州市BC濃度特征概況

圖1表示2013年南京市和蘇州市全年P(guān)M2.5和BC日均值變化趨勢(shì)，兩市PM2.5和BC濃度變化趨勢(shì)為冬季較高，秋季次之，春夏較低，且PM2.5濃度日均值變化范圍為2.79～353.21 μg/m3和10.90～370.46 μg/m3，年均值為79.23 μg/m3和63.06 μg/m3；BC濃度日均值分別為0.36～15.56 μg/m3和0.94～21.31 μg/m3，年均值為3.93 μg/m3和5.07 μg/m3。圖2是南京和蘇州BC月均值變化趨勢(shì)，可以看出2月份是南京和蘇州BC濃度全年中較低的月份，這可能由于2月份是農(nóng)歷春節(jié)時(shí)期，燃煤企業(yè)放假，污染物排放減少，空氣質(zhì)量提高。

圖1 南京市和蘇州市2013年全年黑碳濃度變化趨勢(shì)(小時(shí)均值)Fig.1 Trends of BC concentrations in Nanjing and Suzhou in 2013 (hourly average)

圖2 南京市和蘇州市2013年全年黑碳月均值濃度變化趨勢(shì)Fig.2 Trends of monthly average BC concentrations in Nanjing and Suzhou in 2013

圖2采用具有最大分布頻數(shù)的濃度值分別分析南京和蘇州BC污染狀況。以0.2μg/m3作為頻數(shù)統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)，作出BC小時(shí)平均濃度的頻數(shù)分布圖。由圖3，BC小時(shí)濃度均值的頻數(shù)分布呈現(xiàn)非正態(tài)分布，使用對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)對(duì)頻數(shù)分布特征進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示南京市BC小時(shí)平均濃度在1.9μg/m3出現(xiàn)頻率最大，蘇州為2.5μg/m3，可作為南京和蘇州大氣BC本底值。由此可見(jiàn)，蘇州市大氣BC本底值濃度高于南京市，蘇州市BC污染更為嚴(yán)重。

與其他城市相比，南京BC濃度低于杭州、北京、天津、西安等地，與上海、西寧相近；蘇州市BC濃度低于天津、西安，與杭州、深圳、東莞相近，但兩地BC濃度均遠(yuǎn)高于瓦里關(guān)(全球本底站)，南京和蘇州BC濃度與東部沿海城市相近(表2)，但與瓦里關(guān)相比各大城市BC污染都高出數(shù)十倍，進(jìn)一步說(shuō)明長(zhǎng)三角區(qū)域BC污染嚴(yán)峻。

圖3 南京市和蘇州市黑碳小時(shí)平均濃度頻數(shù)分布Fig.3 Frequency distribution of hourly average BC concentrations in Nanjing and Suzhou

地點(diǎn)時(shí)間粒徑BC濃度(μg/m3)南京(本研究)2013-1～2013-12PM2.53.93蘇州(本研究)2013-1～2013-12PM2.55.07杭州[8]2011-7～2012-6PM2.55.14北京[9]2005-9～2007-8TSP5.25天津[10]2010-9～2011-1PM2.56.89上海[11]2007-12～2008-11PM2.53.8廣州[12]2011PM2.54.3深圳[13]2009PM2.55.72東莞[14]2009TSP5.27西安[15]2006-3～2007-2PM2.510.0西寧[16]2005-9～2007-7TSP4.24蘭州[17]2007-1～2009-8PM2.51.57瓦里關(guān)(全球本站)[16]2006-1～2006-12TSP0.28

3.2 風(fēng)速風(fēng)向?qū)δ暇┦泻吞K州市BC的影響

圖4可見(jiàn)，南京和蘇州市全年風(fēng)速不超過(guò)7 m/s，即風(fēng)力不超過(guò)4級(jí)，兩市BC濃度變化受風(fēng)速影響顯著，在靜風(fēng)和小風(fēng)條件(<3 m/s)下，BC濃度值較高。就南京市而言，濃度值超過(guò)3 μg/m3的BC除了在低風(fēng)速下分布較多，在風(fēng)速>3 m/s的情況下BC濃度也會(huì)出現(xiàn)高值，這說(shuō)明即使風(fēng)速較大的情況下，若本地污染源排放BC加劇，也會(huì)造成BC濃度增大。而B(niǎo)C濃度超過(guò)8 μg/m3的情況下受風(fēng)速影響明顯，BC濃度高值基本處于風(fēng)速低于3 m/s的部分。蘇州BC受風(fēng)速的影響與南京市相似，主要是在風(fēng)速<3 m/s的情況下，BC濃度較高。

圖4 風(fēng)速對(duì)南京市和蘇州市黑碳濃度的影響Fig.4 Influence of wind speed on BC concentrations in Nanjing and Suzhou

