單萌 徐曉飛 董一雷 俞向明 岳毅

(1.浙江臨安大氣成分本底國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,浙江 杭州 311300;2.臨安區(qū)氣象局,浙江 杭州 311300)

0 引 言

環(huán)境中存在的大氣氣溶膠主要來源可以分為兩個(gè)部分：人為源和自然源[1]。自然源有諸如火山噴發(fā)、森林火災(zāi)等；人為源則包括了煤、石油等化石燃料的燃燒、汽車尾氣、農(nóng)田秸稈等廢棄物的燃燒等。黑碳?xì)馊苣z是大氣氣溶膠的一個(gè)重要的組成部分,是造成大氣能見度日趨惡化的主要原因之一,黑碳?xì)馊苣z在紅外波段到可見光范圍內(nèi)對(duì)太陽(yáng)輻射有強(qiáng)烈的吸收作用,對(duì)氣溶膠在光吸收上的總貢獻(xiàn)占到了90%以上。研究表明,黑碳?xì)馊苣z所產(chǎn)生的直接輻射僅次于二氧化碳[2]所產(chǎn)生的直接輻射,所以黑碳?xì)馊苣z也是引起全球氣候變暖的重要原因之一。

國(guó)外對(duì)黑碳?xì)馊苣z的研究較早,最早可追溯到20世紀(jì)50年代發(fā)生倫敦?zé)熿F事件時(shí)。20世紀(jì)70年代國(guó)外即開展了黑碳?xì)馊苣z的觀測(cè)[1],20年代80年代起該工作得到了人類的廣泛重視,全球大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)(GAW)自1989年起將黑碳?xì)馊苣z作為一個(gè)重要的氣溶膠項(xiàng)目開始觀測(cè)其變化[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)黑碳?xì)馊苣z的研究起步相對(duì)較晚,在進(jìn)入21世紀(jì)后,黑碳?xì)馊苣z的研究也得到了國(guó)內(nèi)的廣泛重視,取得了長(zhǎng)足發(fā)展。

長(zhǎng)三角地區(qū)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)地區(qū),在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)也帶來了相當(dāng)大的污染。隨著時(shí)間的推移,當(dāng)?shù)厝罕娨灿雨P(guān)心大氣環(huán)境的污染問題。因此,作為華東地區(qū)唯一的大氣本底監(jiān)測(cè)站,其觀測(cè)數(shù)據(jù)受到了極大的關(guān)注。本文通過對(duì)2013—2017年臨安區(qū)域大氣本底站的黑碳?xì)馊苣z濃度進(jìn)行分析,研究黑碳?xì)馊苣z濃度的年、月、日變化規(guī)律等,為長(zhǎng)三角地區(qū)治理大氣污染提供理論依據(jù)。

1 資料與觀測(cè)方法

1.1 觀測(cè)儀器與方法

臨安區(qū)域大氣本底站采用美國(guó)瑪基科學(xué)公司(Magee Scientific Co.)生產(chǎn)的AE-31型黑碳儀進(jìn)行在線測(cè)量,采用一種基于濾膜測(cè)量氣溶膠光吸收技術(shù)。由于黑碳對(duì)可見光具有吸收特性,通過實(shí)時(shí)測(cè)量濾膜上收集的粒子對(duì)光的吸收造成的衰減,并根據(jù)連續(xù)的光衰減變化測(cè)量計(jì)算出黑碳濃度。在一定的范圍內(nèi),光衰減量與黑碳含量的關(guān)系如下所示：

ATNλ=In(I0/I)=σλMBC

其中,ATNλ為采樣一個(gè)周期的光學(xué)衰減量;I0為透過空白濾膜的光強(qiáng);I為透過收集了氣溶膠樣品的濾膜光強(qiáng);σλ為黑碳?xì)馊苣z對(duì)入射光的當(dāng)量衰減系數(shù),其不是一個(gè)物理常數(shù),需要通過其他方法測(cè)定。

該儀器有7個(gè)測(cè)量通道,分別為370 nm、470 nm、520 nm、590 nm、660 nm、880 nm、950 nm。本文將采用黑碳儀的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量通道(880 nm)測(cè)得的數(shù)據(jù)作為黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度的代表值。

