畢溫凱，唐 邈，楊 寧，高璟赟，李 源，李 丹，張 寬

(天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191)

天津市APEC期間黑碳?xì)馊苣z觀測(cè)研究

畢溫凱，唐 邈，楊 寧，高璟赟，李 源，李 丹，張 寬

(天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191)

摘要：利用AE-31型黑碳儀在APEC期間對(duì)天津進(jìn)行了黑碳?xì)馊苣z濃度監(jiān)測(cè)，分析了APEC期間氣象因素對(duì)黑碳?xì)馊苣z的影響結(jié)果，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明APEC期間天津市黑碳?xì)馊苣z平均濃度為4.8μg/m3，占同期PM2.5濃度的7.1%，并通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比說(shuō)明APEC期間天津市采取的最高級(jí)別應(yīng)急減排措施對(duì)保障環(huán)境空氣質(zhì)量起到了積極作用。

關(guān)鍵詞：亞太經(jīng)合組織；黑碳?xì)馊苣z；觀測(cè)

1引言

黑碳?xì)馊苣z主要由含碳物質(zhì)不充分燃燒熱解產(chǎn)生，煤、石油、木碳以及柴草等燃燒都會(huì)產(chǎn)生大量的黑碳?xì)馊苣z。黑碳?xì)馊苣z的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了它在環(huán)境空氣中的惰性，除物理擴(kuò)散及沉降外，黑碳?xì)馊苣z本身難以清除。作為PM2.5中重要的污染物，黑碳?xì)馊苣z的以上特性使其多作為環(huán)境空氣中PM2.5一次污染排放的代表性污染物，黑碳?xì)馊苣z占PM2.5質(zhì)量濃度的百分比可用于表示一次排放污染物所占比重。

2014年11月亞太經(jīng)濟(jì)合作組織(APEC)會(huì)議在北京召開(kāi),為響應(yīng)國(guó)家要求，確保APEC期間北京市環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，天津市政府于APEC期間在全市行政區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)施了包括重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)限產(chǎn)限排，施工工地?fù)P塵污染控制，禁止露天燒烤，機(jī)動(dòng)車單雙號(hào)限行等最高級(jí)別應(yīng)急減排措施.本文利用黑碳儀連續(xù)監(jiān)測(cè)APEC前后天津市黑碳?xì)馊苣z濃度，討論了天津市在APEC期間黑碳?xì)馊苣z濃度變化特征， 并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)分析黑碳?xì)馊苣z的變化特征及可能的影響因素，同時(shí)研究了PM2.5中黑碳?xì)馊苣z所占質(zhì)量百分比，以綜合說(shuō)明APEC期間天津市黑碳?xì)馊苣z變化。

2材料與方法

2.1　黑碳儀

本次監(jiān)測(cè)采用AE-31型黑碳儀(Magee scientific Inc ，USA)，該儀器可同時(shí)使用370，470，520，590，660， 880和950nm 7個(gè)波段的光源測(cè)量黑碳?xì)馊苣z的光吸收，計(jì)算黑碳?xì)馊苣z濃度，時(shí)間分辨率可達(dá)1min。

AE-31型黑碳儀采用“時(shí)間差分測(cè)量方式”進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即在抽氣泵的作用下，環(huán)境空氣連續(xù)通過(guò)黑碳?xì)馊苣z濾膜采樣區(qū)，每隔一個(gè)時(shí)間周期，儀器開(kāi)/關(guān)測(cè)量光源一次，測(cè)量有光源照射和無(wú)光源照射2種條件下黑碳?xì)馊苣z采樣區(qū)和參照區(qū)的光強(qiáng)信號(hào)。通過(guò)采樣區(qū)光學(xué)衰減量，計(jì)算得到該測(cè)量周期內(nèi)收集的黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量，再除以此段時(shí)間通過(guò)的采樣體積，即計(jì)算出采樣空氣流中的平均黑碳濃度。如果測(cè)量周期與所關(guān)注的空氣質(zhì)量變化時(shí)間尺度相比較短時(shí)，可以認(rèn)為觀測(cè)是連續(xù)的。如果平均濃度從一個(gè)觀測(cè)周期到下一個(gè)周期的變化不大，則認(rèn)為該平均值合理反映了該測(cè)量周期內(nèi)環(huán)境空氣的實(shí)際黑碳濃度。

采樣區(qū)氣溶膠樣品光學(xué)削減ATN按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

ANT=100×In[(SB-SZ)/(RB-RZ)]

(1)

式中：SB、SZ、RB、RZ分別為采樣區(qū)“亮”信號(hào)、采樣區(qū)“暗”信號(hào)、參照區(qū)“亮”信號(hào)和參照區(qū)“暗”信號(hào)。某一個(gè)測(cè)量周期與上一個(gè)測(cè)量周期間的采樣點(diǎn)光學(xué)衰減量ΔATN與采樣點(diǎn)的黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量增量Δ(MBC)成正比：

ΔATN=ATN-ATN0=σ×Δ(MBC)

