全国大气背景地区黑碳浓度特征

张 霞，余益军，解淑艳，孟晓艳，齐炜红，王 帅，潘本锋

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.常州市环境监测中心，江苏 常州 213001 3.邯郸市环境监测中心站，河北 邯郸 056002

近年来，我国大中城市颗粒物污染发生频率高，持续时间长，细颗粒物中不同组分对太阳辐射的吸收和散射作用直接导致能见度降低，同时影响辐射强迫、扰动区域气候变化；另外，气溶胶，尤其是黑碳(Black Carbon, BC)气溶胶粒子中的多种化学组分与人体健康密切相关，并且黑碳的辐射强度介于二氧化碳和甲烷之间，是影响全球变暖仅次于二氧化碳的第二位重要因素[1]，成为环境科学界的研究热点之一。黑碳气溶胶的研究历史较短，黑碳测量技术和方法有较大的不确定性，20世纪80年代，我国有关于气溶胶吸收系数观测方法的相关研究[2-3]，自20世纪90年代开始在少数大气本底站和部分城市开展了黑碳观测研究，汤洁等[4]于1991年在临安大气本地站、1998年在拉萨等地区开展了短期的黑碳浓度观测研究，王庚辰等[5]于北京郊区开展了黑碳浓度观测，同时在北京、上海、天津、重庆[6-11]等分别有相关工作见诸报道，得出了OC和EC在PM2.5和PM10的浓度分布特征；吴兑等[12]在2004—2007年对广州番禺大气成分站进行黑碳浓度与吸光系数研究，得出广州地区黑碳浓度变化情况，是时间较长的一次单站点观测。这些观测研究对了解城市的黑碳分布特征提供数据支撑，但在更大尺度掌握黑碳的污染特征仍显不足。

为了反映全国整体层面的环境空气质量状况，监控空气质量状况和变化趋势及污染在大气环流作用下对区域的影响，国家环境保护部统一布局，构建了大气背景站监测网络，在15个背景站开展了黑碳气溶胶监测，为黑碳气溶胶在大尺度上的研究提供基础数据。本研究探讨了背景地区的黑碳浓度水平及其变化特征。

1 研究方法

1.1 数据来源

14个背景站黑碳自动在线监测(西沙背景站2015年尚未开展监测)，相关信息见表1，数据采集时间均为2015年1月1日至12月31日。

表1 14个背景站点位信息

1.2 仪器和数据处理

采样仪器为美国AE-31型黑碳仪，具有370、470、520、590、660、880、950 nm等7个波长测量通道。黑碳仪利用黑碳气溶胶在一定波长范围内能有效吸收入射电磁波的原理，测量气溶胶样本的光学衰减量，从而确定大气中黑碳气溶胶的含量。黑碳仪采用PM2.5切割头进行采样，采样流量为5 L/min，时间分辨率为5 min。

为保证数据可比性，本研究数据有效性规定：参照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)常规污染物项目监测数据统计的有效性规定要求，日均值至少有分布均匀的20个有效小时质量浓度均值数据。考虑到背景站地理位置的特殊性，本文规定：月平均浓度至少有分布均匀的20个有效日均浓度数据，季均浓度至少有2个有效月均值，年均浓度需有4个有效季均值。

在相关性分析部分，采用7个测量通道 (370、470、520、590、660、880、950 nm) 的数据，其他部分采用880 nm测量通道的数据。

2 结果与讨论

2.1 小时浓度均值分布特征

表2为14个背景站880 nm波长时黑碳小时质量浓度均值、中值、标准差、极大值和极小值的分布情况。从表2可以看出，14个背景站880 nm波长时黑碳小时质量浓度均值介于88.7 ng/m3(纳木措)和1 487.6 ng/m3(长岛)之间，中值介于72.0 ng/m3(纳木措)和1 055.3 ng/m3(长岛)之间，标准差介于69.7(纳木措)和1 395.5(长岛)之间，小时质量浓度最小值基本在1.0 ng/m3左右，门源和长岛较高，超过8 ng/m3，小时质量浓度最大值差别较大，介于685.0 ng/m3(纳木措)和13 731.0 ng/m3(长岛)之间；取各小时质量浓度均值对数后的频数呈典型正态分布特征，分别以纳木措、呼伦贝尔和长岛为例，其频数分布如图1所示。

