南京市和蘇州市大氣黑碳氣溶膠污染特征比對研究

陳 誠，王晨波，秦 瑋，花 艷，湯莉莉,4

(1. 江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，南京 210036；2. 江蘇省蘇協(xié)環(huán)境技術(shù)研究院，南京 210036；3. 南京科略環(huán)境科技有限責任公司，南京 211800；4. 南京信息工程大學，南京210044)

1 前 言

黑碳(black carbon，BC)指在大氣當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具有很強的吸收性質(zhì)，占大氣氣溶膠總吸收性能的90%以上[2]，吸收太陽光使得大氣能見度降低，影響人類的交通出行；它還可以通過云-氣溶膠之間相互作用，造成直接或間接輻射強迫效應(yīng)[3]，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 (如含硫、氮的化合物和臭氧等)、顆粒物、毒性有機物(如多環(huán)芳烴，PAH等)和大氣中的各種自由基(如OH等)的吸收,并在其表面有可能發(fā)生光氧化等二次化學反應(yīng)[4]；加上其自身的粒徑較小，易通過呼吸進入人體內(nèi)部被人所吸收,一旦BC吸附了有毒有害物質(zhì)，則會引起皮膚、呼吸道、肺部等器官的疾病，甚至引發(fā)癌癥，危害人體健康。

我國BC的排放和濃度比同緯度的國家和地區(qū)要高，據(jù)統(tǒng)計[5]，中國排放的BC占全球人為排放量的1/4，并且BC在大氣中通?？神v留長達一周，因此這些BC經(jīng)大氣傳輸對周邊國家和地區(qū)環(huán)境產(chǎn)生影響。中國是世界上最大的發(fā)展中國家，正處在工業(yè)化進程當中，能源需求量大，需要燃燒大量的以煤為主的化石燃料；隨著城市化進程的推進，機動車數(shù)量急劇增長；在我國的廣大農(nóng)村地區(qū)會進行如燃燒秸稈[6]和牛糞燃燒等排放大量BC的活動，所以在未來的很長一段時間內(nèi)，中國仍是全球BC的主要排放源之一。綜上所述，BC的觀測研究對于我國乃至全球的環(huán)境保護工作和緩解全球溫室效應(yīng)，提高人們的生活質(zhì)量有著重要的意義。

南京和蘇州作為長三角腹地重要城市，灰霾等大氣復(fù)合污染問題日漸突出[7]。本研究運用黑碳儀對2013年南京和蘇州BC進行連續(xù)觀測，分析兩市BC濃度變化特征和影響因素，研究其與氣象條件及氣態(tài)污染物SO2、CO、NOX之間的關(guān)系，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。

2 儀器與方法

2.1 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。蘇州市觀測點位于市區(qū)南門國控子站附近，周邊多為居民住宅小區(qū)，偏南方向700m處為蘇州南門汽車客運站。表1匯總了本研究采用的觀測儀器和時間。

表1 觀測時間和觀測儀器Tab.1 Observation period and instruments

2.2 觀測儀器

2.2.1 黑碳儀

美國Magee公司生產(chǎn)的AE-31型黑碳儀能夠在370nm，470 nm，520 nm，590 nm，660 nm，880 nm和950 nm 7個波段連續(xù)監(jiān)測黑碳的濃度，是光學測量法的典型代表儀器。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。

2.2.2 輔助儀器

采用METONE型號的BAM-1020 BETA射線顆粒物監(jiān)測儀，采樣流量為16.7 L/min。經(jīng)美國國家環(huán)保局EPA認證，利用Beta射線原理自動測量和記錄顆粒物濃度水平。該方法提供了一個簡單的濃度檢測方法，以空氣每立方米毫克或微克顆粒物為單位。

氣態(tài)污染物分析儀。美國Thermo公司生產(chǎn)的Model 42i、Model 43i和Model 48i三種氣態(tài)污染物分析儀分別監(jiān)測NOX、SO2和CO的濃度數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和質(zhì)量保證

觀測期間，儀器均按照操作規(guī)章開展日常的內(nèi)標、外標、零點標定、跨度標定工作；標準氣體等均選用商業(yè)化的、純度高的標準物質(zhì)。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，文中各平均值均為算數(shù)平均值，相關(guān)性分析均嚴格按照數(shù)理統(tǒng)計方法進行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 南京市和蘇州市BC濃度特征概況

