蘭州市主城區(qū)黑碳氣溶膠濃度變化特征分析

張 偉

蘭州中心氣象臺，甘肅蘭州 730000

碳氣溶膠分為黑碳（Black Carbon，BC）和有機碳（Organic Carbon，OC）兩類。黑碳氣溶膠顆粒物主要是懸浮在大氣中的黑色碳質(zhì)顆粒，由含碳物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生，其來源可分為自然源和人為源。在大氣中主要以細顆粒形式存在，可嚴重影響和危（毒）害環(huán)境及人體健康[1-2]，對大氣環(huán)境質(zhì)量也造成影響。由于黑碳氣溶膠對氣候的直接和間接效應(yīng)、空氣質(zhì)量、人體健康等的影響，大氣中的黑碳氣溶膠越來越受到科學家的關(guān)注，已成為當前國際大氣化學研究的熱點之一。

近年來，很多學者利用各城市2～3年黑碳氣溶膠的觀測數(shù)據(jù)，針對單個城市（如鄭州［3］、西安［4］、北京［5］、成都［6］）的黑碳氣溶膠分布特征、影響因素及其與氣象要素的關(guān)系開展了一系列研究。蘭州是大氣污染的重災(zāi)區(qū)，大氣污染問題始終是這座城市的“頑疾”，除特殊地理因素外，可吸入顆粒物已成為城市空氣的首要污染物，嚴重危害著城市居民的身體健康。因此，對大氣污染變化的研究分析顯得十分必要。

1 材料與觀測方法

1.1 觀測地點與時間

黑碳氣溶膠濃度觀測數(shù)據(jù)取自蘭州皋蘭山大氣成分監(jiān)測站（甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室皋蘭山野外實驗基地），該站建站于2003年，位于蘭州市城關(guān)區(qū)皋蘭山民族村，103°51′E，36°00′N，海拔2 161.5 m，主要開展地面氣象觀測和大氣成分觀測，大氣成分觀測開展業(yè)務(wù)有黑碳氣溶膠濃度觀測及反應(yīng)性氣體觀測值（EC）。文章主要采用2017—2020年共4年的黑碳氣溶膠質(zhì)量濃度觀測資料進行分析。

1.2 觀測設(shè)備與方法

使用美國瑪基科學公司生產(chǎn)的AE-31型黑碳儀在線測量環(huán)境大氣的黑碳氣溶膠含量，該設(shè)備可測量從370～950 nm 7個波段的光學吸收，其原理是通過實時測量石英濾紙帶上收集的粒子對光的吸收造成的衰減，并假定透過濾膜的光衰減是由黑碳吸收造成的，由此根據(jù)連續(xù)測量透過濾膜的光衰減的變化計算出黑碳的濃度。

本文采用AE-31型黑碳儀的標準測量通道880 nm數(shù)據(jù)作為代表值，單位ng/m3，對頻率為5 min的觀測數(shù)據(jù)進行整理，剔除儀器故障、維護性停機等異常數(shù)值后，計算得出小時平均、逐日值和月均值。

1.3 數(shù)據(jù)段選取

以春、夏、秋、冬4個季節(jié)（3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季）劃分了3個自然年份，分別為2017年3月—2018年2月、2018年3月—2019年2月、2019年3月—2020年2月，經(jīng)過數(shù)據(jù)初步處理，得到3年數(shù)據(jù)可用率分別為97.3%、98.7%、90.8%，其中2018年3月—2019年2月數(shù)據(jù)的可用率最高，故選作為日值分析依據(jù)，選取2017年3月—2020年2月數(shù)據(jù)作為月值分析數(shù)據(jù)。風向風速數(shù)據(jù)選用皋蘭山大氣成分監(jiān)測站地面自動氣象站統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

小時數(shù)據(jù)：設(shè)備每小時采集數(shù)據(jù)12次，每小時正常采集≥8次視為可用數(shù)據(jù)，并剔除了設(shè)備故障停機和維護性停機等對數(shù)據(jù)造成的影響。日、月數(shù)據(jù)：每日生成24份小時數(shù)據(jù)，按照每月天數(shù)進行統(tǒng)計。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑碳氣溶膠濃度的日變化特征

春季3—5月：07:00~14:00主城區(qū)黑碳氣溶膠濃度顯著上升的:00段（939.49~1 848.43 ng/m3），峰值出現(xiàn)在上午10:00~11:00（1 806.2 ng/m3），11:00~ 14:00回落，15:00~06:00黑碳氣溶膠濃度均處于一個較平穩(wěn)區(qū)間，變化幅度不明顯。

