蘇州市黑碳氣溶膠的污染特征分析

丁 銘，鄒 強，葛 順，陳玉柱

1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036

2.蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 蘇州 215004

3.淮安市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 淮安 223001

蘇州市黑碳氣溶膠的污染特征分析

丁 銘1，鄒 強2，葛 順1，陳玉柱3

1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036

2.蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 蘇州 215004

3.淮安市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 淮安 223001

2012年1—12月，對蘇州市區(qū)黑碳氣溶膠濃度進行監(jiān)測和分析。結(jié)果表明，蘇州市區(qū)黑碳平均質(zhì)量濃度為3.3 μg／m3，且季節(jié)變化明顯，即夏季的平均濃度最低，秋末、冬初、春末時段黑碳濃度易出現(xiàn)高值，其分布規(guī)律與春季秸稈焚燒、秋冬季逆溫霧霾時期相吻合；與周圍生物質(zhì)燃燒和工業(yè)排放有關(guān)。日變化有明顯的峰值、谷值，一般在每日的6：00—9：00、18：00—20：00出現(xiàn)高值，低值則出現(xiàn)在午后12：00—15：00；與國外城市相比，蘇州黑碳濃度偏高，但與國內(nèi)城市（北京、天津、沈陽、本溪）相比，則濃度相對較低。

黑碳；氣溶膠；蘇州

黑碳氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分，是由生物質(zhì)或化石燃料不完全燃燒所產(chǎn)生的含碳顆粒物［1］，是地球大氣的重要成分。黑碳具有復雜的化學成分。一般呈亞微米顆粒狀態(tài)，對光具有強烈的吸收作用；一般不溶于極性與非極性溶劑，在空氣或氧氣中被加熱到350～400℃仍能保持穩(wěn)定。物質(zhì)結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)無序的局部石墨環(huán)狀微晶體形態(tài)。其來源與工業(yè)污染、交通、森林火災、燃煤和農(nóng)業(yè)廢棄物的燃燒等密切相關(guān)，粒徑主要為0.01～1 μm。雖然它在氣溶膠中所占的比例很小，但其質(zhì)量衰減系數(shù)是透明氣溶膠的2～3倍，是吸收紫外、可見光、紅外輻射的主要成分。

國外早在20世紀70年代就已經(jīng)開展了黑碳的測量，中國的相關(guān)研究起步相對較晚，目前已經(jīng)取得了一定成果，獲得了一些區(qū)域背景點及部分城市區(qū)域黑碳的濃度［2］。該研究以2012年蘇州市黑碳實觀測結(jié)果為基礎，結(jié)合環(huán)境空氣中污染物濃度變化特征，討論分析其成因，旨在為研究黑碳變化規(guī)律及其環(huán)境效應提供依據(jù)。

1 儀器、采樣點及數(shù)據(jù)情況

采樣儀器為AE?31型黑碳測量儀（美國）。該儀器可以連續(xù)實時觀測黑碳氣溶膠的質(zhì)量濃度，其原理是建立在石英濾紙帶上收集的粒子對光的吸收造成的衰減上，屬于光學灰度測量法。該型號儀器有7個測量通道，采用波長分別為370、470、520、590、660、880、950 nm，可同時在紫外、可見、近紅外的7個波長上對大氣黑碳氣溶膠進行長期觀測，能獲得細致的氣溶膠光譜吸收信息［3］。測量精度為0.1×10－3μg／m3，儀器流量控制在5 L／min。黑碳數(shù)據(jù)為2012年1—12月實時觀測數(shù)據(jù)，此外還獲得了相應時段的PM2.5、PM10和能見度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。采樣地點位于蘇州市中心內(nèi)馬路環(huán)境科學研究所四層樓上，點位功能為居民區(qū)（東經(jīng)120.6275°，北緯31.2864°）。