1.2 觀測(cè)地點(diǎn)與時(shí)間

臨安區(qū)域大氣本底站地處浙江杭州西部,在國(guó)內(nèi)第一大經(jīng)濟(jì)區(qū)長(zhǎng)三角的西南翼,始建于1983年,是我國(guó)應(yīng)世界氣象組織WMO提議建設(shè)的第一批大氣本底觀測(cè)站之一,承擔(dān)區(qū)域大氣成分本底業(yè)務(wù)觀測(cè)和全球共享觀測(cè)數(shù)據(jù)的任務(wù),常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE風(fēng)向,其2017年風(fēng)玫瑰圖如圖1所示,可以較好地捕捉代表經(jīng)由長(zhǎng)三角城市群的混合氣流,其觀測(cè)數(shù)據(jù)可以較好地代表長(zhǎng)三角地區(qū)的大氣本底環(huán)境狀況。

圖1 2017年臨安區(qū)域大氣本底站風(fēng)玫瑰圖

采樣地點(diǎn)設(shè)于臨安區(qū)域大氣本底站山頂(30°18′N,119°44′E,138.6 m ALT),采用PM2.5切割頭,切割粒徑為2.5 μm,采樣流量為5 L/min,采樣周期為5 min,周圍無明顯黑碳排放源,地勢(shì)開闊,采樣時(shí)間為2013年1月至2017年12月,濃度單位為μg/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 黑碳?xì)馊苣z濃度季節(jié)變化特征及分析

2013年1月至2017年12月,臨安區(qū)域大氣本底站大氣中黑碳?xì)馊苣z濃度月平均濃度在1.22～6.81 μg/m3范圍內(nèi)變化,平均值為(2.98±1.08) μg/m3。圖2為2013年1月至2017年12月臨安區(qū)域大氣本底站黑碳?xì)馊苣z濃度季節(jié)平均變化圖。從圖2可以看出，臨安區(qū)域大氣本底站大氣中黑碳?xì)馊苣z濃度季節(jié)變化規(guī)律明顯。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，每年黑碳?xì)馊苣z濃度谷值都出現(xiàn)在夏季,每年濃度峰值都出現(xiàn)在冬季,這種明顯的季節(jié)變化特征與當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣饕约岸救祟惢顒?dòng)有關(guān)。

圖2 黑碳?xì)馊苣z濃度季節(jié)平均變化

夏季,處于沿海地區(qū)的杭州臨安風(fēng)速、溫度較高[4],由此導(dǎo)致大氣擴(kuò)散能力較強(qiáng),從而加速了污染物的擴(kuò)散。由圖1可看出,臨安區(qū)域大氣本底站夏季的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),西南方向城市群較少,空氣較清潔,且該站點(diǎn)降水頻繁,會(huì)加速氣溶膠的清除過程,從而導(dǎo)致黑碳?xì)馊苣z濃度水平的降低。進(jìn)入秋、冬季后,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng),東北方向?yàn)殚L(zhǎng)三角城市群,污染相較西南方向更大,且站點(diǎn)區(qū)域附近居民冬季有燒火爐取暖的習(xí)慣,會(huì)產(chǎn)生大量氣溶膠污染物,加之臨安當(dāng)?shù)囟窘邓^程明顯減少,這樣即會(huì)導(dǎo)致聚集后的污染物不容易被雨水沖刷清洗；另一方面北方強(qiáng)冷空氣南下,也會(huì)將北方的攜帶了大量的黑碳?xì)馊苣z的沙塵帶到當(dāng)?shù)?。此外，冬季日照時(shí)數(shù)少,太陽(yáng)輻射量低,溫度較低,大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)不強(qiáng),容易在夜間形成逆溫層,加之秋、冬季風(fēng)速較低,污染物也相對(duì)不容易擴(kuò)散,黑碳?xì)馊苣z濃度也就相對(duì)較高，在次年春季達(dá)到一個(gè)峰值,在春季氣溫逐漸升高后,則開始下降。

