城市采暖前后黑碳气溶胶污染差异及影响因素分析

刘思宇，杜伟凯，吕东影，朱欢欢，李双江，肖捷颖

(河北科技大学 环境科学与工程学院，河北 石家庄 050018)

黑碳气溶胶(black carbon aerosol，简称BC)是大气气溶胶的重要组成部分，主要产生于碳质燃料的不完全燃烧.一般分为自然源和人为源两种，自然源包括天然火灾、火山爆发等自然排放，具有偶然性且地域差距明显，对大气中BC的浓度变化贡献不大.其主要源于煤及各种生物质燃料的燃烧、工业排放、汽车排放及道路扬尘等，具有广泛性和持续性.

国外关于黑碳气溶胶的观测和研究开展较早，20世纪70年代，美国在加利福尼亚州等地区开展了系统的BC观测；80年代后期，欧洲大部分地区开始对BC进行观测，对其浓度时空变化特征的研究较为成熟，曾有学者指出，BC存在明显的周末效应和明显日变化特征，并总结出BC浓度变化的原因大致有城市交通、人类活动、能源结构改变以及气象条件变化4类.

国内关于BC的研究起步于20世纪90年代中国第一个黑碳气溶胶观测站——瓦里关本底站的建立.我国是BC排放主要地区，目前，国内已开展了多方面的研究，包括污染特征分析、来源解析、与颗粒物的关系以及降水的影响等.张宸赫等对北京市BC进行了观测，Ding等指出由黑碳引起的“穹顶效应”会引起严重雾霾事件，而大部分研究多针对长三角，珠三角，北京、天津等大城市开展，对于石家庄市BC的研究还不多，且缺少较长时间的连续监测研究.笔者利用长时间BC连续监测数据，采用非线性回归、相关性、多元线性回归对BC进行系统分析，研究其采暖前后污染变化规律特征，进一步探讨石家庄市BC来源，以期为制定石家庄市大气污染治理相关政策和措施提供科学依据.

1 研究方法

1.1 观测地点及观测时间

观测地点在河北科技大学新校区信息楼楼顶(河北省石家庄市，北纬37°58′27″，东经114°31′10″)，四周没有明显障碍物，距地面高度约20 m，距离东部铺装道路裕翔街约500 m，周边地形平坦单一，属于典型的文教区，结果具有代表性.观测时间为2018年9月1日—2019年1月31日.

1.2 仪器及数据处理

采样仪器为MetOne BC1054 黑碳监测仪，自动测量并记录从 370 nm 到 950 nm 的10波段太阳辐射透过滤带的传输情况.原理是基于黑碳气溶胶的光学特性，黑碳气溶胶在大气中占比虽小，但在从可见光到红外的波长范围内，对太阳辐射均有强烈吸收，对气溶胶光学吸收系数的贡献率达90%左右，可通过测量红外和紫外光谱区之间光学衰减量来测量BC的浓度.与传统的过滤器光学技术和EPA采样标准相比，BC 1054提高了跟踪测量技术.这种方法基于对β-衰减物质的监测，确保采样无偏差和可重复.仪器采用PM切割头，为确保数据准确性，观测期间每月定期清理切割头.黑碳仪能够实时监测黑碳质量浓度，数据输出频率为1 次·min.BC 1054采用双重点位采样，避免同点位颗粒物过载效应，提高了测量和计算的精准度.

BC对880 nm光源吸收性最强，具有代表性，研究采用880 nm波长的测量数据，将所得数据进行小时平均处理，共得到数据3 294组(秋季2 061组，冬季1 233组)，将2018年9月1日—2018年11月15日设定为采暖前，2018年11月16日—2019年1月31日设定为采暖后，由于仪器故障导致其中部分数据缺失，数据有效率为96.65%；分析过程中选用的气象要素数据来源于真气网，选取距离检测点最近的国控点——世纪公园站，数据均为实时监测得出的小时均值，数据有效率为88%；太阳辐射数据源于河北科技大学西北侧观测站，采用短波辐射数据进行分析，其数据有效率为78.8%.

2 结果与分析

2.1 BC浓度时间变化趋势

对观测点BC数据进行分析，得出2018年采暖前后的浓度变化时间序列，如图1所示.

