周變紅,曹夏,馮瞧,王錦,張容端,劉雅雯,楊震龍,劉文霞,王勇,李建軍

(1寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院,陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 寶雞 721013;2中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所,中國(guó)科學(xué)院氣溶膠化學(xué)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710061;3西安市環(huán)境監(jiān)測(cè)站,陜西 西安 710114;4寶雞市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,陜西 寶雞 721006;5寶雞海藍(lán)工程咨詢有限公司,陜西 寶雞 721000)

0 引言

黑碳(Black carbon,BC)氣溶膠主要來(lái)源于化石燃料、生物質(zhì)燃料的不完全燃燒,其粒徑范圍在0.01～0.1 μm[1,2]。近幾十年來(lái),BC氣溶膠因?qū)諝赓|(zhì)量、氣候變化以及人類健康的重大影響而備受關(guān)注[3-5]。BC具有多孔性質(zhì),易吸收重金屬、多環(huán)芳烴等污染物,對(duì)人體呼吸系統(tǒng)造成影響,危害人體健康[6],并且BC易吸附硝酸鹽、硫酸鹽等化學(xué)組分,為污染物二次反應(yīng)提供場(chǎng)所,從而導(dǎo)致顆粒物的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化[7]。有研究指出,BC的直接輻射驅(qū)動(dòng)因子超過(guò)了CH4,是僅次于CO2全球變暖的第二影響因子[8]。科學(xué)家進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)來(lái)確定BC在環(huán)境問(wèn)題中的具體作用,證明它是通過(guò)光吸收導(dǎo)致能見(jiàn)度下降的主要因素[9-11]。BC在嚴(yán)重的空氣污染中起著顯著作用,研究表明,BC和霾有顯著且相似的線性關(guān)系(R＞0.98,P＜0.001)[12,13]。故BC氣溶膠研究已成為大氣科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

國(guó)外對(duì)于BC氣溶膠的研究較早,20世紀(jì)70年代就開(kāi)始了對(duì)大氣中BC顆粒物的元素組成的研究[6]。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,國(guó)際上進(jìn)行了多次大規(guī)模國(guó)際性氣溶膠觀測(cè)實(shí)驗(yàn),將BC作為重要觀測(cè)研究?jī)?nèi)容[14-17]。而國(guó)內(nèi)關(guān)于BC氣溶膠研究起步較晚,90年代逐漸開(kāi)始對(duì)BC進(jìn)行觀測(cè)研究[18]。近些年來(lái)我國(guó)各地關(guān)于BC的研究取得一定的成果。利用黑碳儀模型[19,20]、軌跡聚類[21]、WRF-Chem(Weather research and forecasting model with chemistry)模式[22]對(duì)BC氣溶膠來(lái)源進(jìn)行分析。并且對(duì)BC濃度日變化特征及其影響因素進(jìn)行分析。陳程等[23]通過(guò)對(duì)2016年連云港BC氣溶膠濃度的日變化特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)BC氣溶膠日變化呈明顯“雙峰型”;蘭劍等[24]通過(guò)對(duì)上海城區(qū)2014年BC氣溶膠的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)BC日變化也呈“雙峰型”。程丁等[25]利用2015年觀測(cè)的廣州市干濕季BC數(shù)據(jù)及常規(guī)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)降水能使BC濃度降低。Ji等[26]通過(guò)對(duì)北京市2014年BC氣溶膠進(jìn)行測(cè)量,得出其小時(shí)平均濃度范圍為0.1～33.5 μg·m-3,年平均濃度為 4.4±3.7 μg·m-3,且 BC 低濃度水平與北風(fēng)和西北風(fēng)有關(guān)。羅有斌等[27]利用敦煌2012年4月和12月的黑碳數(shù)據(jù)以及能見(jiàn)度數(shù)據(jù),研究發(fā)現(xiàn)能見(jiàn)度與BC濃度呈負(fù)相關(guān)。齊孟姚等[28]對(duì)2013年3月–2017年2月邯鄲市BC氣溶膠及PM2.5進(jìn)行觀測(cè)研究,得出二者的相關(guān)系數(shù)為0.860,表明BC氣溶膠與PM2.5的來(lái)源大部分相同。Zhou等[29]對(duì)2015年寶雞市的BC質(zhì)量濃度進(jìn)行觀測(cè),發(fā)現(xiàn)BC濃度與人類活動(dòng)及氣象因素相關(guān)。