(2)

式中：σ為黑碳?xì)馊苣z當(dāng)量衰減系數(shù)，cm2/g；ATN為本測(cè)量周期光學(xué)衰減；ATN0為上一測(cè)量周期光學(xué)衰減；Δ(MBC)為采樣區(qū)單位黑碳沉積量增量。設(shè)采樣點(diǎn)的面積為A，采樣的體積流速為F，則相鄰兩個(gè)采樣周期(時(shí)間差為T)內(nèi)環(huán)境空氣中平均黑碳濃度[BC]為：

[BC]=Δ(MC)×A×109/F×T

(3)

2.2　監(jiān)測(cè)地點(diǎn)及時(shí)間

監(jiān)測(cè)地點(diǎn)位于天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心大氣環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測(cè)站(117°09′E、39°06′N)，黑碳?xì)馊苣z采樣儀距地面高度23m，距監(jiān)測(cè)站房頂1m。監(jiān)測(cè)時(shí)間為2014年11月3日至11月17日。

3結(jié)果與討論

3.1　黑碳?xì)馊苣z濃度變化特征

本文取2014年11月3日至5日代表APEC前期，2014年11月6日至11日代表APEC期間，2014年11月12日至17日代表APEC后期。圖1為監(jiān)測(cè)期間黑碳?xì)馊苣z日平均濃度，監(jiān)測(cè)期間黑碳?xì)馊苣z平均濃度為4.8μg/m3，其中APEC前期平均濃度為5.1μg/m3，APEC期間平均濃度為5.3μg/m3，APEC后期平均濃度為4.2μg/m3。這一結(jié)果顯著低于2001年在北京的觀測(cè)值10.3μg/m3，說(shuō)明APEC期間天津市本地污染源控制效果顯著。

在污染源排放穩(wěn)定的前提下，黑碳?xì)馊苣z逐日變化情況與天氣條件密切相關(guān)，監(jiān)測(cè)期間屬于冬季，黑碳?xì)馊苣z濃度變化情況主要受冷空氣、靜穩(wěn)天氣及風(fēng)向影響。如APEC前期天津市以偏東風(fēng)為主，風(fēng)自大海吹來(lái)，空氣相對(duì)干凈，黑碳?xì)馊苣z濃度處于中間水平(5.1μg/m3)；APEC期間天津市以偏南風(fēng)為主，風(fēng)速較低，天氣相對(duì)靜穩(wěn)且從南部地區(qū)傳輸污染物，不利于環(huán)境空氣質(zhì)量改善，黑碳?xì)馊苣z濃度處于較高水平(5.3μg/m3)，APEC后期天津市冷空氣基本為北風(fēng)，風(fēng)速較高且較為清潔，能夠迅速吹散污染，改善環(huán)境空氣質(zhì)量，黑碳?xì)馊苣z濃度處于較低水平(4.2μg/m3)。

圖1中11月6日和11月11日受冷空氣影響(均為偏北風(fēng)，平均風(fēng)速分別約為1。8m/s，2.3m/s)，黑碳?xì)馊苣z濃度均較低，其中11月12日出現(xiàn)APEC期間黑碳?xì)馊苣z最低值1.2μg/m3。11月10日受低壓系統(tǒng)影響，天氣靜穩(wěn)(偏南風(fēng)，平均風(fēng)速約0.7m/s)，黑碳?xì)馊苣z達(dá)到最大數(shù)值9.2μg/m3，是監(jiān)測(cè)期間最小值1.2μg/m3的7.7倍。

圖1　APEC會(huì)議期間天津市黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度情況

圖2中為APEC期間黑碳?xì)馊苣z小時(shí)濃度變化情況，整體呈現(xiàn)雙峰型。APEC期間黑碳?xì)馊苣z峰值出現(xiàn)在6時(shí)與22時(shí)，谷值出現(xiàn)在13時(shí)至16時(shí)，出現(xiàn)以上規(guī)律與機(jī)動(dòng)車限行減少白天機(jī)動(dòng)車黑碳?xì)馊苣z排放和混合層高度變低出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象等情況有關(guān)。

圖2　APEC會(huì)議期間天津市黑碳?xì)馊苣z小時(shí)變化情況

3.2　PM2.5質(zhì)量濃度與PM2.5中黑碳?xì)馊苣z濃度的關(guān)系

圖3是APEC期間PM2.5的小時(shí)質(zhì)量濃度與PM2.5中黑碳?xì)馊苣z小時(shí)質(zhì)量濃度的回歸關(guān)系圖，兩者相關(guān)系數(shù)為0.806，說(shuō)明在絕大多數(shù)情況下兩者的來(lái)源是一致的。