图1 BC浓度时间变化序列图

图1表明采暖前后BC日平均浓度为(6.3910±0.363)μg·m，高于武汉市(5.23 μg·m)、常州市(5.17 μg·m)、北京市(5.81 μg·m)同期监测结果，低于天津市(6.85 μg·m)，浓度范围为1.04 ～23.39 μg·m，主要集中于1～8 μg·m，95%的监测结果低于14 μg·m，以此作为划分BC高污染的标准，采暖前月未出现重污染情况，采暖后出现重污染情况的天数达15.09%.BC浓度平均值呈现9月<10月<11月<12月<1月，1月份的日变化幅度最大，其日较差达7.06 μg·m，9月的日较差最小为2.29 μg·m.9月1日至11月15日为采暖前期，污染物排放量较低且大气输送能力较强，污染物易扩散，因此BC浓度相对较低.监测期间BC浓度随时间变化逐渐呈现上升趋势，浓度最高值(23.39 μg·m)出现在2019年1月11日.采暖前平均浓度为(4.68±0.29)μg·m，而采暖后平均浓度为(9.20±0.68)μg·m，是采暖前的1.97倍，表明采暖后BC污染非常严重.以0.5 μg·m为步长，对小时均值进行频数分布及曲线拟合分析，得到如图2所示结果，符合伽玛曲线分布，以光滑曲线最高点作为该时期BC本底浓度值，为1.75 μg·m，是瓦里关山全球本底浓度值(0.298 μg·m)的5.87倍，表明石家庄市BC污染情况已不容小觑.

图2 BC浓度频率分布图

2.2 BC浓度日变化趋势

分析BC小时平均浓度得到采暖前后24 h变化趋势差异，结果如图3所示.由图3可知，采暖前后均显示为双峰双谷型，在8:00—9:00，20:00—24:00之间出现峰值，3:00—5:00，14:00—16:00之间出现谷值，其中采暖前第1个谷值相对不明显，采暖后BC浓度明显高于采暖前.这是因为BC浓度与人为活动有很大关系，日出之后人们开始活动，早高峰期间各道路机动车急剧增加，甚至出现道路拥堵现象，大量BC会通过交通活动产生的机动车尾气排放至大气中，而石家庄市地处河北省中南部，气候属于温带季风气候，秋冬季节受到西伯利亚冷高压影响，西北风盛行，气候寒冷干燥，在这种环境条件下，有利于近地面大气层维持稳定，且易引发逆温现象，从而限制BC的扩散，因此产生峰值；午后太阳辐射增强，湍流运动加强，大气环境利于污染扩散，因此BC浓度逐渐降低，14:00—16:00出现谷值；18:00之后下班晚高峰、周边居民活动等均会产生大量的BC，浓度逐渐升高，夜晚降临，地面温度逐渐降低，近地面污染物扩散条件较差，因此再次出现峰值.石家庄市虽然已经采取大规模集体供暖及煤改气改电供暖，但仍会有燃煤废气的排放以及对于落叶进行燃烧处理的现象，这些均会导致采暖后BC浓度相对偏高.

图3 BC浓度日变化趋势特征

2.3 工作日及周末效应差异分析

采暖前后在周末以及工作日的BC平均浓度变化特征如图4所示，周末效应可以突出人为活动对BC的影响程度.

图4 采暖前(a)、后(b)BC浓度周末效应分析

由图4可知，采暖前(a)、采暖后(b)工作日与周末BC浓度变化趋势一致，相比之下采暖前周末效应不明显，基本呈现工作日浓度高于周末的现象，而采暖后周末BC浓度是工作日的1.25倍.河北省近年来多次发布关于在采暖季工业企业错峰生产及停工停产企业名单等，初步分析采暖前周末效应现象主要受到工业企业排放影响；为缓解城市道路交通压力，降低机动车尾气污染，河北省实行工作日双尾号限行政策，周末不限行导致交通量增加，从而加剧BC的排放，与气象数据进行对比发现，采暖后周末重污染天气高达66.67%，重污染天气条件下利于BC的二次形成，且不利于污染物扩散，因此可初步分析采暖后周末效应主要贡献源为机动车尾气排放.

2.4 BC影响因素分析

2.4.1 BC与风速、风向

风速、风向是影响污染物在大气环境中扩散的一个重要因素.笔者利用origin软件对BC浓度以及风速小时平均值进行Logistic非线性回归拟合分析，得出采暖前后风速对BC的影响，结果如图5所示.

