3
赵玉成1
，德力格尔1
，马元仓2
，蔡永祥1
，汤
洁
3
氧浓度传感器
(1.中国大气本底基准观象台，西宁810001;2.青海省气象台，西宁810001;
3.中国气象科学研究院，北京100081)
摘要：结合气象观测资料，对2005年9月—2006年2月在西宁获得的黑碳气溶胶(BC )观测资料进行了分析。结果表明，该地区秋冬季大气黑碳气溶胶浓度变化比较剧烈，日平均浓度为4.211μg/m 3，其变化范围为1.04～9.65μg/m 3；由于局地人为活动和大气垂直对流扩散等的影响,BC 浓度的日变化具有明显的双峰值特征，即BC 高浓度出现在上午9:00～11:00和傍晚19:00～21:00两个时段，低浓度出现在凌晨0:00～5:00和下午14:00～17:00；与附近(90k m 处)瓦里关全球大气本底站的黑碳气溶胶浓度相比，偏高约17倍，但与国外一些城市和我国已监测的几个城市相比还是较低；由小时平均浓度最大出现频数统计分析得出该地区大气黑碳气溶胶本底浓度约为2.300μg/m 3。 关键词：大气；黑碳；气溶胶；日变化；西宁 中图分类号:X513 文献标识码:A 文章编号:(K )08088(原1002-1264)(2008)02-0026-04
Change Fea tures of Bl ack Carbon Concen tra ti on i n A t m osphere
i n X i n i n g from Autu mn of 2005to W i n ter of 2006
Z HAO Yu 2cheng 1
,Deligeer 1
,MA Yuan 2cang 2
,CA I Yong 2xiang 1
,T ANG J ie
3
(1.China Gl obal A t m os phere W atch Baseline Observat ory,Xining 810001,China;2.Q inghaiMeteor ol ogical Observat ory,Xining 810001,China;3.Chinese Acade my of A t m os pheric Sciences,Beijing 100081,China )Abstract:The meteor ol ogical data and concentrati on values of B lack Carbon (BC )aer os ol were analysed in Xining fr om Sep.2005t o Feb .2006.The results sho w that the concentrati on variati ons of BC in this area is greater during autu mn and winter,and daily average concentrati on is 4.211μg/m 3
with the range 1.04～9.65
μg/m 3.I n additi on,the daily variati on of BC concentrati on is characterized by a p r onounced double -peak patterns,and with the highest concentrati on during 9:00～11:00and 19:00～21:00and l o west during 0:00～5:00and 14:00～17:00,which is attributed t o hu man activity and at m os pheric vertical convecti on diffusi on .
The BC
concentrati on in this area is 17ti m es larger than the value observed at Waliguan Gl obal A t m os pheric Baseline Observat ory (90k m fr o m Xining ).But it is still l o wer co mpared with s o me cities at ho me and abr oad .The base BC concentrati on of this study area is about 2.300μg/m 3