夏 季（6—8月）：07:00～13:00主城區(qū)黑碳氣溶膠濃度上升明顯（980.72~1 996.11 ng/m3），峰值出現(xiàn)在10:00（1 996.11 ng/m3），10:00后 回 落，14:00~06:00黑碳氣溶膠濃度均處于一個較平穩(wěn)區(qū)間，變化幅度不明顯。

秋季（9—11月）：08:00～12:00主城區(qū)黑碳氣溶膠濃度較高有明顯的上升趨勢，11:00～12:00達到峰值（1 756.32 ng/m3），12:00后開始回落，23:00～00:00為谷值（903.75 ng/m3），秋季黑碳氣溶膠濃度日均值明顯高于春夏季節(jié)。

冬季（12月—翌年2月）：冬季日均值全年最高，其中10:00～12:00主城區(qū)黑碳氣溶膠濃度較高有明顯的上升趨勢，12:00～13:00達到峰值（1 899.9 ng/m3），12:00后開始緩慢回落，23:00~00:00為谷值（1 176.3 ng/m3）。具體見圖1。

圖1 各季節(jié)黑碳氣溶膠濃度逐小時變化特征

2.2 黑碳氣溶膠濃度的月變化特征

蘭州皋蘭山大氣成分監(jiān)測站全年12月黑碳氣溶膠濃度平均值最高，達1 599.36 ng/m3，5月最低，為795.47 ng/m3；由各月平均值分析可得出，一年中黑碳氣溶膠濃度由高至低分別為冬季（1 357.85 ng/m3）、秋季（1 289.74ng/m3）、春 季（928.38 ng/m3）、夏 季（865.75 ng/m3），總體變化特征為冬秋季高、夏春季低（圖2）。

圖2 2017年3月—2020年2月逐月黑碳氣溶膠濃度平均值

2.3 蘭州皋蘭山大氣成分站黑碳氣溶膠濃度與地面風向風速的關(guān)系

近地面風場變化對環(huán)境大氣污染物濃度有著重要的影響，2018年3月1日— 2019年2月28日，該站全年主導風向為ENE（東東北）— N（北）—ESE（東東南），占全年風向的33%；次主導風向為其次為 E（東）—NE（東北），占全年風向的18%（表1）。

表1 2018年3月—2019年2月各風向出現(xiàn)頻率及其對應(yīng)的黑碳氣溶膠濃度和平均風

從風玫瑰圖對比可以看出（圖3），夏季ENE（東東北）—N（北）—ESE（東東南）出現(xiàn)的頻次高于其他3個季節(jié)。由表1可知，黑碳氣溶膠低濃度主要出現(xiàn)在N（北）—ESE（東東南）風向，是該站點全年主導風向，此風向扇區(qū)平均風速比其他風向扇區(qū)更大，黑碳氣溶膠濃度隨風速的變化也比較明顯，當風速≤2.5 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＞2.5m/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＞2.5m/s時有利于大氣中顆粒物的擴散，從而導致黑碳氣溶膠濃度值較小。

圖3 2018年3月—2019年2月蘭州皋蘭山大氣成分站風玫瑰圖

3 結(jié)語

（1）根 據(jù)2018年3月—2019年2月蘭州市黑碳氣溶膠濃度數(shù)據(jù)分析得出，蘭州市黑碳氣溶膠濃度日變化總體特征均為“上午高，午后回落”的“單峰型”特征，24 h循環(huán)顯著。

（2）根據(jù)2017年3月—2020年2月逐月黑碳氣溶膠濃度數(shù)據(jù)分析得出，全年12月黑碳氣溶膠濃度平均值最高（1 599.36 ng/m3），5月 最 低（795.47 ng/m3）；四季由高至低分別為冬季（1 357.85 ng/m3）、秋季（1 289.74 ng/m3）、春季（928.38 ng/m3）、夏季（865.75 ng/m3），冬秋季高，夏春季低。

（3）風向風速對黑碳氣溶膠濃度有一定的影響，低濃度出現(xiàn)在主導風向ENE（東東北）—N（北）—-ESE（東東南），此風向是該站點年度主導風向，該風向扇區(qū)平均風速較其他扇區(qū)相比較大，當蘭州皋蘭山自動氣象站近地面平均風速值≤2.5 m/s 時，該站點的黑碳氣溶膠質(zhì)量濃度值始終處于高點且濃度值的起伏不大；當蘭州皋蘭山自動氣象站近地面平均風速值＞2.5 m/s 時，風速越大，黑碳氣溶膠質(zhì)量濃度值減小越快。分析表明，在該站點，近地面平均風速值＞2.5 m/s時利于大氣中顆粒物的擴散或分散，從而使得黑碳氣溶膠質(zhì)量濃度值減小。