表2 14个背景站(880 nm)黑碳小时质量浓度的分布

注：基于黑碳有效小时数据统计。

图1 不同浓度水平典型背景站黑碳小时质量浓度均值分布Fig.1 Distributions of houly BC concentrations (880 nm) in typical background sites

分析代表不同浓度水平的海螺沟、玉龙雪山、纳木措、喀纳斯、庞泉沟、长岛和衡山7个背景站的日变化特征，结果如图2所示。选取的7个背景站日变化特征基本呈现“单峰”型，但峰值出现时间有所不同，如浓度较低的纳木措背景站黑碳浓度峰值出现在10：00，而喀纳斯背景站黑碳浓度峰值则出现在14：00；海螺沟背景站黑碳浓度峰值时间较宽；浓度较高的长岛、衡山2个背景站黑碳浓度峰值分别出现在12：00、15：00，各时刻间浓度差异较明显，庞泉沟背景站各时刻分布差异不大。

图2 7个背景站黑碳质量浓度日变化特征Fig.2 Durnal variations of BC concentrations (880 nm) in different background sites

峰值出现时间及其跨度取决于污染源的变化以及大气边界层内气象要素的变化[13]，魏桢等[14]在合肥发现黑碳日变化呈现特别明显的双峰型现象，与城市早晚高峰的出行(污染源)、夜间大气边界层降低等有关。针对背景站日变化趋势之间的区别，日间浓度升高开始时间与背景站所处的经度有关，如地处最西侧的喀纳斯背景站出现浓度快速上升的时间最晚；其峰值和宽度应与区域污染状况有关，其影响的规律有待进一步研究。

2.2 日均值和月均值特征

各背景站黑碳日均浓度分布范围见图3(端点代表最大值和最小值，盒子上下两端分别代表第75百分位数和第25百分位数，盒子中间横线代表平均值)。2015年长岛和衡山浓度明显高于其他背景站，海螺沟、纳木措等12个背景站日均质量浓度第10百分位数和第90百分位数分别为64.1、773 ng/m3，这反映了我国背景站黑碳的平均本底和平均峰值情况。长岛的黑碳浓度明显高于其他背景站，低于城市站，该背景站海拔低，地处渤海海峡、黄渤海交汇处，北距辽东半岛超60 km，南距胶东半岛超50 km，距城市较近，反映了该点位受山东半岛及环京津冀区域的影响[15]。

从月均变化趋势看，纳木措和喀纳斯月均浓度变化特征不明显，长岛、武夷山、衡山呈现“中间低两头高”的特征，其他背景站总体上冬季相对较高，夏季相对较低，其他月份变化特征不明显(图4)。

2.3 年均浓度特征

14个背景站黑碳年均质量浓度为88.3～1 468.2 ng/m3(表3)，其中纳木措和喀纳斯黑碳年均质量浓度小于100 ng/m3，呼伦贝尔、玉龙雪山、海螺沟、神农架、门源等9个背景站的黑碳年均质量浓度为199.1～640.7 ng/m3，长岛最高(年均质量浓度为1 468.2 ng/m3)，衡山次之(年均质量浓度为976.9 ng/m3)。

图3 2015年14个背景站黑碳(880 nm)日均浓度分布盒须图Fig.3 Box-plots of daily averaged BC concentrations (880 nm) in 14 background sites in 2015

图4 2015年14个背景站黑碳(880 nm)月均质量浓度变化曲线Fig.4 Monthly-averaged BC concentrations (880 nm) in 14 background sites in 2015

结合部分已公开发表研究[8，16-22]成果，比较主要背景站和其他背景站的黑碳浓度水平，具体见表3。整体而言，背景站黑碳浓度明显低于城市浓度；纳木措、喀纳斯、呼伦贝尔和玉龙雪山4个背景站黑碳浓度低于瓦里关全球大气本底站，但高于人类活动相对较少的北冰洋、白令海等区域；神农架背景站黑碳浓度与瓦里关接近。