2.2 黑碳?xì)馊苣z濃度日變化特征及分析

觀測(cè)期間臨安區(qū)域大氣本底站黑碳?xì)馊苣z濃度平均日變化范圍為2.48～3.51 μg/m3,有明顯的雙峰值和谷值變化特征,第一個(gè)峰值一般出現(xiàn)在07—09時(shí),第二個(gè)峰值一般出現(xiàn)在18—20時(shí),谷值出現(xiàn)在13—14時(shí)以及03—04時(shí)。

第一個(gè)峰值出現(xiàn)在人類活動(dòng)高峰期，尤其是上班高峰期。臨安區(qū)域大氣本底站15 km范圍內(nèi)有青山湖科技城以及臨安主城區(qū)兩大人類活動(dòng)密集區(qū)域,在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)機(jī)動(dòng)車使用數(shù)量明顯增多,由于機(jī)動(dòng)車尾氣中會(huì)帶有大量的黑碳[5],由此導(dǎo)致形成的黑碳?xì)馊苣z濃度急劇增加,加之此時(shí)大氣中常出現(xiàn)逆溫,由此形成第一個(gè)峰值。隨后隨著大氣逆溫現(xiàn)象逐漸減弱,太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng),從而導(dǎo)致大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)的不斷增強(qiáng),這樣有利于污染物的擴(kuò)散,到14時(shí)左右太陽(yáng)輻射量達(dá)到了最高,而且此時(shí)機(jī)動(dòng)車使用數(shù)量也相對(duì)較少,因此在13—14時(shí)形成一個(gè)黑碳?xì)馊苣z濃度的谷值。第二個(gè)峰值出現(xiàn)在傍晚,此時(shí)大氣逆溫又會(huì)再次形成,不利于污染物的擴(kuò)散。此外，下班晚高峰機(jī)動(dòng)車尾氣排放以及人類取暖、烹飪等活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生大量的黑碳?xì)馊苣z,污染物開始集中,逆溫層又在不斷地增強(qiáng),污染物濃度不斷地加大,由此形成第二個(gè)峰值。到了凌晨基本無人類排放污染的活動(dòng),對(duì)黑碳?xì)馊苣z濃度的貢獻(xiàn)相對(duì)較少,由此形成了第二個(gè)谷值。

2.3 黑碳?xì)馊苣z濃度年變化特征及分析

圖3為臨安區(qū)域大氣本底站黑碳?xì)馊苣z年平均濃度變化圖,由圖可以看出明顯的變化規(guī)律。黑碳?xì)馊苣z濃度在2012—2017年逐年降低,約每年降低0.28 μg/m3,逐年變化率如表1所示。究其原因,包括杭州在內(nèi)的長(zhǎng)三角城市群在加快自身城市發(fā)展的同時(shí)，也在重視其大氣環(huán)境的治理,采取了許多措施來進(jìn)行大氣污染的綜合防治,并取得了明顯成效。2014—2015年黑碳?xì)馊苣z濃度實(shí)現(xiàn)了更快的降低,其原因與杭州地區(qū)從2014年開始實(shí)施的大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃不無關(guān)系。

表1 黑碳?xì)馊苣z年平均濃度逐年變化率

2.4 臨安區(qū)域大氣本底站黑碳?xì)馊苣z濃度與地面風(fēng)向風(fēng)速的關(guān)系

表2為2017年1月1日至12月31日各風(fēng)向出現(xiàn)頻率及其對(duì)應(yīng)的黑碳?xì)馊苣z濃度和平均風(fēng)速。由表2可以看出,臨安區(qū)域大氣本底站的全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E-NNE,占全年風(fēng)向的37.28%；次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾W-SSW,占全年風(fēng)向的22.65%。與圖1的風(fēng)玫瑰圖對(duì)比可以看出,SW-SSW在夏季出現(xiàn)的頻次較其他3季要高一點(diǎn)。由表2可知,黑碳?xì)馊苣z低濃度主要出現(xiàn)在NNE-NE-ENE風(fēng)向扇區(qū)內(nèi),此風(fēng)向是此站點(diǎn)的主導(dǎo)風(fēng)向,可以發(fā)現(xiàn)此風(fēng)向扇區(qū)的風(fēng)速比其他風(fēng)向扇區(qū)更大。而次主導(dǎo)風(fēng)向SW-SSW扇區(qū)的黑碳?xì)馊苣z濃度值較其他風(fēng)向的更高,這與臨安區(qū)域大氣本底站的地理位置有關(guān),站點(diǎn)西南方向約6 km處為臨安主城區(qū),受人為影響更明顯。同時(shí)N方向的黑碳?xì)馊苣z濃度值為最高,臨安區(qū)域大氣本底站的正北方向約3 km處為橫畈鎮(zhèn)區(qū)。這兩個(gè)方向濃度同時(shí)為高值,說明該站點(diǎn)的黑碳?xì)馊苣z濃度在很大程度上受區(qū)域內(nèi)影響因素更大。