該研究利用2019年2月寶雞高新區(qū)BC氣溶膠數(shù)據(jù)、PM2.5質(zhì)量濃度、全球資料同化系統(tǒng)(Global data assimilation system,簡(jiǎn)稱GDAS)數(shù)據(jù)和風(fēng)向、風(fēng)速等氣象資料,對(duì)持續(xù)污染天氣(AQI＞100)的BC質(zhì)量濃度的變化、PM2.5與BC質(zhì)量濃度的關(guān)系、風(fēng)向風(fēng)速對(duì)BC質(zhì)量濃度的影響等進(jìn)行分析,并利用聚類分析對(duì)污染期間的氣流來(lái)源進(jìn)行分析研究,以期為寶雞市大氣污染防治提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 觀測(cè)地點(diǎn)

寶雞市地處平原最西端,北為黃土臺(tái)塬,南靠秦嶺,西側(cè)隴塬收口,三面均被遮擋。研究采樣點(diǎn)設(shè)立在寶雞市內(nèi)寶雞文理學(xué)院明理樓樓頂,距地面垂直距離約20 m,周圍環(huán)境以文教區(qū)、居民區(qū)、交通干道、餐飲區(qū)等為主。

1.2 觀測(cè)儀器及數(shù)據(jù)處理

觀測(cè)儀器采用美國(guó)Magee公司生產(chǎn)的AE-31型黑碳儀,該儀器采樣頭為PM2.5切割頭,測(cè)量范圍為0～1000 μg·m-3,采樣頻率為 5 min,采樣流量為 4.6～5.0 L·min-1,儀器共有 370、470、520、590、660、880、950 nm 7個(gè)波段可以同時(shí)測(cè)量,采用880 nm波段的采樣結(jié)果作為BC的質(zhì)量濃度。定期對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù),每周檢查濾膜帶進(jìn)位裝置、每季度對(duì)儀器進(jìn)行一次自檢測(cè)試并校準(zhǔn)流量、清理一次采樣頭、清洗光筒。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,在計(jì)算BC小時(shí)值及日均值時(shí)剔除掉明顯異常數(shù)據(jù)。

利用2019年2月4–26日BC氣溶膠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、PM2.5質(zhì)量濃度(數(shù)據(jù)來(lái)源:https://www.aqistudy.cn/)、風(fēng)速風(fēng)向(數(shù)據(jù)來(lái)源:http://data.cma.cn)等氣象資料,對(duì)寶雞高新區(qū)一次重污染期間BC質(zhì)量濃度的變化、PM2.5與BC質(zhì)量濃度的關(guān)系及風(fēng)向、風(fēng)速等對(duì)BC質(zhì)量濃度的影響進(jìn)行分析。

1.3 研究方法

軌跡分析常被用于研究區(qū)域性空氣污染問(wèn)題、傳輸特征等,可定性地分析污染物潛在來(lái)源[30]。聚類分析方法是一種簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)方法,用于識(shí)別對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行分類的方法。再根據(jù)不同氣團(tuán)軌跡的傳輸方向和速度,對(duì)到達(dá)所觀測(cè)點(diǎn)的氣團(tuán)軌跡進(jìn)行聚類分析,然后利用歐氏距離法確定不同氣團(tuán)的傳輸類型,并對(duì)各傳輸類型氣團(tuán)輸送軌跡所對(duì)應(yīng)的污染物濃度(此數(shù)據(jù)用BC質(zhì)量濃度)數(shù)值特征進(jìn)行分析[31]。

2 結(jié)果與討論

2.1 BC質(zhì)量濃度時(shí)間變化特征分析

2019年2月4 –26日,寶雞市發(fā)生的空氣污染過(guò)程是一次典型的持續(xù)重污染過(guò)程。自2019年2月4日起PM2.5質(zhì)量濃度逐日升高,2019年2月11日PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到181.9 μg·m-3,AQI為234,空氣質(zhì)量達(dá)到重度污染。根據(jù)GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中PM2.5質(zhì)量濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(75 μg·m-3)可知,觀測(cè)期間超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值有21天(2019年2月5–25日),有6天(2019年2月11–13日和19–21日)空氣質(zhì)量為重度污染級(jí)別(AQI＞200)。重度污染期間BC平均質(zhì)量濃度為3.4 μg·m-3,PM2.5平均質(zhì)量濃度為176.4 μg·m-3。