2 黑碳濃度變化特征

2.1 黑碳濃度季節(jié)變化

2012年觀測結(jié)果見圖1?？梢娗锬?、冬初、春末時段為黑碳濃度易出現(xiàn)高值的時期，其分布規(guī)律與春季秸稈焚燒、秋冬季逆溫霧霾時期相吻合。從日均濃度分布情況看，春季日均質(zhì)量濃度為 0.430～10.540 μg／m3，平均值為3.472 μg／m3；夏 季 質(zhì) 量 濃 度 為 0.895 ～10.196 μg／m3，平均值為3.443 μg／m3；秋季質(zhì)量濃度為1.456～13.206 μg／m3，平均值為4.393 μg／m3；冬季質(zhì)量濃度為0.500～9.849 μg／m3，平均值為3.552 μg／m3，其中，夏季均值、峰值均較低。

2.2 黑碳監(jiān)測結(jié)果日變化

黑碳氣溶膠逐時變化及典型天氣激光雷達后向散射系數(shù)日復化分布見圖2、圖3。從圖2、圖3可以看出，黑碳濃度日變化有明顯的雙峰形特征，最高值一般出現(xiàn)在上午7：00—9：00和下午18：00—21：00，與每日車流量上下班高峰大氣混合層下降變化出現(xiàn)的時間變化情況較為吻合。

2.3 黑碳與PM2.5、PM10相關(guān)性

黑碳氣溶膠濃度與PM2.5和PM10逐日變化見圖4。如圖4可知，PM2.5、PM10與黑碳日均濃度Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.649、0.639，均達到0.6以上，具有較強相關(guān)性，其中與PM2.5的相關(guān)性略高于PM10。

2.4 黑碳與能見度相關(guān)性

黑碳氣溶膠對從可見到紅外波長范圍內(nèi)的光線均有強烈的吸收性［9?10］。蘇州市區(qū)大氣黑碳濃度與能見度相關(guān)性分析見圖5，黑碳濃度與能見度相關(guān)系數(shù)為 －0.438，相關(guān)性比較顯著。

圖2 黑碳氣溶膠逐時變化

圖3 典型天氣激光雷達后向散射系數(shù)日變化分布圖

圖4 黑碳氣溶膠濃度與PM2.5和PM10逐日變化圖

2.5 組成成分相關(guān)性探討

蘇州市區(qū)監(jiān)測點大氣黑碳7波段濃度結(jié)果與元素濃度相關(guān)性進行比較，結(jié)果見表1。K離子濃度相關(guān)性較高，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.493～ 0.578。資料顯示，植物燃燒會產(chǎn)生大量草木灰（主要成分為K2CO3），因此K可作為植物燃燒的標識元素，蘇州市區(qū)黑碳濃度的形成與周圍生物質(zhì)燃燒有一定關(guān)系；其次為Zn、Cu、Se等離子，相關(guān)系數(shù)在0.400左右?？沙醪脚袛嗯c工業(yè)排放有關(guān)。

圖5 黑碳與能見度散點圖

表1 黑碳濃度與元素濃度Pearson相關(guān)性結(jié)果

2.6 與其他城市觀測結(jié)果的比較

表2為國內(nèi)外部分城市黑碳氣溶膠濃度的觀測結(jié)果［4?13］。與美國休斯敦、日本東京、加拿大Halifax相比，蘇州市區(qū)黑碳氣溶膠濃度相對較高；但與北京、天津、西安相比，蘇州的黑碳氣溶膠濃度較低，約為北京地區(qū)的一半，這種濃度差異主要受各地的能源結(jié)構(gòu)、天氣條件和地域環(huán)境等影響。尤其當冬季北方進入采暖季后，大量化石燃料燃燒，增加了含碳污染物的排放。

表2 國內(nèi)外部分城市氣溶膠濃度觀測結(jié)果

3 結(jié)論

1）由于季節(jié)性氣象要素的變化和污染物排放影響，蘇州黑碳氣溶膠濃度季節(jié)變化幅度較大，其中秋末、冬初、春末時段為黑碳濃度易出現(xiàn)高值的時期。

2）蘇州市全年黑碳平均濃度為3.3 μg／m3，日變化有明顯的雙峰形特征，與車流量上下班高峰變化情況較為一致。

3）蘇州市大氣中黑碳濃度的形成與生物質(zhì)燃燒與工業(yè)排放有一定相關(guān)性。

4）與國外部分城市相比，蘇州市區(qū)黑碳氣溶膠濃度相對較高；但與北京、天津、西安相比較低，初步分析該濃度差異主要受各地的能源結(jié)構(gòu)、天氣條件、地域環(huán)境等影響。

［1］張美根，徐永福，張仁健，等.東亞地區(qū)春季黑碳氣溶膠源排放及其濃度分布［J］.地球物理學報，2005，48（1）：46?51.

