張 偉

蘭州中心氣象臺(tái)，甘肅蘭州 730000

碳?xì)馊苣z分為黑碳（Black Carbon，BC）和有機(jī)碳（Organic Carbon，OC）兩類。黑碳?xì)馊苣z顆粒物主要是懸浮在大氣中的黑色碳質(zhì)顆粒，由含碳物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生，其來(lái)源可分為自然源和人為源。在大氣中主要以細(xì)顆粒形式存在，可嚴(yán)重影響和危（毒）害環(huán)境及人體健康[1-2]，對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量也造成影響。由于黑碳?xì)馊苣z對(duì)氣候的直接和間接效應(yīng)、空氣質(zhì)量、人體健康等的影響，大氣中的黑碳?xì)馊苣z越來(lái)越受到科學(xué)家的關(guān)注，已成為當(dāng)前國(guó)際大氣化學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

近年來(lái)，很多學(xué)者利用各城市2～3年黑碳?xì)馊苣z的觀測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)單個(gè)城市（如鄭州［3］、西安［4］、北京［5］、成都［6］）的黑碳?xì)馊苣z分布特征、影響因素及其與氣象要素的關(guān)系開(kāi)展了一系列研究。蘭州是大氣污染的重災(zāi)區(qū)，大氣污染問(wèn)題始終是這座城市的“頑疾”，除特殊地理因素外，可吸入顆粒物已成為城市空氣的首要污染物，嚴(yán)重危害著城市居民的身體健康。因此，對(duì)大氣污染變化的研究分析顯得十分必要。

1 材料與觀測(cè)方法

1.1 觀測(cè)地點(diǎn)與時(shí)間

黑碳?xì)馊苣z濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)取自蘭州皋蘭山大氣成分監(jiān)測(cè)站（甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室皋蘭山野外實(shí)驗(yàn)基地），該站建站于2003年，位于蘭州市城關(guān)區(qū)皋蘭山民族村，103°51′E，36°00′N，海拔2 161.5 m，主要開(kāi)展地面氣象觀測(cè)和大氣成分觀測(cè)，大氣成分觀測(cè)開(kāi)展業(yè)務(wù)有黑碳?xì)馊苣z濃度觀測(cè)及反應(yīng)性氣體觀測(cè)值（EC）。文章主要采用2017—2020年共4年的黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度觀測(cè)資料進(jìn)行分析。

1.2 觀測(cè)設(shè)備與方法

使用美國(guó)瑪基科學(xué)公司生產(chǎn)的AE-31型黑碳儀在線測(cè)量環(huán)境大氣的黑碳?xì)馊苣z含量，該設(shè)備可測(cè)量從370～950 nm 7個(gè)波段的光學(xué)吸收，其原理是通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量石英濾紙帶上收集的粒子對(duì)光的吸收造成的衰減，并假定透過(guò)濾膜的光衰減是由黑碳吸收造成的，由此根據(jù)連續(xù)測(cè)量透過(guò)濾膜的光衰減的變化計(jì)算出黑碳的濃度。

本文采用AE-31型黑碳儀的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量通道880 nm數(shù)據(jù)作為代表值，單位ng/m3，對(duì)頻率為5 min的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，剔除儀器故障、維護(hù)性停機(jī)等異常數(shù)值后，計(jì)算得出小時(shí)平均、逐日值和月均值。

1.3 數(shù)據(jù)段選取

以春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)（3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季）劃分了3個(gè)自然年份，分別為2017年3月—2018年2月、2018年3月—2019年2月、2019年3月—2020年2月，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)初步處理，得到3年數(shù)據(jù)可用率分別為97.3%、98.7%、90.8%，其中2018年3月—2019年2月數(shù)據(jù)的可用率最高，故選作為日值分析依據(jù)，選取2017年3月—2020年2月數(shù)據(jù)作為月值分析數(shù)據(jù)。風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)選用皋蘭山大氣成分監(jiān)測(cè)站地面自動(dòng)氣象站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

小時(shí)數(shù)據(jù)：設(shè)備每小時(shí)采集數(shù)據(jù)12次，每小時(shí)正常采集≥8次視為可用數(shù)據(jù)，并剔除了設(shè)備故障停機(jī)和維護(hù)性停機(jī)等對(duì)數(shù)據(jù)造成的影響。日、月數(shù)據(jù)：每日生成24份小時(shí)數(shù)據(jù)，按照每月天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑碳?xì)馊苣z濃度的日變化特征

春季3—5月：07:00~14:00主城區(qū)黑碳?xì)馊苣z濃度顯著上升的:00段（939.49~1 848.43 ng/m3），峰值出現(xiàn)在上午10:00~11:00（1 806.2 ng/m3），11:00~ 14:00回落，15:00~06:00黑碳?xì)馊苣z濃度均處于一個(gè)較平穩(wěn)區(qū)間，變化幅度不明顯。

夏 季（6—8月）：07:00～13:00主城區(qū)黑碳?xì)馊苣z濃度上升明顯（980.72~1 996.11 ng/m3），峰值出現(xiàn)在10:00（1 996.11 ng/m3），10:00后 回 落，14:00~06:00黑碳?xì)馊苣z濃度均處于一個(gè)較平穩(wěn)區(qū)間，變化幅度不明顯。