圖1為2019年2月4日–26日PM2.5、BC質(zhì)量濃度和AQI逐日變化。由圖可知,污染期間BC質(zhì)量濃度、PM2.5質(zhì)量濃度和AQI的變化趨勢(shì)一致,空氣質(zhì)量為“良”時(shí),BC質(zhì)量濃度為1.6 μg·m-3,PM2.5質(zhì)量濃度為 49.4 μg·m-3;當(dāng)空氣質(zhì)量為“輕度污染”時(shí),BC 和 PM2.5的質(zhì)量濃度分別為 2.3 μg·m-3和 84.3 μg·m-3;當(dāng)空氣質(zhì)量為“中度污染”時(shí),BC 和 PM2.5的質(zhì)量濃度分別為 3.1 μg·m-3和 126.5 μg·m-3。

圖1 2019年2月4日–26日PM2.5、BC質(zhì)量濃度和AQI逐日變化Fig.1 The daily changes of PM2.5,BC mass concentration and AQI from February 4 to 26,2019

圖2為BC和PM2.5質(zhì)量濃度時(shí)間序列變化圖。由圖可知,其時(shí)間序列變化趨勢(shì)基本一致,2019年2月4日BC和PM2.5質(zhì)量濃度處于低水平狀態(tài),5–25日整體處于高水平狀態(tài),尤其是重度污染期間。觀測(cè)期間BC 質(zhì)量濃度范圍為 0.4～8.0 μg·m-3,平均濃度為 2.8 μg·m-3,PM2.5質(zhì)量濃度范圍為 17.3～221.9 μg·m-3,平均值為 119.9 μg·m-3。

圖2 2019年2月4日–26日PM2.5、BC質(zhì)量濃度時(shí)間序列變化Fig.2 Time series changes of PM2.5and BC mass concentration from February 4 to 26,2019

2.2 黑碳質(zhì)量濃度日變化

圖3為不同空氣質(zhì)量下BC質(zhì)量濃度的日變化。由圖可知,空氣質(zhì)量為“良”時(shí),BC濃度有明顯峰值,出現(xiàn)在晚間21:00,從17:00開(kāi)始BC濃度迅速升高,主要是由于晚高峰期的到來(lái),車輛逐漸增多,汽車尾氣排放增加,導(dǎo)致BC質(zhì)量濃度升高,其余時(shí)間段BC質(zhì)量濃度整體較低;當(dāng)空氣質(zhì)量為“輕度污染”時(shí),BC質(zhì)量濃度呈“雙峰雙谷”型,第一個(gè)峰值提前約1～2 h,出現(xiàn)在08:00左右,主要是早晨大氣層較穩(wěn)定,早高峰的到來(lái)導(dǎo)致車輛尾氣排放增加。午后隨著光照增強(qiáng),大氣邊界層逐漸抬升,對(duì)流運(yùn)動(dòng)開(kāi)始變強(qiáng),易于污染物的擴(kuò)散,BC濃度逐漸下降,15:00–16:00左右BC質(zhì)量濃度出現(xiàn)谷值。17:00之后隨著晚高峰的來(lái)臨,機(jī)動(dòng)車尾氣排放增多,居民烹飪?nèi)济杭吧镔|(zhì)增加,導(dǎo)致BC濃度不斷升高,20:00出現(xiàn)第二個(gè)峰值。當(dāng)污染較重時(shí),即空氣質(zhì)量為“中度和重度污染”時(shí),近地面主要受高壓控制,風(fēng)速較小,不利于近地面污染物的稀釋和擴(kuò)散。夜間BC質(zhì)量濃度整體較高,這是由于夜間太陽(yáng)輻射較弱,大氣邊界層較低,大氣對(duì)流活動(dòng)較弱,導(dǎo)致污染物的累積,06:00–07:00左右BC質(zhì)量濃度逐漸升高,加之早高峰的到來(lái)使BC濃度在09:00–10:00出現(xiàn)第一個(gè)的峰值。11:00左右達(dá)到邊界層達(dá)到峰值隨后開(kāi)始下降,15:00–16:00左右達(dá)到谷值,17:00開(kāi)始BC質(zhì)量濃度逐漸升高,20:00–22:00達(dá)到峰值,導(dǎo)致BC質(zhì)量濃度出現(xiàn)白天低,夜間高的現(xiàn)象。對(duì)比不同污染等級(jí)BC質(zhì)量濃度日變化可知,污染越重的BC質(zhì)量濃度越大。

