乌鲁木齐冬季黑碳气溶胶污染特征初步研究

钟玉婷，刘新春，何清，陆辉，赵克蕾，3

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；2.中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室/新疆树木年轮生态重点实验室，新疆乌鲁木齐 830002；3.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐，830046）

乌鲁木齐冬季黑碳气溶胶污染特征初步研究

钟玉婷1，2，刘新春1，2，何清1，2，陆辉1，2，赵克蕾1，2，3

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002；2.中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室/新疆树木年轮生态重点实验室，新疆乌鲁木齐 830002；3.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐，830046）

利用2010年2月乌鲁木齐大气成分观测站黑碳仪观测数据，结合散射系数及常规观测资料，对乌鲁木齐冬季黑碳气溶胶（BC）浓度变化特征进行了分析，并通过气流后向轨迹进行了来源分析。结果表明：（1）观测期间BC质量浓度日平均值为12 707±4 673 ng·m-3，浓度变化范围为4 916～22 997 ng·m-3，散射系数日均值为1 086±561mm-1，变化范围为350～2 232mm-1。BC质量浓度和散射系数日均值变化趋势基本一致；（2）BC质量浓度日变化具有明显的峰值和谷值，峰值分别出现在09—11时和20—22时，谷值分别出现在04—06时和16—18时，散射系数与BC质量浓度日变化趋势基本一致，相对其有一定的滞后。春节期间燃放烟花爆竹对空气污染物浓度上升有明显作用，显著影响BC质量浓度日变化规律；（3）乌鲁木齐冬季大气层结稳定，污染物不易扩散，风速和降水对黑碳气溶胶浓度具有明显的稀释作用。在乌鲁木齐特殊的地形和气象条件下，本地源排放与来自周边城市群污染物输送的叠加使得污染更加严重。

黑碳气溶胶（BC）；变化特征；后向轨迹；污染输送

黑碳气溶胶（BC）是大气气溶胶的重要组成部分，其粒径一般在0.01～1 μm之间，来源于任何含碳物质的不完全燃烧排放出的无定型碳质，它在可见到红外波段范围内对太阳辐射均有强烈吸收，故习惯上被称为黑碳气溶胶[1]。BC不仅能在大气输送过程中吸附二次污染物影响大气组成和大气化学过程，还能通过改变云凝结核的特性影响云的生成，从而影响区域气候[2]。有研究证实BC的直接辐射驱动因子超过了CH4，对全球气候变暖贡献了15%～ 30%[2]，成为全球大气系统中仅次于CO2的增温组分[3]。中国区域BC的排放量占到全球排放总量的1/4，成为区域乃至全球气候与环境变化的一个重要驱动因子[4]。BC不仅对太阳辐射具有强烈的吸收和散射作用，能降低大气透明度和能见度[5-6]，黑碳粒子还能吸附有毒有害物质如PAHs和重金属等，通过呼吸道进入肺泡长期滞留，从而影响人体健康[7]。因此有关BC的研究越来越受到科学家的关注。

国外早在20世纪70年代就出现了BC的系统测量[8]，到目前为止开展了包括南极、北极等地区的广泛观测[8-11]。国内有关BC的研究则开展较晚，20世纪90年代开始，BC的观测实验在我国才逐步展开。1991年我国临安大气本底污染监测站进行了短期的BC浓度观测[12]，1992—1994年汤洁等在青海西宁市西南方向约90 km海拔3 810m的瓦里关山地区，进行本底地区大气BC浓度的观测[12]，1992至1997年在北京市北郊观测BC的浓度[13]，至今已得到一些有价值的研究结果。目前，我国正处于经济高速发展时期，大气中的颗粒物在今后相当长的一段时期内仍然是重要污染物。我国北方城市的大气污染相当严重[14-15]，冬采暖季BC浓度显著增高，BC的气候效应也越来越受到关注[16-18]。因此，观测并分析冬季BC的浓度分布、变化特征及其主要来源贡献能够为北方城市BC研究提供基础数据和对比分析。