圖1表示2013年南京市和蘇州市全年P(guān)M2.5和BC日均值變化趨勢，兩市PM2.5和BC濃度變化趨勢為冬季較高，秋季次之，春夏較低，且PM2.5濃度日均值變化范圍為2.79～353.21 μg/m3和10.90～370.46 μg/m3，年均值為79.23 μg/m3和63.06 μg/m3；BC濃度日均值分別為0.36～15.56 μg/m3和0.94～21.31 μg/m3，年均值為3.93 μg/m3和5.07 μg/m3。圖2是南京和蘇州BC月均值變化趨勢，可以看出2月份是南京和蘇州BC濃度全年中較低的月份，這可能由于2月份是農(nóng)歷春節(jié)時期，燃煤企業(yè)放假，污染物排放減少，空氣質(zhì)量提高。

圖1 南京市和蘇州市2013年全年黑碳濃度變化趨勢(小時均值)Fig.1 Trends of BC concentrations in Nanjing and Suzhou in 2013 (hourly average)

圖2 南京市和蘇州市2013年全年黑碳月均值濃度變化趨勢Fig.2 Trends of monthly average BC concentrations in Nanjing and Suzhou in 2013

圖2采用具有最大分布頻數(shù)的濃度值分別分析南京和蘇州BC污染狀況。以0.2μg/m3作為頻數(shù)統(tǒng)計步長，作出BC小時平均濃度的頻數(shù)分布圖。由圖3，BC小時濃度均值的頻數(shù)分布呈現(xiàn)非正態(tài)分布，使用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)對頻數(shù)分布特征進行擬合，結(jié)果顯示南京市BC小時平均濃度在1.9μg/m3出現(xiàn)頻率最大，蘇州為2.5μg/m3，可作為南京和蘇州大氣BC本底值。由此可見，蘇州市大氣BC本底值濃度高于南京市，蘇州市BC污染更為嚴重。

與其他城市相比，南京BC濃度低于杭州、北京、天津、西安等地，與上海、西寧相近；蘇州市BC濃度低于天津、西安，與杭州、深圳、東莞相近，但兩地BC濃度均遠高于瓦里關(guān)(全球本底站)，南京和蘇州BC濃度與東部沿海城市相近(表2)，但與瓦里關(guān)相比各大城市BC污染都高出數(shù)十倍，進一步說明長三角區(qū)域BC污染嚴峻。

圖3 南京市和蘇州市黑碳小時平均濃度頻數(shù)分布Fig.3 Frequency distribution of hourly average BC concentrations in Nanjing and Suzhou

地點時間粒徑BC濃度(μg/m3)南京(本研究)2013-1～2013-12PM2.53.93蘇州(本研究)2013-1～2013-12PM2.55.07杭州[8]2011-7～2012-6PM2.55.14北京[9]2005-9～2007-8TSP5.25天津[10]2010-9～2011-1PM2.56.89上海[11]2007-12～2008-11PM2.53.8廣州[12]2011PM2.54.3深圳[13]2009PM2.55.72東莞[14]2009TSP5.27西安[15]2006-3～2007-2PM2.510.0西寧[16]2005-9～2007-7TSP4.24蘭州[17]2007-1～2009-8PM2.51.57瓦里關(guān)(全球本站)[16]2006-1～2006-12TSP0.28

3.2 風速風向?qū)δ暇┦泻吞K州市BC的影響

圖4可見，南京和蘇州市全年風速不超過7 m/s，即風力不超過4級，兩市BC濃度變化受風速影響顯著，在靜風和小風條件(<3 m/s)下，BC濃度值較高。就南京市而言，濃度值超過3 μg/m3的BC除了在低風速下分布較多，在風速>3 m/s的情況下BC濃度也會出現(xiàn)高值，這說明即使風速較大的情況下，若本地污染源排放BC加劇，也會造成BC濃度增大。而BC濃度超過8 μg/m3的情況下受風速影響明顯，BC濃度高值基本處于風速低于3 m/s的部分。蘇州BC受風速的影響與南京市相似，主要是在風速<3 m/s的情況下，BC濃度較高。

圖4 風速對南京市和蘇州市黑碳濃度的影響Fig.4 Influence of wind speed on BC concentrations in Nanjing and Suzhou