based on the maxi m u m frequency of hourly mean concentrati on .Key words:at m os phere;black carbon;at m os pheric aer os ol;daily variati on;Xining
黑碳气溶胶(BC )是大气中一种重要的颗粒态污染物，来源于任何含碳物质不完全燃烧而排放出来的无定型碳质，其主要来源可分为自然源和人为源两种，自然源排放如火山爆发、森林大火等具有区域性和偶然性，而人为源排放却是长期和持续的。工业革命以来，人类出于自身发展的需要，大量使用煤、石油等化石燃料，其他如汽车尾气、生物燃烧等都成为大气中黑碳气溶胶的主要来源。 研究已证实BC 的直接辐射驱动因子超过了CH 4，成为全球大气系统中仅次于CO 2的增温组
分
[1]
，因此中国区域排放的BC 成为区域乃至全球
气候与环境变化的一个重要驱动因子[2]
。由于BC
能对人体产生危害，并能降低能见度、直接和间接的影响气候效应、改变平流层臭氧和光化学烟雾、参与全球生物地球化学循环等，因此黑碳气溶胶的研究越来越受到科学家的关注
[3-7]
。
国外早在20世纪70年代就已经开展了BC 的系统测量，我国的相关研究起步相对较晚，自90年代起，黑碳气溶胶的观测实验在我国才逐步开展。汤洁等1991年在我国临安大气本底污染监测站进
6
2
第21卷2期2008年4月城市环境与城市生态
URBAN ENV I RONMENT &URBAN ECOLOGY Vol .21No .2
Ap r .2008
3基金项目：青海省气象局气象科技项目“西宁市黑碳气溶胶观测与分析研究”资助
收稿日期:2007-10-26；修订日期:2008-03-03
行过短期的BC浓度观测[8]；王庚辰等于1992到1997在北京市北郊测量了BC的浓度[9]；李杨等2005年在西安市区进行了短期的BC浓度观测[10]; 1992-1994年，汤洁等在青海西宁市西南方向约90 k m海拔3810m的瓦里关地区，进行本底地区大气BC浓度的观测，至今已得到一些有价值的研究结果[8]。本研究利用2005年9月至2006年2月在青海西宁市区进行的BC连续观测结果，结合常规气象资料对该地区BC浓度变化特征及本底浓度进行讨论分析，旨在为研究BC的区域及全球气候效应及环境效应提供基础的数据资料。
闸道机
1监测方法
1.1测量仪器和方法
本研究使用的观测仪器是美国玛基科学公司(Magee Scientific Co,US A)生产的AE-T14型黑碳仪，该仪器的工作原理是基于滤膜测量气溶胶光吸收的技术[8]，通过连续测量透过滤膜的光衰减的变化而计算出黑碳的浓度。AE-T14采用透光均匀的石英纤维膜作为采样滤膜，据报道石英纤维滤膜可以基本上消除气溶胶非吸收成分对光透过率测量的影响[8]。光检测器测量采样区和非采样区光衰减量，实现连续的相对测量，并可在一定程度上消除光源强度和检测器响应波动对观测结果的影响。测量原理及方法可参考有关文献[8]。
该仪器设定为每5m in进行一次测量，得到的测量数据存入微机硬盘及软盘，当滤膜采样区的光衰减量达一定程度后，由计算机控制仪器自动换膜，连续观测。仪器采样流速为3.1～3.2L/m in，其浓度单位为ng/m3。
1.2采样地点
观测站点位于西宁(36°37′N,101°46′E，海拔2261.2m)，采样地点设在市区青海省气象局中国大气本底基准观象台办公楼4楼楼顶，仪器安装在3楼实验室内，进气管约8m，管口高出楼顶2m，四周没有明显的BC污染排放源，能够较好地代表城市大气状况。
1.3质量控制和数据处理
作为现场观测的质量控制措施，除了观测员每天按时检查、记录仪器的各参数并记录场外的自然现象外，还对仪器的零点定期进行检测，方法是将高性能过滤器装在仪器的进气管路上，让仪器测量所谓“零空气”3～4h。在测试期间共作了3次“零空气”校准工作，结果分别为0.102、0.122、0.096μg/m3，平均值为0.107μg/m3。在资料处理过程中，首先对原始数据进行了筛选，即对因仪器停电所造成的异常值进行剔除；此外，对所得到的原始数据(5 m in)应扣除“零点”检查的平均结果值0.107μg/m3。在整个观测期间，资料的有效率为96.6%。