秋季（9—11月）：08:00～12:00主城區(qū)黑碳?xì)馊苣z濃度較高有明顯的上升趨勢(shì)，11:00～12:00達(dá)到峰值（1 756.32 ng/m3），12:00后開(kāi)始回落，23:00～00:00為谷值（903.75 ng/m3），秋季黑碳?xì)馊苣z濃度日均值明顯高于春夏季節(jié)。

冬季（12月—翌年2月）：冬季日均值全年最高，其中10:00～12:00主城區(qū)黑碳?xì)馊苣z濃度較高有明顯的上升趨勢(shì)，12:00～13:00達(dá)到峰值（1 899.9 ng/m3），12:00后開(kāi)始緩慢回落，23:00~00:00為谷值（1 176.3 ng/m3）。具體見(jiàn)圖1。

圖1 各季節(jié)黑碳?xì)馊苣z濃度逐小時(shí)變化特征

2.2 黑碳?xì)馊苣z濃度的月變化特征

蘭州皋蘭山大氣成分監(jiān)測(cè)站全年12月黑碳?xì)馊苣z濃度平均值最高，達(dá)1 599.36 ng/m3，5月最低，為795.47 ng/m3；由各月平均值分析可得出，一年中黑碳?xì)馊苣z濃度由高至低分別為冬季（1 357.85 ng/m3）、秋季（1 289.74ng/m3）、春 季（928.38 ng/m3）、夏 季（865.75 ng/m3），總體變化特征為冬秋季高、夏春季低（圖2）。

圖2 2017年3月—2020年2月逐月黑碳?xì)馊苣z濃度平均值

2.3 蘭州皋蘭山大氣成分站黑碳?xì)馊苣z濃度與地面風(fēng)向風(fēng)速的關(guān)系

近地面風(fēng)場(chǎng)變化對(duì)環(huán)境大氣污染物濃度有著重要的影響，2018年3月1日— 2019年2月28日，該站全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋NE（東東北）— N（北）—ESE（東東南），占全年風(fēng)向的33%；次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠浯螢?E（東）—NE（東北），占全年風(fēng)向的18%（表1）。

表1 2018年3月—2019年2月各風(fēng)向出現(xiàn)頻率及其對(duì)應(yīng)的黑碳?xì)馊苣z濃度和平均風(fēng)

從風(fēng)玫瑰圖對(duì)比可以看出（圖3），夏季ENE（東東北）—N（北）—ESE（東東南）出現(xiàn)的頻次高于其他3個(gè)季節(jié)。由表1可知，黑碳?xì)馊苣z低濃度主要出現(xiàn)在N（北）—ESE（東東南）風(fēng)向，是該站點(diǎn)全年主導(dǎo)風(fēng)向，此風(fēng)向扇區(qū)平均風(fēng)速比其他風(fēng)向扇區(qū)更大，黑碳?xì)馊苣z濃度隨風(fēng)速的變化也比較明顯，當(dāng)風(fēng)速≤2.5 m/s時(shí)，黑碳?xì)馊苣z濃度值處于高點(diǎn)，且濃度值的變化不大；當(dāng)風(fēng)速＞2.5m/s時(shí)，風(fēng)速越大，黑碳?xì)馊苣z濃度值減小越快。這說(shuō)明在此區(qū)域，風(fēng)速＞2.5m/s時(shí)有利于大氣中顆粒物的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致黑碳?xì)馊苣z濃度值較小。

圖3 2018年3月—2019年2月蘭州皋蘭山大氣成分站風(fēng)玫瑰圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）根 據(jù)2018年3月—2019年2月蘭州市黑碳?xì)馊苣z濃度數(shù)據(jù)分析得出，蘭州市黑碳?xì)馊苣z濃度日變化總體特征均為“上午高，午后回落”的“單峰型”特征，24 h循環(huán)顯著。

（2）根據(jù)2017年3月—2020年2月逐月黑碳?xì)馊苣z濃度數(shù)據(jù)分析得出，全年12月黑碳?xì)馊苣z濃度平均值最高（1 599.36 ng/m3），5月 最 低（795.47 ng/m3）；四季由高至低分別為冬季（1 357.85 ng/m3）、秋季（1 289.74 ng/m3）、春季（928.38 ng/m3）、夏季（865.75 ng/m3），冬秋季高，夏春季低。

（3）風(fēng)向風(fēng)速對(duì)黑碳?xì)馊苣z濃度有一定的影響，低濃度出現(xiàn)在主導(dǎo)風(fēng)向ENE（東東北）—N（北）—-ESE（東東南），此風(fēng)向是該站點(diǎn)年度主導(dǎo)風(fēng)向，該風(fēng)向扇區(qū)平均風(fēng)速較其他扇區(qū)相比較大，當(dāng)蘭州皋蘭山自動(dòng)氣象站近地面平均風(fēng)速值≤2.5 m/s 時(shí)，該站點(diǎn)的黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度值始終處于高點(diǎn)且濃度值的起伏不大；當(dāng)蘭州皋蘭山自動(dòng)氣象站近地面平均風(fēng)速值＞2.5 m/s 時(shí)，風(fēng)速越大，黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度值減小越快。分析表明，在該站點(diǎn)，近地面平均風(fēng)速值＞2.5 m/s時(shí)利于大氣中顆粒物的擴(kuò)散或分散，從而使得黑碳?xì)馊苣z質(zhì)量濃度值減小。