由于其特殊的地理位置、气象条件等因素，乌鲁木齐冬季风速小，逆温层厚，大气层结稳定，大气污染严重[19]。本研究通过乌鲁木齐沙漠气象研究所大气成分观测站进行长期连续观测，获得BC浓度等宝贵的观测数据，分析了乌鲁木齐冬季BC浓度的变化特征及其来源，希望能为开展城市和区域大气气溶胶的污染特征提供基础研究数据。

1 观测方法及观测站点

1.1 观测地点

黑碳仪安放于市区自治区气象局科技楼7楼楼顶大气成分观测站（43.47°N，87.39°E，海拔948.1m）内，采样管距离观测站房顶1.5m。观测点四周没有明显的BC污染排放源，能够较好地代表城市大气污染状况。采样时间为北京时间2010年2月1日—2月28日，期间共获得有效观测数据7 798组。

1.2 观测仪器和方法

观测仪器为美国玛基科学公司（Magee Scientific Co,USA）生产的AE-31黑碳仪，该仪器可以连续实时观测黑碳的质量浓度。该仪器共有370、470、520、590、660、880、950 nm 7个通道，880 nm是各种型号黑碳仪的标准测量波长，其详细工作原理及资料处理方法见文献[12，20]。本文采用黑碳仪标准通道（880 nm）的采集结果作为黑碳质量浓度的代表值，该仪器平均每5min获取一组黑碳浓度数据。

此外，还利用澳大利亚Ecotech公司生产的Aurora-1000型积分式浊度计对气溶胶的散射系数（σsp）进行了同步观测，仪器的测量波长为525 nm，其同步观测时间间隔均为5min。

2 结果与分析

2.1 黑碳气溶胶浓度日均值变化特征

观测期间共获得BC质量浓度小时平均值数据671组，平均值为13 085±6 586 ng/m3，浓度变化范围为753～39 272 ng/m3；日平均值为12 707±4 673 ng/m3，浓度变化范围为4 916～22 997 ng/m3。散射系数日均值为1 086±561mm-1，变化范围为350～2 232mm-1。从图1可以看出，BC质量浓度和散射系数日均值变化趋势基本一致，根据Mie散射理论，尺度在0.05～1.5 μm的粒子散射效率最大，即对总散射系数的贡献最大。黑碳气溶胶颗粒的粒径尺度范围一般在0.01～1 μm，其粒径中值为0.1～0.2 μm。因此，BC质量浓度与散射系数的变化基本一致。但是，也有两者变化不一致的情况，例如2月2日、2月3日、2月18日，当质量浓度（或散射系数）出现高值的时候，散射系数（或质量浓度）并没有同样出现高值。气象条件是影响黑碳浓度的重要因素，乌鲁木齐冬季层结稳定，多静风，有天气系统时，风速的增大对黑碳气溶胶浓度具有明显的稀释作用。2月5日降水过程前，风速加大，BC浓度呈明显的下降趋势，且降水的量级影响BC的清除和增长过程。

图1 BC质量浓度和散射系数日变化趋势

2.2 黑碳气溶胶浓度日变化特征

图2为BC质量浓度和散射系数时均值变化趋势，可以看出BC质量浓度变化具有明显的峰值和谷值，峰值分别出现在09—11时和20—22时（北京时间，下同），谷值分别出现在04—06时和16—18时。其中峰值最大值为22 812 ng/m3，出现在10时；谷值最小值为11 670 ng/m3，出现在17时。BC质量浓度时均值的变化主要取决于污染源的变化及城市大气边界层内气象要素的变化。09—11时出现BC浓度高值主要是由于此时为上班高峰期，市区机动车辆增加，交通来源BC排放量增加，因此BC浓度在该时段显著升高；另外由于该时段正处于日出后，大气层结构稳定，混合层高度相对偏低，不利于大气污染物质的稀释扩散，这也是造成BC浓度偏高的一个原因。16—18时为全天BC浓度低值时段，随着太阳辐射的不断增强，地面的增温速度明显高于大气的增温速度，空气对流强烈，有利于污染物的扩散，此外相对于一天的上下班高峰期，午后的人为活动明显降低，机动车排放量降低，这也是午后BC浓度出现低值的一个原因。从17时后，BC浓度开始明显增加，到21时出现高值，这首先是因为此时段正处于下班高峰期，来往的机动车排放量增加，其次是居民烹饪活动、烧烤及取暖都导致该时段BC浓度升高。