圖3　PM2.5的小時(shí)質(zhì)量濃度與PM2.5中黑碳?xì)馊苣z小時(shí)質(zhì)量濃度的關(guān)系

利用APEC期間天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和黑碳監(jiān)測(cè)器對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算得到PM2.5中黑碳所占質(zhì)量濃度百分比，其中APEC前期為7.3%，APEC期間為7.1%，APEC后期為9.0%。結(jié)合天津市APEC期間環(huán)境空氣質(zhì)量保障措施來(lái)看，APEC前期天津市主要對(duì)工業(yè)企業(yè)和土石方作業(yè)進(jìn)行管控;APEC期間增加施工工地和機(jī)動(dòng)車管控。APEC期間及APEC前期黑碳?xì)馊苣z占PM2.5質(zhì)量濃度百分比明顯低于APEC后期，說(shuō)明APEC期間一次生成的PM2.5比重明顯降低，天津市APEC期間環(huán)境空氣質(zhì)量保障工作起到了積極效果。

4結(jié)論

(1)天津市APEC期間整體黑碳?xì)馊苣z平均值為4.8μg/m3，其中APEC前期平均值為5.1μg/m3， APEC期間平均值為5.3μg/m3，APEC后期平均值為4.2μg/m3。

(2)黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度變化受氣象條件影響較大，早晚出行高峰期濃度相對(duì)較高，最低值出現(xiàn)在午后。

(3)黑碳?xì)馊苣z與細(xì)粒子相關(guān)性顯著，兩者來(lái)源較為一致。

(4)APEC期間黑碳?xì)馊苣z濃度占PM2.5比重顯著低于APEC后期，說(shuō)明天津市APEC期間環(huán)境空氣質(zhì)量保障工作起到了積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]許黎，王夏強(qiáng)，陳振林.黑碳?xì)馊苣z研究進(jìn)展Ⅰ:排放、清除和濃度[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2006，21(4):352～360.

[2]婁淑娟，毛節(jié)泰，王美華.北京地區(qū)不同尺度氣溶膠中黑碳含量的觀測(cè)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(1):17～22.

[3]趙敬德，亢燕銘.黑碳?xì)馊苣z濃度測(cè)量的研究進(jìn)展[J].能源與環(huán)境，2007(3):92～94.

[4]王月華，湯莉莉，鄒強(qiáng).蘇州地區(qū)黑碳?xì)馊苣z季節(jié)變化研究[J].環(huán)境工程，2014(32):544～547.

[5]Andrews E，Larson S.Effect of sulfactant layers on the size changes of aerosol particles as a function of relative humidity[J].Environmental Science & Technology，1993，27: 857~865.

[6]Bond T，Streets D，Yarber K，et al.A technology-based global inventory of black and organic carbon emissions from combustion[J]. Journal of Geophysical Research-Atmospheres，2004，109:D14203.

[7]孫杰，孫天樂(lè)，何凌燕.深圳市環(huán)境空氣中黑碳?xì)馊苣z的污染特征研究[J].中國(guó)測(cè)試，2012，38(3):8~11.

[8]陶俊，朱李華，韓靜磊.2007年春季廣州城區(qū)黑碳?xì)馊苣z污染特征的初步研究[J].氣候與環(huán)境研究，2008，13(5):658~662.

[9]潘小樂(lè)，王自發(fā)，王喜全.2008年北京奧運(yùn)會(huì)前后城區(qū)黑碳?xì)馊苣z濃度的變化特征[J].氣候與環(huán)境研究，2010，15(5): 616~623.

[10]張燦，周志恩，翟崇.重慶市氣溶膠特征及影響因素初探[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(4):812~818.

[11]楊溯，張武，韓晶晶.上海市浦東新區(qū)秋冬季黑碳?xì)馊苣z特性[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，44(4):66~70.

[12]張華，王志立.黑碳?xì)馊苣z氣候效應(yīng)的研究進(jìn)展[J].氣候變化研究進(jìn)展，2009，5(6):311~317

Observation and Investigation of Black Carbon Aerosols in Tianjin During the APEC

Bi Wenkai, Tang Miao, Yang Ning, Gao Jingyun, Li Yuan, Li Dan, Zhang Kuan

(TianjinEnvironmentalMonitoringCenter,Tianjin300191,China)

Abstract:The concentration of black carbon aerosols in Tianjin during the APEC period is monitored by using AE-31 type's black carbon analyzer. The article analyzes the influence of meteorological factors on black carbon aerosols. The monitoring results show that the average concentration of black carbon aerosol is up to 4.8μg/m3during the APEC, which accounts for 7.1% of PM2.5concentration over the same period. Through the date comparison, the results demonstrate that a series of the highest level of emergency mitigation measures taken by Tianjin government during the APEC have played a positive role in protecting the ambient air quality.

Key words:Asia-Pacific Economic Cooperation; black carbon aerosols; observation

中圖分類號(hào)：X513

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944(2015)04-0177-03

通訊作者：唐邈(1983—)，男，天津人，工程師，主要從事環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)等方面的研究。

作者簡(jiǎn)介：畢溫凱(1988—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，助理工程師，主要從事環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)等方面的研究。

基金項(xiàng)目：天津市重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目(編號(hào)：14ZCDGSF00027)；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：13ZCZDSF14600)資助

收稿日期：2015-02-28