圖3 不同空氣質(zhì)量等級(jí)下BC質(zhì)量濃度的日變化Fig.3 Daily variation of BC mass concentration under different air quality levels

2.3 風(fēng)速風(fēng)向?qū)谔細(xì)馊苣z質(zhì)量濃度的影響

為研究氣象要素對(duì)BC氣溶膠的影響,利用風(fēng)速風(fēng)向?qū)C的影響進(jìn)行分析,風(fēng)速可以反映大氣環(huán)流的流場(chǎng)特征,地面風(fēng)速在BC的運(yùn)輸和擴(kuò)散過(guò)程中起著重要作用。圖4為風(fēng)速風(fēng)向和BC質(zhì)量濃度間的關(guān)系圖。所用數(shù)據(jù)為BC和風(fēng)速風(fēng)向的小時(shí)值,觀測(cè)期間的平均風(fēng)速為1.2 m·s-1。由圖可知,BC質(zhì)量濃度的升高很可能是來(lái)源于東南和東北方向的污染物,東南風(fēng)向下BC質(zhì)量濃度較高,平均值為2.8 μg·m-3;東北風(fēng)向下,BC平均質(zhì)量濃度為2.7 μg·m-3,此時(shí)平均風(fēng)速為1.1 m·s-1,風(fēng)速較小,不利于污染物的擴(kuò)散,容易使污染物累積。一般距地面10 m處的風(fēng)速≤0.5 m·s-1,即定義為靜風(fēng),通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)靜風(fēng)條件下BC平均質(zhì)量濃度為3.0 μg·m-3,非靜風(fēng)條件下BC平均質(zhì)量濃度為2.7 μg·m-3,說(shuō)明靜風(fēng)條件下,風(fēng)場(chǎng)較穩(wěn)定,污染物容易累積。進(jìn)一步對(duì)不同空氣質(zhì)量下風(fēng)速對(duì)BC質(zhì)量濃度影響進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)空氣質(zhì)量為“良”,處于靜風(fēng)狀態(tài)時(shí),BC質(zhì)量濃度為1.9 μg·m-3,風(fēng)速為非靜風(fēng)條件時(shí),BC平均質(zhì)量濃度為1.5 μg·m-3;當(dāng)空氣質(zhì)量為“輕度、中度和重度污染”,處于靜風(fēng)狀態(tài)時(shí),BC質(zhì)量濃度分別為2.4、3.5、3.7 μg·m-3,當(dāng)處于非靜風(fēng)條件時(shí),BC平均質(zhì)量濃度分別為2.2、3.0、3.3 μg·m-3,表明污染越重BC濃度越大,且靜風(fēng)條件下污染比非靜風(fēng)條件下嚴(yán)重,BC濃度較高。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),觀測(cè)期間BC濃度和風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān),二者的相關(guān)系數(shù)為-0.146**(**表示在a=0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān))。

圖4 風(fēng)速風(fēng)向與BC質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.4 Relationship between wind speed and direction and BC mass concentration

2.4 聚類分析

為研究觀測(cè)期間BC氣溶膠傳輸路徑及來(lái)源,本文基于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的GDAS數(shù)據(jù),結(jié)合MeteoInfoMap軟件[32]中TrajStat插件對(duì)寶雞市2019年2月4日至26日每小時(shí)氣流來(lái)源進(jìn)行48 h后向軌跡反演,根據(jù)站點(diǎn)的海拔高度選擇500 m高度,用BC小時(shí)質(zhì)量濃度進(jìn)行傳輸模擬,結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),將氣流軌跡分為4類:C1表示第1類、C2表示第2類、C3表示第3類、C4表示第4類,并且計(jì)算了各類軌跡所對(duì)應(yīng)的BC質(zhì)量濃度進(jìn)而討論不同氣流對(duì)BC質(zhì)量濃度的影響。圖5為觀測(cè)期間的聚類軌跡圖。

