南京大氣黑碳?xì)馊苣z來源解析

劉棣文 王晨波 陳誠 花艷 湯莉莉

摘 要：本研究利用黑碳儀在南京開展大氣黑碳?xì)馊苣z（BC）外場觀測，對南京BC進行定量來源解析，結(jié)果表明：在2015年不同季節(jié)，由化石燃料燃燒和生物質(zhì)燃燒排放的黑碳在冬季濃度值達到最高，這主要與冬季氣溫較低易形成逆溫層導(dǎo)致污染物很難擴散有關(guān)。春秋季節(jié)生物質(zhì)燃燒排放的黑碳濃度亦偏高的主要原因是秸稈露天焚燒和城市綠化廢棄物燃燒。

關(guān)鍵詞：黑碳?xì)馊苣z；源解析；南京

黑碳（black carbon，BC）指在大氣當(dāng)中的黑色含碳顆粒物，是由于煤和石油等的不完全燃燒或火山噴發(fā)所形成的無定型碳質(zhì)[1]。BC具有很強的吸光性，降低大氣能見度降低，影響人類的交通出行；還可以通過云-氣溶膠之間相互作用，造成直接或間接輻射強迫效應(yīng)，引起溫室效應(yīng)和全球氣候變化；BC表面孔隙結(jié)構(gòu)有利于各種有害氣體、毒性有機物和大氣中的各種自由基的吸收，并在其表面有可能發(fā)生光氧化等二次化學(xué)反應(yīng)。

目前國家環(huán)境管控對象多側(cè)重于化石燃料燃燒源，比如電廠、煉鋼廠和各類工業(yè)活動等。而近年，針對固態(tài)燃料燃燒源（包括農(nóng)作物秸稈焚燒、燃煤和相關(guān)的固態(tài)燃料燃燒）的管控也逐漸被政府重視起來。在我國，農(nóng)作廢棄物、工業(yè)和民用燃煤燃燒排放對大氣黑碳?xì)馊苣z的貢獻也很大。

南京作為長三角腹地重要城市，大氣復(fù)合污染問題日漸突出。本研究運用黑碳儀對2015年南京BC進行連續(xù)觀測，解析BC來源，對改善長三角地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量，建立區(qū)域大氣污染治理對策有重要意義。

1 儀器與方法

1.1 觀測點和觀測時間

南京觀測點設(shè)在鼓樓區(qū)鳳凰西街某環(huán)保單位的六層觀測臺，該點位15m外是交通密集干道，并且周圍環(huán)境以餐飲業(yè)、居民區(qū)和辦公樓為主，可以代表大都市基本環(huán)境特征。

1.2 觀測儀器

美國Magee公司生產(chǎn)的AE-31型黑碳儀，主要由采樣室、進氣管線和抽氣泵及流量控制系統(tǒng)、光源電路系統(tǒng)、光檢測器系統(tǒng)以及控制計算機等部分組成。觀測過程中，黑碳儀的采樣流量為5L？min-1，并連接PM2.5的采樣切割頭，每5min做一次循環(huán)觀測。

1.3 數(shù)據(jù)分析模型

七波段黑碳儀AE-31（λ=370，470，520，590，660，880，950nm）獲得黑碳?xì)馊苣z在不同波段下的質(zhì)量濃度和光學(xué)特性。運用Aethalometer模型定量分析化石燃料燃燒（BCFF）和生物質(zhì)燃燒（BCBB）排放的BC。

1.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和質(zhì)量保證

觀測期間，儀器都要按照操作規(guī)章做日常的標(biāo)定。所有在線觀測數(shù)據(jù)均進行數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，剔除無效數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性和有效性。

2 結(jié)果與討論

研究表明，城市大氣中化石燃料（fossil fuel，F(xiàn)F）和生物質(zhì)燃料燃燒（biomass burning，BB）是BC的主要污染來源[7]，其中化石燃料類型包括汽油車、柴油車、工業(yè)燃煤、民用燃煤等，生物質(zhì)燃燒類型包括秸稈、木柴、城市綠化廢棄物等。根據(jù)氣象學(xué)劃分季節(jié)的規(guī)則，2015年1月、4月、8月和11月，這四個具有代表性的月份可以分別代表冬、春、夏、秋四個季節(jié)。