图5 BC风速与浓度的关系

图5显示，随着风速增大，BC浓度逐渐降低，呈现L状离散分布，

p

=-0.34(在0.01上显著相关).为排除受污染天气影响，剔除PM>75 μg·m的数据后结果如图6所示，采暖前主风向为东北方向和西南方向，采暖后则以西南方向为主，西北、东北方向为辅.距离监测点西南方向有一居民小区和农村居民点，生活排放会造成BC浓度变化，西向、东向主干道建设大街及裕翔街车流量较大，多为运输车辆，受机动车尾气排放影响导致BC浓度较高.

图6 BC浓度与风向关系

2.4.2 皮尔森相关性分析

采用SPSS 22.0分别对采暖前后BC小时平均浓度与大气环境质量参数(PM，PM，SO，CO，NO，O)和气象参数(温度、相对湿度、太阳辐射)进行皮尔森相关性分析，采用如下取值范围判定变量之间的相关程度：

(1)0.8<

r

<1为极强相关；(2)0.6<

r

<0.8为强相关；(3)0.4<

r

<0.6为中等程度相关；(4)0.2<

r

<0.4为弱相关；(5)0.0<

r

<0.2为极弱相关或无相关.

结果列于表1.

表1 皮尔森相关性分析结果

表1显示，采暖前BC与CO，NO，PM呈现强相关，与PM、温度、湿度呈现中等相关，说明采暖前BC主要受到工业企业排放影响；采暖后BC与CO，NO，PM呈现强相关，与PM、湿度呈现中等相关，说明采暖后BC浓度主要受到燃煤及机动车尾气排放影响.

由此可得，石家庄市BC与CO，NO，PM，PM这4种要素来源相似，主要源于工业企业排放、机动车尾气、燃煤及道路扬尘.采暖前受粗颗粒物影响较大，采暖后则受细颗粒物影响较大，监测期间为重污染天气高发时期，相对湿度与PM，PM均呈正相关，可认为在相对湿度较高情况下，更利于二次污染物形成并沉积，从而导致BC浓度偏高.

采暖前后太阳辐射均与BC、温度、湿度呈现弱相关，采暖后太阳辐射受到BC影响大于采暖前，这说明采暖后温度降低，近地面大气稳定度较高，不利于污染物浓度扩散，BC浓度较高，从而减少太阳对地面的辐射强度.

2.4.3 多元线性回归模型分析

采用SPSS对采暖前后强相关要素及BC分别进行多元线性回归分析，以BC为因变量，其余3种要素作为自变量，并对系数进行标准化检验后建立回归方程，得到的模型数据列于表2.结果显示采暖前常数项为-0.39，标准化回归系数分别为

b

=0.15，

b

=0.41，

b

=0.31；采暖后常数项为-1.59，标准化回归系数分别为

c

=0.24，

c

=0.44，

c

=0.18；显著性概率

p

值均低于0.05，说明均具有显著性意义.方差膨胀因子VIF值均小于10，可认为自变量之间不存在共线性问题.因此可得方程表达式为

Y

=-0

.

39+0

.

15

X

+0

.

41

X

+0

.

31

X

，

(1)

Y

=-1

.

59+0

.

24

X

+0

.

44

X

+0

.

18

X

，

(2)

其中：

Y

，

Y

分别表示采暖前后BC浓度；

X

，

X

，

X

，

X

分别表示CO，NO，PM，PM的浓度.

表2 多元回归线性模型系数统计表

表2中的结果解释了采暖前后BC与影响要素之间线性关系，同时也为追溯其来源提供了科学依据与数据支撑.

3 结束语

(1)石家庄市2018年09月—2019年03月期间BC平均浓度为(6.39±0.36)μg·m，浓度范围为1.04 ～23.39 μg·m，采暖前平均浓度为(4.68±0.29)μg·m，而采暖后平均浓度是采暖前的1.97倍，且呈现明显的时间变化规律.

(2)在人为活动及气候条件影响下，石家庄市BC小时平均浓度呈规律性变化趋势，采暖后BC明显高于采暖前.由于交通限行政策致使周末车流量增加，且秋冬季节大气环境稳定性增高，不利于近地面污染物扩散，从而出现采暖后周末效应显著现象，周末BC平均浓度是工作日的1.25倍.

(3)监测点处BC浓度受西南风和西北风影响较大，主要与机动车尾气排放有关.BC浓度与CO，NO，PM，PM呈现强相关性，主要来源于机动车尾气排放、道路扬尘及工业企业排放，且细颗粒物浓度对采暖后BC影响较大.笔者的研究结果为进一步分析石家庄市黑碳气溶胶的来源以及制定相关减排政策可提供一定的科学数据支撑.