图2 BC质量浓度和散射系数时均值变化趋势

此外，散射系数日变化与BC质量浓度具有相同的峰值区和谷值区，峰值分别出现在01—03时和09—11时，谷值分别出现在05—07时和17—19时。其变化趋势与BC基本一致，且相对BC有一定滞后，表明当BC浓度增大时，散射系数也随之增大，相应的表现为大气能见度降低。该地区气温日较差大，日出后不久，太阳辐射不断增强，加热大气，但此时地面还未开始加温，近地面形成逆温层，不利于大气污染物的扩散。同样，夜间地面散热快，近地面层形成稳定状态，不利于大气扩散。而午后，地面接收太阳辐射加热，形成较强的湍流交换和对流，有利于大气颗粒物的扩散，使得散射系数出现谷值。另外，人类活动也是影响散射系数变化规律的一个重要的因素，散射系数出现峰值的时段均是人类活动颗粒物（上下班机动车辆的排放、居民烹饪燃烧）排放集中的时候。双峰型的变化规律与其他一些地区的变化规律一致，峰谷值出现时间略有不同，主要由于各地气象条件和人类活动强度不同造成。

图3为2010年除夕（2010年2月13日）及正月初一（2010年2月14日）BC质量浓度和散射系数变化情况，可以看出，13日中午、14日零点时刻以及早晨，BC质量浓度和散射系数都明显的峰值，因为这两天机关、工厂都放假，来往的车辆较少，排放的尾气浓度降低，2月13日14:00有一个小高峰是因为很多家庭有中午吃团圆饭燃放爆竹的习俗，到了除夕夜零点是燃放烟花爆竹的高峰期，从图中也可以看出此时段的BC质量浓度明显陡升，而14日10:00—13:00的高峰也是燃放爆竹所致。由此可见，燃放烟花爆竹对BC质量浓度及散射系数的增加有很大的贡献。

2.3 黑碳气溶胶源解析

图32010年除夕及正月初一BC质量浓度和散射系数变化

为了讨论不同气团对观测点BC浓度的影响，运用轨迹聚类簇分析技术对2010年2月距地面10m高度72 h后向轨迹进行聚类分析。轨迹聚类分析（或簇分析）技术在有关文献[21-22]中已有较详细的介绍。后向轨迹计算采用Roland Draxler发展的HYSPLIT轨迹模式（HybirdSinglePartical Lagrangian Integrated Trajectories）[23]，计算采用气象场数据由NECP1°×1°分析场得到的FNL气象数据集（NOAA/ARL FNL Dateset），时间分辨率为6 h。计算公式如下：

i表示聚类分析得到的第i簇（#），j为该簇中的轨迹数，Ai，j表示各簇中的每一条轨迹对应时刻观测点的BC观测值。

图4 聚类分析所得的10m高度72 h簇平均后向轨迹

根据气团轨迹的起源和传输路径等因素，将主要流场类型分为8类（图4）。从轨迹聚类簇分析的结果看，第1簇、第2簇、第4簇、第6簇和第7簇这5簇都来自西方，占总轨迹数的76%，其中第1簇占29%，BC浓度最高，为14 275 ng/m3，途径天山北坡经济带和北疆工业区，污染相对严重；第2簇占32%，BC浓度为11 512 ng/m3，主要来自乌鲁木齐郊区西北偏北方向，传输距离短，局地污染物相对集中，不易扩散；第4簇，第6簇和第7簇所占总轨迹的比例较小，路径相对较长，且第6簇只有两条轨迹，BC浓度最低，为8192 ng/m3，其中一条轨迹时间为2月5日18点，参照地面观测记录该时段有降水过程。第3簇来自西南方向，占总轨迹数的8%，BC浓度为13 225 ng/m3，第5簇来自东南方向，占总轨迹数的8%，传输距离最短，为局地污染源，BC浓度为12 695 ng/m3，第8簇来自正北方向，也占总轨迹数的8%，BC浓度为10 963 ng/m3。总的来看，观测期间乌鲁木齐大气层结稳定，低层大气输送路径主要以西方（偏西方）为主，这主要对应着冬季时段西伯利亚高压移动路径特征。除此之外，东南方向路径与地面蒙古高压建立造成的区域性东南风输送有关。冬季静风和微风天气下局地输送使得污染物在本地积累，不利于污染物扩散，污染物浓度升高。当有天气过程发生时，逆温层被破坏，BC浓度才会明显减小。乌鲁木齐及其周围城市群空气污染变化趋势一致，考虑到乌鲁木齐周边城市中工业园区所处方位及乌鲁木齐盛行风向等因素，途径西北、东北的气流往往造成乌鲁木齐污染物浓度升高，期间污染物传送速度较慢，传输距离较短，区域尺度城市群间输送是乌鲁木齐主要的输送类型，本地源排放与来自周边城市群污染物输送的叠加使得污染更加严重。