［2］秦世廣，湯潔，溫玉璞.黑碳氣溶膠及其在氣候變化研究中的意義［J］.氣象，2001，27（11）：3?7.

［3］秦世廣.我國大陸地區(qū)大氣黑碳氣溶膠觀測研究［M］.北京：中國氣象科學研究院，2001：22?25.

［4］王揚鋒，馬雁軍，陸忠艷，等.本溪大氣黑碳氣溶膠濃度的觀測研究［J］.環(huán)境科學與技術(shù)，2011，34（12）：22?23.

［5］Viana M， MaenhautW， Ten Brink H， etal. Comparative analysis of organic and elemental carbon concentrations in carbonaceous aerosols in three European cities［J］.Atmospheric Environment，2007，41（28）：5 972?5 983.

［6］韓永明，曹軍驥.環(huán)境中的黑碳及其全球生物地球化學循環(huán)［J］.海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)，2005，25（1）：125?132.

［7］于娜，魏永杰，胡敏，等.北京城區(qū)和郊區(qū)大氣細粒子有機物污染特征及來源解析［J］.環(huán)境科學學報，2009，29（2）：243?251.

［8］唐小玲，畢新慧，陳穎軍，等.不同粒徑大氣顆粒物中有機碳（OC）和元素碳（EC）的分布［J］.環(huán)境科學研究，2006，19（1）：104?108.

［9］Kim Y P，Moon K C，Hoon L J.Organic and elemental carbon in fine particles at Kosan，Korea［J］. Atmospheric Environment，2000，34（20）：3 309?3 317.

［10］Chylek P，Videen G，Ngo D，et al.Effect of black carbon on the optical properties and climate forcing of sulfate aerosols［J］.Journal of Geophysical Research，1995，100（D8）：16 325?16 332.

［11］Kondo Y，Ram K.Reduction of black carbon aerosols in Tokyo：Comparison of real?time observations with emission estimates［J］.Atmospheric Environment，2012，54：242?249.

［12］Babich P， Davey M， Allen G， etal. Method comparisons for particulate nitrate，elemental carbon，and PM2.5mass in seven US cities［J］.Journal of the Air＆Waste Management Association，2000，50（7）：1 095?1 105.

［13］Cheng Y，Lee S C，Ho K F，et al.Black carbon measurement in a coastal area of south China［J］. Journal of Geophysical Research，2006，111（D12）：12 310?12 315.

Study on Atmospheric Black Carbon Aerosols Concentration in Suzhou City

DING Ming1，ZOU Qiang2，GE Shun1，CHEN Yu?zhu3
1.Jiangsu Province Environmental Monitoring Centre，Nanjing 210036，China
2.Suzhou Environmental Monitoring Centre，Suzhou 215004，China
3.Huaian Environmental Monitoring Centre，Huai’an 223001，China

Black carbon（BC）aerosols concentration in downtown Suzhou from January to December of 2012 was monitored and analyzed.Results showed that the mean concentration of atmospheric BC aerosols in downtown Suzhou was 3.3 μg／m3with distinct seasonal variation，the mean concentration was the lowest in summer，while likely to reach high in late autumn，early winter and late spring.The distribution rule of BC aerosols concentration was consistent with the period of straw burning in spring and inversion haze in autumn and winter.Biomass burning and industrial emissions have correlation with black carbon（BC）aerosols concentration in downtown Suzhou.Moreover，daily variation of BC aerosols concentration was characterized by a pronounced peak and valley value，with appearance of the higher values during 6 to 9 am and 6 to 8 am，and lower ones during noon to 3 pm.Although higher than the value of foreign cities，BC aerosols concentration in Suzhou is relatively lower than that of the domestic cities such as Beijing，Tianjin and Benxi of Shenyang.

black carbon；aerosol；Suzhou

X823

A

1002?6002（2014）06?0067?05

2013?10?22；

2014?01?03

公益性科研專項計劃（2010467001）

丁 銘（1981?），男，江蘇南京人，碩士，工程師.

鄒 強