臨安區(qū)域大氣本底站黑碳氣溶膠濃度觀測研究*

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家野外科學(xué)觀測研究站,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。黑碳氣溶膠是大氣氣溶膠的一個重要的組成部分,是造成大氣能見度日趨惡化的主要原因之一,黑碳氣溶膠在紅外波段到可見光范圍內(nèi)對太陽輻射有強烈的吸收作用,對氣溶膠在光吸收上的總貢獻占到了90%以上。研究表明,黑碳氣溶膠所產(chǎn)生的直接輻射僅次于二氧化碳[2]所產(chǎn)生的直接輻射,所以黑碳氣溶膠也是引起全球氣候變暖的重要原因之一。

國外對黑碳氣溶膠的研究較早,最早可追溯到20世紀50年代發(fā)生倫敦煙霧事件時。20世紀70年代國外即開展了黑碳氣溶膠的觀測[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)測網(wǎng)(GAW)自1989年起將黑碳氣溶膠作為一個重要的氣溶膠項目開始觀測其變化[3]。國內(nèi)對黑碳氣溶膠的研究起步相對較晚,在進入21世紀后,黑碳氣溶膠的研究也得到了國內(nèi)的廣泛重視,取得了長足發(fā)展。

長三角地區(qū)為我國經(jīng)濟相對發(fā)達地區(qū),在經(jīng)濟高速發(fā)展的同時也帶來了相當大的污染。隨著時間的推移,當?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)測站,其觀測數(shù)據(jù)受到了極大的關(guān)注。本文通過對2013—2017年臨安區(qū)域大氣本底站的黑碳氣溶膠濃度進行分析,研究黑碳氣溶膠濃度的年、月、日變化規(guī)律等,為長三角地區(qū)治理大氣污染提供理論依據(jù)。

1 資料與觀測方法

1.1 觀測儀器與方法

臨安區(qū)域大氣本底站采用美國瑪基科學(xué)公司(Magee Scientific Co.)生產(chǎn)的AE-31型黑碳儀進行在線測量,采用一種基于濾膜測量氣溶膠光吸收技術(shù)。由于黑碳對可見光具有吸收特性,通過實時測量濾膜上收集的粒子對光的吸收造成的衰減,并根據(jù)連續(xù)的光衰減變化測量計算出黑碳濃度。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為采樣一個周期的光學(xué)衰減量;I0為透過空白濾膜的光強;I為透過收集了氣溶膠樣品的濾膜光強;σλ為黑碳氣溶膠對入射光的當量衰減系數(shù),其不是一個物理常數(shù),需要通過其他方法測定。

該儀器有7個測量通道,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準測量通道(880 nm)測得的數(shù)據(jù)作為黑碳氣溶膠質(zhì)量濃度的代表值。

1.2 觀測地點與時間

臨安區(qū)域大氣本底站地處浙江杭州西部,在國內(nèi)第一大經(jīng)濟區(qū)長三角的西南翼,始建于1983年,是我國應(yīng)世界氣象組織WMO提議建設(shè)的第一批大氣本底觀測站之一,承擔區(qū)域大氣成分本底業(yè)務(wù)觀測和全球共享觀測數(shù)據(jù)的任務(wù),常年主導(dǎo)風向為NNE風向,其2017年風玫瑰圖如圖1所示,可以較好地捕捉代表經(jīng)由長三角城市群的混合氣流,其觀測數(shù)據(jù)可以較好地代表長三角地區(qū)的大氣本底環(huán)境狀況。

圖1 2017年臨安區(qū)域大氣本底站風玫瑰圖

采樣地點設(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,地勢開闊,采樣時間為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 黑碳氣溶膠濃度季節(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氣溶膠濃度月平均濃度在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)域大氣本底站黑碳氣溶膠濃度季節(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氣溶膠濃度季節(jié)變化規(guī)律明顯。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，每年黑碳氣溶膠濃度谷值都出現(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?shù)氐臍夂蛱卣饕约岸救祟惢顒佑嘘P(guān)。

圖2 黑碳氣溶膠濃度季節(jié)平均變化

夏季,處于沿海地區(qū)的杭州臨安風速、溫度較高[4],由此導(dǎo)致大氣擴散能力較強,從而加速了污染物的擴散。由圖1可看出,臨安區(qū)域大氣本底站夏季的主導(dǎo)風向為西南風,西南方向城市群較少,空氣較清潔,且該站點降水頻繁,會加速氣溶膠的清除過程,從而導(dǎo)致黑碳氣溶膠濃度水平的降低。進入秋、冬季后,主導(dǎo)風向為東北風,東北方向為長三角城市群,污染相較西南方向更大,且站點區(qū)域附近居民冬季有燒火爐取暖的習(xí)慣,會產(chǎn)生大量氣溶膠污染物,加之臨安當?shù)囟窘邓^程明顯減少,這樣即會導(dǎo)致聚集后的污染物不容易被雨水沖刷清洗；另一方面北方強冷空氣南下,也會將北方的攜帶了大量的黑碳氣溶膠的沙塵帶到當?shù)?。此外，冬季日照時數(shù)少,太陽輻射量低,溫度較低,大氣對流運動不強,容易在夜間形成逆溫層,加之秋、冬季風速較低,污染物也相對不容易擴散,黑碳氣溶膠濃度也就相對較高，在次年春季達到一個峰值,在春季氣溫逐漸升高后,則開始下降。