2结果与讨论
2.1BC浓度变化特征
2.1.1BC小时及日平均浓度特征
2005年9月至2006年2月，共获取西宁地区大气中BC浓度的小时平均数据4287组，在0.209～25.872μg/m3范围内变化，其平均值为3.993μg/m3；而日平均值在1.04～9.65μg/m3范围内变化，日平均值为4.211μg/m3。经统计观测期间的BC小时平均浓度，其中百分位值(浓度)表示小于该浓度值的数据在总数据样本中所占的比例。可以看出,BC小时平均浓度变化比较剧烈，其5%和95%百分位浓度分别为0.976μg/m3和9.427μg/m3。观测期间BC小时浓度平均值为3.929μg/m3，比50%百分位浓度(浓度中值)3.229μg/m3要高，这表明BC浓度分布与正态分布还有一定的偏差。表1列出了近几年在我
国国内和国外部分地区及城市开展的BC浓度观测结果(观测期间日平均浓度范围)。
表1国内外部分黑碳气溶胶浓度观测结果
观测地点观测时间BC浓度(μg/m3)来源青海，西宁(城市)2005.09-2006.02 1.04～9.65本文
青海，瓦里关(全球本底站)2005.09-2006.020.04～1.18本文加拿大,Halifax(城市)1995-19960.54～1.74文献[11]韩国,Seoul(首都)1994 4.86～9.86文献[12]西安(城市)2003.09-2003.11 1.8～27.5文献[10]北京(城市)1993 1.94～33.2文献[13]北京，西山(郊区)199313.3～20.9文献[13]北京，北郊(郊区)1996.10-1996.11 4.7～47.1文献[14]四川，温江(郊区)1999-2000 1.8～12.1文献[14]西藏，拉萨(郊区)1998.06-1998.100.3～4.8文献[14]72
赵玉成，等 2005～2006年秋冬季西宁大气中黑碳气溶胶的浓度变化特征
由表1可知，西宁地区秋冬季BC 浓度与距离90km 处的瓦里关全球本底站相比，偏高约17倍,
但与国外一些城市和我国部分城市相比(除西藏拉萨外)还是较低。此外，从BC 日平均浓度时间序列(图1)和BC 浓度月变化(图2)中也可以看出，西
宁地区秋冬季的BC 浓度波动较大，并呈现一定的季节变化特征，即10月中旬当地进入冬季取暖期，燃煤排放增大，导致BC 浓度逐月增加，至12月份出现最高值,11月和元月为次值；此外，冬季逆温出现的频率高，有逆温层时，空气中的颗粒物及污染物不易扩散，这也是形成西宁市区冬季高BC 浓度的主要原因
[15]
。
图1 BC
日平均浓度变化
图2 BC 月平均浓度变化机器人拳击
2.1.2BC 浓度的日变化特征
图3给出了2005年9月至2006年2月期间,BC 各时平均浓度的日变化，可以看出BC 浓度日变
化具有明显的双峰值特征，最高值一般出现在一天之中的9:00～11:00和19:00～21:00时间段内，而明显的低值一般在14:00～17:00和0:00～5:00时间段内出现。应当指出，除了天气过程和局地污染源外，影响BC 浓度日变化的主要因素当属局地气象条件和人类活动，其中主要是近地面逆温层特征和混合层高度变化影响
[16]
。
图3 BC 时均浓度日变化
由此可推断，上午7:00～11:00，处于供暖期和上班高峰时段，来往的机动车辆增加，排放的汽车尾气中含有大量的黑碳，直接表现为大量的黑烟排放，因此BC 浓度急剧增加；另外，由于该时段正处于日出后不久，太阳辐射不断增加，加热大气，但此时冷的地面还来不及升温，因此造成了清晨大气逆温现象，这也是造成BC 浓度升高的一个重要原因。午后14:00～17:00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，与大气之间形成热力对流，此种天气形势有利于污染物的扩散；另外，相对于清晨和傍晚，午后的供暖基本停止和人为活动明显降低，机动车污染排放低，这是午后BC 浓度较低的原因。第2个高峰值出现在傍晚18:00～21:00的原因是，此阶段正值下班高峰，机动车辆活动频繁，不断地排放出大量尾气，同时，该时段又开始供暖和居民开始烹饪活动，所用的能源也释放出大量的BC 。由于最初排放的污染物进入大气后尚未扩散，又有大量新的污染物产生进入大气，所以各种颗粒物在大气中聚集、凝聚，导致此时BC 浓度较高。而凌晨0:00～5:00又出现低值的原因是，此段时间供暖及