3 讨论

从BC浓度日变化特征来看，与我国北方城市黑碳日变化特征一致，表现出明显的城市污染特征。冬季特殊时段（车辆高峰期、居民烹饪燃烧、燃放烟花爆竹）对BC浓度有显著的贡献。由于所采用的观测数据较短，统计量较少，簇浓度统计具有其偶然性，不同气团输送对近地层污染的影响还需做进一步的验证。

结合气团轨迹分析结果及气象要素的变化，污染物较高浓度的出现和西北、东北路径的区域大气输送有关，此外大气逆温层结稳定、静风造成污染物不易扩散，在近地面不断堆积。因此，观测点BC浓度应是气象因素、局地排放、区域输送共同作用的结果。综合考虑乌鲁木齐市大气环境容量及承载力，乌鲁木齐特殊的地形及冬季逆温条件对污染物的积累作用可能要比区域输送作用更强，BC的来源还需再通过更长的观测资料做进一步讨论和验证。

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Pollution Characteristicsand Source of Black Carbonaerosols in Urumqi in Winter

ZHONG Yuting1，2，LIU Xinchun1，2，HE Qing1，2，LU Hui1，2，ZHAO Kelei1，2，3
（1.Institute of Desertmeteorology，CMA，Urumqi 830002，China；2.Key Laboratory of Tree-ring Physicaland Chemical Research of Chinameteorologicaladministration/Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology，Urumqi 830002，China；3.College of Resourcesand Environmental Science，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Based on Black Carbonaerosol（BC）observationsat theatmospheric composition observatory in Urumqi in February 2010 combined with the scattering coefficientand conventional observation data,the variation characteristics of Black Carbonaerosol（BC）concentration in winter wereanalyzed,and the source was discussed through backward trajectory.The results showed that the dailyaverage concentration of BC was 12 707±4 673 ng·m-3with the range 4 916～22 997 ng·m-3and the dailyaverage concentration of scattering coefficient was 1 086±561mm-1with the range 350～2232mm-1during winter in Urumqi,while the variation trend of BC concentrationand scattering coefficient was basically coherent.The daily variation of BC concentration was characterized by obvious peakand trough in winter with the highest concentrationat 9～11 o’clockand 20～22 o’clock,and the lowestat 4～6 o’clockand 16～18 o’clock,while the daily variation of scattering coefficient had the same variation patternas the BC concentration with some hysteresis. Fireworks during the Spring Festival had obvious effect on theair pollutant concentration increase, significantlyaffected the daily variation of the BC concentration.In winter,theatmosphere is stableand the pollution is not easy to spread,while wind speedand precipitation can dilute BC concentration obviously in Urumqi.Because of special terrainand weather conditions in Urumqi, local sourcesand the pollutant transportation from the surrounding urbanmake pollutionmore seriously.

black carbonaerosol；variation character；backward trajectory；pollution transfer

X513

A

1002-0799（2014）06-0036-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.06.006

2014-08-29；

2014-09-15

中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2009014），中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（IDM201003，IDM201205）共同资助。

钟玉婷（1982-），女，助理研究员，主要从事大气气溶胶研究。E-mail：zhongyuting830@sina.cn

钟玉婷，刘新春，何清，等.乌鲁木齐冬季黑碳气溶胶污染特征初步研究[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（6）：36-40.