圖5 48 h后向軌跡聚類分析Fig.5 48 h backward trajectory cluster analysis

3 結(jié)論

觀測(cè)期間到達(dá)寶雞的氣團(tuán)主要來(lái)自東南部(受秦嶺阻擋)和東部區(qū)域,第1和第3類軌跡占總軌跡數(shù)的76.6%,第3類軌跡共占54.8%,BC平均質(zhì)量濃度為2.3 μg·m-3,第1類軌跡占21.8%,其所對(duì)應(yīng)的BC平均質(zhì)量濃度為2.6 μg·m-3。且第1類和第3類軌跡路徑較短,說(shuō)明該區(qū)域氣象條件較穩(wěn)定,污染物擴(kuò)散能力較差,易將寶雞東部區(qū)域的污染物輸送至寶雞,逐漸累積,另外由于秦嶺的阻擋,污染物無(wú)法擴(kuò)散,逐漸累積。此次污染主要是偏東風(fēng)傳輸以及本地堆積污染導(dǎo)致。Zhou等[29]研究寶雞市2015年BC氣溶膠來(lái)源,發(fā)現(xiàn)BC主要來(lái)源于陜西南部、湖北西北部和重慶北部。

1)觀測(cè)期間共有6天的空氣質(zhì)量為重度污染級(jí)別。重度污染期間,BC平均質(zhì)量濃度為3.4 μg·m-3,PM2.5平均質(zhì)量濃度為176.4 μg·m-3,空氣質(zhì)量為“良、輕度和中度污染”時(shí),BC質(zhì)量濃度分別為1.6、2.3、3.1 μg·m-3,PM2.5質(zhì)量濃度分別為 49.4、84.3、126.5 μg·m-3。整個(gè)觀測(cè)期間 BC 質(zhì)量濃度和 PM2.5質(zhì)量濃度范圍分別為 0.4～8.0 μg·m-3和 17.3～221.9 μg·m-3,平均質(zhì)量濃度分別為 2.8 μg·m-3和 119.9 μg·m-3。

2)不同污染等級(jí)下,BC質(zhì)量濃度日變化表現(xiàn)有所差異,空氣質(zhì)量為“良”時(shí),BC濃度有明顯峰值,出現(xiàn)在晚間21:00;當(dāng)空氣質(zhì)量為“輕度污染”時(shí),BC質(zhì)量濃度呈“雙峰雙谷”型,當(dāng)空氣質(zhì)量為“中度和重度污染”時(shí),呈現(xiàn)白天低夜間高的變化趨勢(shì),主要是由于污染較重時(shí)BC受氣象條件、本地積累以及區(qū)域傳輸?shù)挠绊?污染較輕時(shí)受本地污染影響。

3)觀測(cè)期間平均風(fēng)速約為1.2 m·s-1。其中東南風(fēng)向和東北風(fēng)向的BC濃度較高,平均質(zhì)量濃度分別為2.8 μg·m-3和2.7 μg·m-3。靜風(fēng)條件下,當(dāng)空氣質(zhì)量為“良、輕度、中度和重度污染”時(shí),BC質(zhì)量濃度分別為1.9、2.4、3.5、3.7 μg·m-3,非靜風(fēng)條件下,BC 質(zhì)量濃度分別為 1.5、2.2、3.0、3.3 μg·m-3,表明污染越重 BC濃度越大,靜風(fēng)條件下,污染物更易累積。

4)后向軌跡聚類分析表明,來(lái)自東部區(qū)域的氣流占比較大,軌跡較短,氣象條件穩(wěn)定,易將該方向的污染物傳送至寶雞,并且由于秦嶺的阻擋,導(dǎo)致污染物擴(kuò)散較慢,逐漸累積,故BC濃度較高。