烹饪又基本停止，人为活动明显减少；并且市内机动车活动减少，与白天相比对BC 的贡献也很小。 表2为2005年9月—2006年2月各风向频率对应的BC 浓度及风速，从表2看出，该时段内的主导风向为
东南风，占全部风向频率的33.8%，其次为偏西风和北西北风。在对应的主导风向上的BC 浓度则较低，而其它风向上的BC 浓度略偏高，因此，西宁市BC 浓度变化受中、远距离输送影响不大，这表明区域内的颗粒物排放、大气垂直扩散能力及清除过程(特别是降水湿清除过程)是影响西宁地区BC 浓度变化的主要因素。
表2
各风向出现频率(%)、对应风速(m /s )及BC 浓度(μg/m 3)
风向N NNE NE E NE E ESE SE SSE S SS W S W WS W W WN W N W NN W C 频率3.581.010.620.590.654.9633.778.343.462.081.805.498.904.795.189.834.87
风速1.010.820.710.780.981.832.451.600.960.740.760.951.151.01.051.22≤0.3
BC 浓度5.91
5.41
5.96
4.39
3.59
万能角钢2.82
2.99
3.95
4.25
4.55
5.35
5.18
5.22
5.01
5.18
5.56
5.69
8
2 城市环境与城市生态 21卷2期 2008年
2.2西宁地区BC 本底浓度的分析天网搜索
大气成分的本底浓度指能够反映某一尺度区域内处于均匀混合状态的某种成分的大气浓度，而均匀混合状态仅是一种理想状态，因此，一般认为所谓本底浓度也就是不受局地源汇直接影响的大气成分的浓度。然而，不同大气成分的源汇过程及在大气中的寿命不相同，使得不同大气成分的本底特征也不相同，所以目前还没有一个统一的、被广泛接受的大气成分本底浓度的统计计算方法。单就BC 而言，其主要来源是生物和化石燃料不完全燃烧，大气清除过程主要是干、湿沉降。西宁市BC 浓度变
化受中、远距离输送影响不大，因此，该地区最具代表性大气状况下的BC 浓度即可反映出西宁地区的本底状况。
本文采用最大频数浓度法获得了本底BC 浓度
[8]
。图4给出了西宁市秋冬季BC 小时平均浓度的频数分布及拟合结果(频数统计步长为100ng/
m 3
)，可以看出，该地区BC 浓度变化较好的符合对数正态分布特征。根据上面对本底浓度的讨论，最
大出现频次所对应浓度值(即对数正态分布的平均值)反映了该地区最具代表性大气状况下的BC 浓度，可以代表该地区BC 浓度的本底浓度。图4中
最大出现频次所对应浓度值为2.300μg/m 3
。与背景清洁点瓦里关地区秋冬季的BC 背景浓度57ng/m 3
相比
[14]
，西宁大气中BC 背景浓度约为其的
40倍，这反应了城市大气中BC 浓度非常高
。
图4 黑碳气溶胶小时平均浓度的频数分布
3
双导程蜗杆结论
通过对2005年9月—2006年2月期间西宁黑
碳气溶胶浓度的连续观测和分析，得出以下结果。 1)西宁地区BC 浓度变化较大，日平均浓度为
4.211μg/m 3，其变化范围在1.04～9.65μg/m 3
。 2)由于局地人为活动和大气垂直对流扩散等的影响,BC 浓度表现出明显的双峰值特征，即BC 高浓度出现在上午9:00～11:00和傍晚19:00～21:00两个时段，低浓度出现在凌晨0:00～5:00和
下午14:00～17:00。
3)与附近(90km 处)瓦里关全球大气本底站的黑碳气溶胶浓度相比，偏高约17倍，但与国外一些城市和我国已监测的几个城市相比还是较低。 4)由小时平均浓度最大出现频数统计分析得出该地区大气黑碳气溶胶本底浓度约为2.300μg/m 3
。
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作者简介：赵玉成(1961-)，男，青海乐都人，高级工程师，主要从事大气本底监测与研究工作，已发表论文10多篇。
9
2 赵玉成，等 2005～2006年秋冬季西宁大气中黑碳气溶胶的浓度变化特征
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