2.1 南京市BCFF和BCBB濃度季節(jié)變化特征

南京市11月空氣質(zhì)量達到二級標(biāo)準(zhǔn)（AQI<100）的天數(shù)最多，1月達標(biāo)率最低，即冬季污染最為嚴(yán)重。觀測期間BC質(zhì)量濃度與AQI指數(shù)趨勢基本一致，尤其是在AQI>150期間，BC日均值高值達到9.91μg/m3。經(jīng)統(tǒng)計，冬季BCFF平均質(zhì)量濃度為2.38 μg/m3，BCBB平均質(zhì)量濃度為1.23 μg/m3；春季BCFF平均質(zhì)量濃度為1.47 μg/m3，BCBB平均質(zhì)量濃度為0.68 μg/m3；夏季BCFF平均質(zhì)量濃度為1.29 μg/m3，BCBB平均質(zhì)量濃度為0.39 μg/m3；秋季BCFF平均質(zhì)量濃度為2.21 μg/m3，BCBB平均質(zhì)量濃度為0.42 μg/m3。BCFF平均質(zhì)量濃度四季變化趨勢為：冬季>秋季>春季>夏季；BCBB平均質(zhì)量濃度四季變化趨勢為：冬季>春季>秋季>夏季。對于BCFF而言，秋冬季的污染較為嚴(yán)重，這是因為秋冬季氣溫較低，機動車燃料燃燒效率下降，污染物排放增加，且秋冬季風(fēng)速較低，導(dǎo)致工業(yè)燃煤和交通源排放的污染物擴散條件差；相反夏季BC濃度最低則是因為氣溫升高，太陽輻射增強，且風(fēng)速較大，污染物易于擴散。

對于BCBB，生物質(zhì)燃燒類型主要包括秸稈露天焚燒、城市綠化廢棄物焚燒的人為排放行為，也包括生物質(zhì)自然腐敗這類自然源。根據(jù)高分辨率MODIS產(chǎn)品發(fā)布的全球火點數(shù)據(jù)顯示，4月和11月南京地區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)秸稈焚燒火點。從BCBB的季節(jié)特征中看出，BCBB濃度均值的高值出現(xiàn)在冬季，其次是春季，并不在典型的農(nóng)作物收獲時期（11月），這可能因為觀測期間南京市區(qū)秸稈焚燒并不是生物質(zhì)燃燒排放BC的主要排放類型，同時受城市綠化廢棄物燃燒的影響更大，加之冬季污染物不易擴散。這也從另一方面說明2015年江蘇省秸稈禁燒工作效果顯著。

2.2 南京市BCFF和BCBB濃度晝夜變化特征

如圖1所示，南京市2015年四季BC（BCFF和BCBB）的晝夜變化趨勢總體呈雙峰結(jié)構(gòu)，各季節(jié)日變化趨勢基本相似，并且晝夜變化濃度值大小均是冬季最大、夏季最小，主要受污染源強和氣象因素的共同作用。BCFF晝夜變化第一個峰值出現(xiàn)在7：00～9：00及19：00～21：00，處于上班早高峰期，交通流量大，機動車尾氣排放加劇；第二個峰值出現(xiàn)在19：00之后，處于下班高峰期，且觀測點附近餐飲業(yè)發(fā)達，此段時間也正好處于用餐高峰期；低值主要出現(xiàn)在中午12：00～14：00，是因為中午氣溫較高，邊界層抬升，污染物易于擴散。BCBB晝夜變化特征并不如BCFF明顯，正如前文所述，BCBB濃度變化趨勢主要與生物質(zhì)燃燒的特殊性（自然源的特點）有關(guān)，不如BCFF受人類活動作息時間影響大。

3 結(jié)論

（1）對南京市2015年四季的BC來源（BCFF、BCBB）進行定量來源解析，BCFF和BCBB濃度冬季最高；BCBB濃度水平在冬季呈現(xiàn)最高的原因可能有兩點，一是冬季易出現(xiàn)逆溫層污染物不易擴散；二是受城市綠化廢棄物燃燒和生物質(zhì)自然腐敗的影響。

（2）2015年四季BCFF和BCBB的晝夜變化特征總體呈雙峰結(jié)構(gòu)，各季節(jié)日變化趨勢基本相似。BCBB濃度變化趨勢較為平緩，主要與生物質(zhì)源的特殊性（自然源的特點）有關(guān)，不如BCFF受人類活動作息時間影響大。

參考文獻：

[1] 章秋英， 牛生杰， 沈建國， 等. 半干旱區(qū)冬春季黑碳?xì)馊苣z吸收特性的觀測研究[J]. 中國沙漠， 2009， 29（1）： 184-187