2.2 黑碳氣溶膠濃度日變化特征及分析

觀測期間臨安區(qū)域大氣本底站黑碳氣溶膠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,第一個峰值一般出現(xiàn)在07—09時,第二個峰值一般出現(xiàn)在18—20時,谷值出現(xiàn)在13—14時以及03—04時。

第一個峰值出現(xiàn)在人類活動高峰期，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)兩大人類活動密集區(qū)域,在這個時間段內(nèi)機動車使用數(shù)量明顯增多,由于機動車尾氣中會帶有大量的黑碳[5],由此導(dǎo)致形成的黑碳氣溶膠濃度急劇增加,加之此時大氣中常出現(xiàn)逆溫,由此形成第一個峰值。隨后隨著大氣逆溫現(xiàn)象逐漸減弱,太陽輻射逐漸增強,從而導(dǎo)致大氣對流運動的不斷增強,這樣有利于污染物的擴散,到14時左右太陽輻射量達到了最高,而且此時機動車使用數(shù)量也相對較少,因此在13—14時形成一個黑碳氣溶膠濃度的谷值。第二個峰值出現(xiàn)在傍晚,此時大氣逆溫又會再次形成,不利于污染物的擴散。此外，下班晚高峰機動車尾氣排放以及人類取暖、烹飪等活動都會產(chǎn)生大量的黑碳氣溶膠,污染物開始集中,逆溫層又在不斷地增強,污染物濃度不斷地加大,由此形成第二個峰值。到了凌晨基本無人類排放污染的活動,對黑碳氣溶膠濃度的貢獻相對較少,由此形成了第二個谷值。

2.3 黑碳氣溶膠濃度年變化特征及分析

圖3為臨安區(qū)域大氣本底站黑碳氣溶膠年平均濃度變化圖,由圖可以看出明顯的變化規(guī)律。黑碳氣溶膠濃度在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)的長三角城市群在加快自身城市發(fā)展的同時，也在重視其大氣環(huán)境的治理,采取了許多措施來進行大氣污染的綜合防治,并取得了明顯成效。2014—2015年黑碳氣溶膠濃度實現(xiàn)了更快的降低,其原因與杭州地區(qū)從2014年開始實施的大氣污染防治行動計劃不無關(guān)系。

表1 黑碳氣溶膠年平均濃度逐年變化率

2.4 臨安區(qū)域大氣本底站黑碳氣溶膠濃度與地面風向風速的關(guān)系

表2為2017年1月1日至12月31日各風向出現(xiàn)頻率及其對應(yīng)的黑碳氣溶膠濃度和平均風速。由表2可以看出,臨安區(qū)域大氣本底站的全年主導(dǎo)風向為NE-NNE,占全年風向的37.28%；次主導(dǎo)風向為SW-SSW,占全年風向的22.65%。與圖1的風玫瑰圖對比可以看出,SW-SSW在夏季出現(xiàn)的頻次較其他3季要高一點。由表2可知,黑碳氣溶膠低濃度主要出現(xiàn)在NNE-NE-ENE風向扇區(qū)內(nèi),此風向是此站點的主導(dǎo)風向,可以發(fā)現(xiàn)此風向扇區(qū)的風速比其他風向扇區(qū)更大。而次主導(dǎo)風向SW-SSW扇區(qū)的黑碳氣溶膠濃度值較其他風向的更高,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N方向的黑碳氣溶膠濃度值為最高,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)。這兩個方向濃度同時為高值,說明該站點的黑碳氣溶膠濃度在很大程度上受區(qū)域內(nèi)影響因素更大。

表2 2017年各風向出現(xiàn)頻率及其對應(yīng)的黑碳氣溶膠濃度和平均風速

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速范圍內(nèi)黑碳氣溶膠平均濃度的變化情況。由圖4可以看出，黑碳氣溶膠濃度隨風速的變化也比較明顯,當風速≤2.0 m/s時,黑碳氣溶膠濃度值處于高點,且濃度值的變化不大；當風速>2.0 m/s時,風速越大,黑碳氣溶膠濃度值減小越快。這說明在此區(qū)域,風速>2.0 m/s時有利于大氣中顆粒物的擴散,從而導(dǎo)致黑碳氣溶膠濃度值較小,同時說明該站點黑碳氣溶膠濃度受遠距離的輸送影響不大,受站點區(qū)域內(nèi)的氣溶膠顆粒物排放及其擴散清除過程影響較大。

圖4 不同風速范圍內(nèi)黑碳氣溶膠平均濃度的變化

3 結(jié) 語

通過分析2013—2017年臨安區(qū)域大氣本底站黑碳氣溶膠濃度的觀測數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論。

(1)2013—2017年黑碳氣溶膠平均濃度為(2.98±1.08) μg/m3,季節(jié)變化規(guī)律明顯且幅度較大,每年黑碳氣溶膠濃度最低值都出現(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?shù)貧夂蛱卣饕约岸緟^(qū)域內(nèi)居民燒火爐取暖等活動有關(guān)。

(2)黑碳氣溶膠濃度日變化規(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時之間以及18—20時之間,谷值出現(xiàn)在13—14時之間以及03—04時之間。這與人類活動以及大氣層結(jié)逆溫層的形成有密切關(guān)系。

(3)黑碳氣溶膠濃度每年平穩(wěn)下降,這與長三角城市群逐漸重視大氣環(huán)境的治理有密切關(guān)系。

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