不同風(fēng)向造成污染氣團(tuán)傳輸路徑不同，從而對(duì)BC濃度造成不同的影響。從(圖5)南京四季不同風(fēng)向下BC濃度分布圖可以看出，南京盛行風(fēng)主要是北風(fēng)和西風(fēng)，且這兩個(gè)方向的氣團(tuán)主要來(lái)自于內(nèi)陸污染較重地區(qū)，相應(yīng)地，在此風(fēng)向下容易出現(xiàn)BC濃度高值。但是風(fēng)向?qū)δ暇〣C在不同季節(jié)影響也是不同的，春季BC濃度高值主要出現(xiàn)在西北風(fēng)向；夏季BC濃度高值除了受西北風(fēng)向的影響，東北偏東風(fēng)向也會(huì)有一定影響，這可能受蘇北地區(qū)污染氣團(tuán)的影響；秋冬季節(jié)北風(fēng)和西風(fēng)對(duì)BC濃度的影響更為明顯，說(shuō)明內(nèi)陸污染氣團(tuán)隨這兩個(gè)方向的氣流傳輸至南京市，造成BC濃度偏高。相比南京市，蘇州市(圖6)主要受西風(fēng)影響更明顯，四季也有不同的特征[18]。蘇州春季污染氣團(tuán)主要來(lái)自于西北風(fēng)向，夏季主要受西北和東北風(fēng)向影響，秋季則是西北偏西風(fēng)向影響明顯，而冬季BC濃度在西風(fēng)、北風(fēng)、東風(fēng)方向均出現(xiàn)高值，尤其是西北風(fēng)向，結(jié)合蘇州地理位置，蘇州BC污染可能主要來(lái)源于其西北方向的城市群，包括南京、常州這些工業(yè)發(fā)達(dá)的城市。

圖5 南京市2013年四季不同風(fēng)向下BC濃度特征Fig.5 Characteristics of BC concentration in different wind directions of four seasons in Nanjing,2013

圖6 蘇州市2013年四季不同風(fēng)向下BC濃度特征Fig.6 Characteristics of BC concentrations in different wind directions of four seasons in Suzhou,2013

3.3 南京和蘇州兩市BC與氣態(tài)污染物的關(guān)系

圖7是南京市和蘇州市BC與主要?dú)鈶B(tài)污染物的關(guān)系，南京BC與NOX的相關(guān)性較好(r=0.73)，表明BC與NOX有著同源性，NOX主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放，而南京觀測(cè)點(diǎn)為商住交通混合區(qū)，周?chē)鄼C(jī)動(dòng)車(chē)道，而NOX與BC相關(guān)性較好也說(shuō)明南京市區(qū)BC的來(lái)源主要是機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的排放；BC與NOX的相關(guān)性在蘇州體現(xiàn)得更為明顯(r=0.87)，說(shuō)明蘇州市受機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放的影響相比南京更為嚴(yán)重。SO2主要來(lái)源于電廠燃煤等固定源排放，由于南京市和蘇州市觀測(cè)點(diǎn)處于商業(yè)圈和住宅區(qū)，所以?xún)墒蠦C與SO2的相關(guān)性較差，尤其是南京市。

圖7 南京與蘇州BC與氣態(tài)污染物(NOX、SO2、CO)的關(guān)系Fig.7 Correlation between BC and gaseous pollutants (NOX, SO2, CO) in Nanjing and Suzhou

南京市和蘇州市BC與CO的相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.7以上，說(shuō)明兩者有部分共同來(lái)源?！鰾C/△CO比值在南京和蘇州分別是0.004 2和0.005 4，由于BC和CO均來(lái)自化石燃料燃燒和生物質(zhì)燃燒的排放，在大氣中停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，其受化學(xué)反應(yīng)、氣象因素影響很小，因此△BC/△CO比值在不同地區(qū)受污染源類(lèi)型的影響而有所差異。該值低于上海的0.010 1[11]，這可能是因?yàn)樯虾５钠兔河拖牧枯^高，尤其柴油年消耗量是北京的5.3倍，這造成△BC/△CO比值較高；高于杭州的0.002 9[8]，這可能是因?yàn)橥瑯邮侨暧^測(cè)，必然會(huì)收到秸稈露天焚燒排放的影響，研究表明，浙江省秸稈焚燒比例超過(guò)30%，南京和蘇州焚燒比例分別是16.5%和11%[19]，受生物質(zhì)燃燒的影響，這可能是造成杭州△BC/△CO比值低的原因之一。BC和CO濃度受排放源強(qiáng)、地理環(huán)境、氣象條件等多種因素綜合影響。

4 結(jié) 論

4.1 對(duì)南京和蘇州兩市2013年全年BC濃度變化趨勢(shì)的分析發(fā)現(xiàn)，蘇州市BC污染程度大于南京市，相比本底站瓦里關(guān)的BC濃度，南京和蘇州兩市BC污染嚴(yán)重。

4.2 風(fēng)速和風(fēng)向?qū)δ暇┦泻吞K州市BC的影響主要體現(xiàn)在，風(fēng)速大小與BC濃度水平基本呈反比趨勢(shì)，靜穩(wěn)天氣形勢(shì)下，污染物不易擴(kuò)散；南京和蘇州BC濃度高值主要受西北風(fēng)向上的污染氣團(tuán)影響。

4.3 南京和蘇州兩市BC主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的排放，與CO的相關(guān)性也說(shuō)明兩市在汽油煤油的消耗上較大，因此兩市BC的污染控制應(yīng)主要集中在機(jī)動(dòng)車(chē)排放管控。