2.4 与风向风速的关系

气象因素(如风向风速)对黑碳浓度变化也有影响[23]。以纬度相近的门源和长岛为例，分析黑碳浓度与风向风速的关系，结果如图6所示。虽然各背景站相对远离城市，但仍受附近城市(群)的远距离输送影响。如长岛站，位于山东半岛的东北面，西南风向时黑碳小时浓度均值较高。

再以门源背景站为例，黑碳浓度较高时刻的风向主要是南风或者东南风(门源县城位于该点SE方向约35 km位置，海北藏族自治州位于该点SSW方向约80 km位置，西宁则位于该点SSE方向约110 km处)。选取门源背景站黑碳小时质量浓度均值相对较高的2个时刻为2015年3月31日01：00和2015年12月12日10：00，以及处于第90百分位数(可视为平均峰值)的2015年4月30日08：00，在地面30、100、300 m高度进行后向轨迹分析[24-25]，结果(图6)表明，这些重污染的典型时刻，气流主要来自东南方向，也就是这些城市所在的方向。

2.5 黑碳对污染事故的反映

黑碳仪可同时进行7个波长的监测，不同波长监测的结果代表了不同类型的黑碳，因此正在被发展成源解析的手段。如一般认为370 nm可用于测量烟草、木头等燃烧产物，而880 nm主要用于识别煤炭和机动车燃烧产物[26]。

表3 14个背景站黑碳浓度与城市、区域黑碳浓度比较

图5 风向和风速与典型背景站黑碳质量浓度分布关系Fig.5 Relationships of wind speed and direction with BC concentrations in Menyuan and Changdao station

图6 门源站典型时刻的24 h后向轨迹图Fig.6 24 hour back-trajectory analysis of air parcels in Menyuan site

2015年4月13日呼伦贝尔发生由俄罗斯境外火引发的草原大火，自10:30外火从八大关处烧入陈巴尔虎旗，13:10火势蔓延至额尔古纳市的黑山头镇梁东地区，直至次日凌晨被扑灭[27]。呼伦贝尔背景站受该火灾影响，此时段内PM10、PM2.5质量浓度和处于370 nm、880 nm的黑碳质量浓度如图7所示。

图7 2015年4月13日呼伦贝尔草原大火颗粒物和黑碳质量浓度变化Fig.7 Trends of BC, PM2.5 and PM10 in Hulunbeier during forest fires on 2015-04-13

PM10和PM2.5浓度在2015年4月13日18:00开始出现大幅升高，21:00达到峰值。在快速爬升阶段，370 nm测得黑碳相对浓度升高速率与PM2.5、PM10的相对浓度升高速率高度吻合，可见370 nm在生物质燃烧引起的黑碳监测具有较好的指示作用。

针对不同波长的babs(吸收系数)与(1/λ)α(λ为波长，α为波长指数)成正比关系，该指数可指征不同类型的燃烧，如对于生物质燃烧形成的黑碳，α≈2或更高，而化石燃料燃烧形成的α≈1[28]。2015年4月13日呼伦贝尔背景站黑碳各时刻α值与黑碳浓度的关系如图8所示，α值与黑碳浓度同步升高，最高接近于2，可见此时段内黑碳浓度升高确实由于生物质燃烧(草原大火)引起。

3 结论

1)2015年全国14个背景站的黑碳小时质量浓度均值呈明显的对数正态分布特征，14个背景站880 nm波长时黑碳年均质量浓度为88.7～1 487.6 ng/m3，小时最大峰值为685.0～13 731.0 ng/m3，其中长岛和衡山的黑碳浓度较高。

2)各背景站黑碳小时浓度日变化基本呈现“单峰”状，峰值出现的时间有所不同，与所代表地区污染排放状况、气象条件变化规律有关。背景站黑碳月际浓度变化特征为冬季高、夏季低。

图8 黑碳波长指数与黑碳浓度的时间变化趋势Fig.8 Trends of absorption exponent alpha and black carbon concentrations

3)纬度相近的门源和长岛2个典型背景站黑碳浓度分析显示，风向对黑碳浓度有较明显影响，可能是受附近城市(群)的远距离输送影响，后向轨迹分析也印证了这个结论。

4)2015年4月13日内蒙古草原大火期间，呼伦贝尔背景站370 nm波长时黑碳浓度明显升高，印证了370 nm波长时黑碳浓度对生物质燃烧影响有较好的响应。

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