表2 2017年各風(fēng)向出現(xiàn)頻率及其對(duì)應(yīng)的黑碳?xì)馊苣z濃度和平均風(fēng)速

圖4為2017年1月1日至12月31日臨安區(qū)域大氣本底站不同風(fēng)速范圍內(nèi)黑碳?xì)馊苣z平均濃度的變化情況。由圖4可以看出，黑碳?xì)馊苣z濃度隨風(fēng)速的變化也比較明顯,當(dāng)風(fēng)速≤2.0 m/s時(shí),黑碳?xì)馊苣z濃度值處于高點(diǎn),且濃度值的變化不大；當(dāng)風(fēng)速>2.0 m/s時(shí),風(fēng)速越大,黑碳?xì)馊苣z濃度值減小越快。這說明在此區(qū)域,風(fēng)速>2.0 m/s時(shí)有利于大氣中顆粒物的擴(kuò)散,從而導(dǎo)致黑碳?xì)馊苣z濃度值較小,同時(shí)說明該站點(diǎn)黑碳?xì)馊苣z濃度受遠(yuǎn)距離的輸送影響不大,受站點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的氣溶膠顆粒物排放及其擴(kuò)散清除過程影響較大。

圖4 不同風(fēng)速范圍內(nèi)黑碳?xì)馊苣z平均濃度的變化

3 結(jié) 語

通過分析2013—2017年臨安區(qū)域大氣本底站黑碳?xì)馊苣z濃度的觀測(cè)數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論。

(1)2013—2017年黑碳?xì)馊苣z平均濃度為(2.98±1.08) μg/m3,季節(jié)變化規(guī)律明顯且幅度較大,每年黑碳?xì)馊苣z濃度最低值都出現(xiàn)在夏季,每年濃度最高值都出現(xiàn)在冬季,此變化特征與當(dāng)?shù)貧夂蛱卣饕约岸緟^(qū)域內(nèi)居民燒火爐取暖等活動(dòng)有關(guān)。

(2)黑碳?xì)馊苣z濃度日變化規(guī)律明顯,有著雙峰值與雙谷值特征,峰值一般出現(xiàn)在07—09時(shí)之間以及18—20時(shí)之間,谷值出現(xiàn)在13—14時(shí)之間以及03—04時(shí)之間。這與人類活動(dòng)以及大氣層結(jié)逆溫層的形成有密切關(guān)系。

(3)黑碳?xì)馊苣z濃度每年平穩(wěn)下降,這與長(zhǎng)三角城市群逐漸重視大氣環(huán)境的治理有密切關(guān)系。

(4)風(fēng)向風(fēng)速對(duì)黑碳?xì)馊苣z濃度有一定的影響,低濃度出現(xiàn)在主導(dǎo)風(fēng)向NNE-NE-ENE扇區(qū)內(nèi),此扇區(qū)的風(fēng)速也比其他扇區(qū)更大,次主導(dǎo)風(fēng)向SW-SSW扇區(qū)的黑碳?xì)馊苣z濃度值較其他風(fēng)向的黑碳?xì)馊苣z濃度值更高,這與站點(diǎn)的地貌環(huán)境以及地理位置有關(guān)。當(dāng)風(fēng)速≤2.0 m/s時(shí),黑碳?xì)馊苣z濃度值處于高點(diǎn),當(dāng)風(fēng)速>2.0 m/s時(shí),風(fēng)速越大濃度越低。黑碳?xì)馊苣z濃度受遠(yuǎn)距離的輸送影響不大,受區(qū)域內(nèi)的顆粒物排放以及擴(kuò)散清除過程的影響較大。