不同風向造成污染氣團傳輸路徑不同，從而對BC濃度造成不同的影響。從(圖5)南京四季不同風向下BC濃度分布圖可以看出，南京盛行風主要是北風和西風，且這兩個方向的氣團主要來自于內(nèi)陸污染較重地區(qū)，相應(yīng)地，在此風向下容易出現(xiàn)BC濃度高值。但是風向?qū)δ暇〣C在不同季節(jié)影響也是不同的，春季BC濃度高值主要出現(xiàn)在西北風向；夏季BC濃度高值除了受西北風向的影響，東北偏東風向也會有一定影響，這可能受蘇北地區(qū)污染氣團的影響；秋冬季節(jié)北風和西風對BC濃度的影響更為明顯，說明內(nèi)陸污染氣團隨這兩個方向的氣流傳輸至南京市，造成BC濃度偏高。相比南京市，蘇州市(圖6)主要受西風影響更明顯，四季也有不同的特征[18]。蘇州春季污染氣團主要來自于西北風向，夏季主要受西北和東北風向影響，秋季則是西北偏西風向影響明顯，而冬季BC濃度在西風、北風、東風方向均出現(xiàn)高值，尤其是西北風向，結(jié)合蘇州地理位置，蘇州BC污染可能主要來源于其西北方向的城市群，包括南京、常州這些工業(yè)發(fā)達的城市。

圖5 南京市2013年四季不同風向下BC濃度特征Fig.5 Characteristics of BC concentration in different wind directions of four seasons in Nanjing,2013

圖6 蘇州市2013年四季不同風向下BC濃度特征Fig.6 Characteristics of BC concentrations in different wind directions of four seasons in Suzhou,2013

3.3 南京和蘇州兩市BC與氣態(tài)污染物的關(guān)系

圖7是南京市和蘇州市BC與主要氣態(tài)污染物的關(guān)系，南京BC與NOX的相關(guān)性較好(r=0.73)，表明BC與NOX有著同源性，NOX主要來源于機動車尾氣排放，而南京觀測點為商住交通混合區(qū)，周圍多機動車道，而NOX與BC相關(guān)性較好也說明南京市區(qū)BC的來源主要是機動車尾氣的排放；BC與NOX的相關(guān)性在蘇州體現(xiàn)得更為明顯(r=0.87)，說明蘇州市受機動車尾氣排放的影響相比南京更為嚴重。SO2主要來源于電廠燃煤等固定源排放，由于南京市和蘇州市觀測點處于商業(yè)圈和住宅區(qū)，所以兩市BC與SO2的相關(guān)性較差，尤其是南京市。

圖7 南京與蘇州BC與氣態(tài)污染物(NOX、SO2、CO)的關(guān)系Fig.7 Correlation between BC and gaseous pollutants (NOX, SO2, CO) in Nanjing and Suzhou

南京市和蘇州市BC與CO的相關(guān)系數(shù)都達到0.7以上，說明兩者有部分共同來源?！鰾C/△CO比值在南京和蘇州分別是0.004 2和0.005 4，由于BC和CO均來自化石燃料燃燒和生物質(zhì)燃燒的排放，在大氣中停留時間相對較長，其受化學反應(yīng)、氣象因素影響很小，因此△BC/△CO比值在不同地區(qū)受污染源類型的影響而有所差異。該值低于上海的0.010 1[11]，這可能是因為上海的汽油煤油消耗量較高，尤其柴油年消耗量是北京的5.3倍，這造成△BC/△CO比值較高；高于杭州的0.002 9[8]，這可能是因為同樣是全年觀測，必然會收到秸稈露天焚燒排放的影響，研究表明，浙江省秸稈焚燒比例超過30%，南京和蘇州焚燒比例分別是16.5%和11%[19]，受生物質(zhì)燃燒的影響，這可能是造成杭州△BC/△CO比值低的原因之一。BC和CO濃度受排放源強、地理環(huán)境、氣象條件等多種因素綜合影響。

4 結(jié) 論

4.1 對南京和蘇州兩市2013年全年BC濃度變化趨勢的分析發(fā)現(xiàn)，蘇州市BC污染程度大于南京市，相比本底站瓦里關(guān)的BC濃度，南京和蘇州兩市BC污染嚴重。

4.2 風速和風向?qū)δ暇┦泻吞K州市BC的影響主要體現(xiàn)在，風速大小與BC濃度水平基本呈反比趨勢，靜穩(wěn)天氣形勢下，污染物不易擴散；南京和蘇州BC濃度高值主要受西北風向上的污染氣團影響。

4.3 南京和蘇州兩市BC主要來源于機動車尾氣的排放，與CO的相關(guān)性也說明兩市在汽油煤油的消耗上較大，因此兩市BC的污染控制應(yīng)主要集中在機動車排放管控。