天津夏季黑碳气溶胶及其吸收特性的观测研究

蔡子颖,韩素芹,黄 鹤,姚 青 (天津市气象科学研究所,天津 300074)

天津夏季黑碳气溶胶及其吸收特性的观测研究

蔡子颖*,韩素芹,黄 鹤,姚 青 (天津市气象科学研究所,天津 300074)

利用天津城市边界层观测站2010年8月12日～9月18日期间的黑碳、污染物和气象梯度观测数据,分析天津市夏季黑碳气溶胶浓度的变化特征及其影响因子.结果表明, 观测期间,黑碳气溶胶浓度均值为6.309mg/L,占PM10质量浓度的4.17%,其吸收消光占气溶胶总体消光的10.23%.受人类活动和边界层结构影响,黑碳气溶胶浓度日变化呈双峰型,7:00达到峰值,14:00～16:00最小,20:00达到次高峰.黑碳气溶胶浓度随风速增加呈下降趋势,当风速超过 4m/s时,浓度一般低于 5mg/L,西风及西北风对天津城区黑碳气溶胶输送作用明显,其出现大于10 mg/L的高黑碳气溶胶事件概率为18.07%;逆温和大气稳定易造成黑碳气溶胶在近地层的堆积,形成高污染事件.

黑碳气溶胶；吸收特性；影响因子；天津

黑碳气溶胶是化石和生物燃料不完全燃烧排放出来的无定型碳质[1-2],其对太阳辐射有强烈的吸收,是大气中首要的吸收性气溶胶成分,具有直接和间接的气候效应;由于黑碳气溶胶表面吸附了一些有毒、有害物质,对人类健康造成威胁[3];黑碳气溶胶也是大气中非均相反应和气粒转化过程中重要的载体和催化剂,对大气化学过程产生积极影响[4].在20世纪80年代末,全球大气监测网(GAW)已将黑碳气溶胶作为一个重要的气溶胶观测项目,我国相关的研究工作开展较晚,到 20世纪90年代,才开始在临安[5]、拉萨、北京[6]、瓦里关

[7]、南京[8]等地尝试系统的黑碳气溶胶观测.

基于2000年统计资料显示,全球化石燃料燃烧排放的黑碳气溶胶为(以C计)2.8Tg/a,且从20世纪50年代以来增加了约3倍,黑碳排放中心从北美和西欧向位于热带地区和东亚的发展中国家转移[9],其中我国2000年排放149.94万t,成为全球重要的碳排放源.

目前不少观测数据和数值模拟已经为我国黑碳气溶胶的研究奠定了很好的基础.不少地区大气黑碳气溶胶含量及其辐射效应得到确认

[1,10-13].基于观测和排放源清单,数值模拟结果显示0.1～0.8W/m2的黑碳气溶胶大气顶辐射强迫存在于我国[14].而IPCC给出全球黑碳气溶胶大气顶辐射强迫大约在0.24W/m2左右[15].这些研究成果一方面揭示出我国黑碳气溶胶的分布和辐射特性,同时也显示出黑碳气溶胶分布的复杂性和研究的重要性.天津作为我国北方重要的沿海城市,具有不同于其他城市的大气污染特征,对天津市黑碳气溶胶的研究,可以更好地了解北方沿海城市黑碳气溶胶的分布特征及其变化规律.

1 资料和方法

实验观测地点设在天津市城市边界层观测站(39.04°N,117.12°E),观测时间为2010年8月12日～9月18日.实验采用的仪器包括美国玛基科学公司生产的AE-31黑碳仪,有7个测量通道,波长分别为 370,470,520,590,660,880,950nm,可以连续实时观测黑碳气溶胶质量浓度,时间分辨率为5min;2台热电公司生产的rp-1400a颗粒物分析仪,可利用振荡天平法获取实时的 PM10, PM2.5质量浓度,时间分辨率为5min.一台Belfort公司生产的MODLE6000型前向散射能见度仪,可获取每分钟的能见度资料.气象数据来自地面气象观测站和天津边界层大气观测平台,包括地面自动站资料和边界层气象塔15层观测资料.

2 结果和讨论

2.1 黑碳气溶胶逐日变化特征

图1显示,天津城区2010年8月12日～9月18日黑碳气溶胶质量浓度均值 6.309mg/L,最大值 23.3mg/L,最小值为 0.83mg/L.在观测期间,黑碳气溶胶均值＜2mg/L分别出现在8月21日到8月22日、9月17日到9月18日.而该时期天津城区降水分别达到 23.8,5.5mm,大气低黑碳气溶胶含量与降水的冲刷密切相关.而在8月15日、8月16日、9月10日午后,天津城区黑碳气溶胶质量浓度也低于2mg/L,统计显示,该时间段内大气稳定度等级为A,处于极不稳定状态,午后湍流剧烈,有利于污染扩散,是其产生低黑碳气溶胶含量的主要原因.

表 1给出部分城市黑碳气溶胶的观测结果,天津城区黑碳气溶胶含量明显低于长春,略低于北京、深圳、西安[16],与济南[17]、上海等城市相当,相对西北和内蒙等内陆地区,黑碳气溶胶大约是其2～3倍,如果与芬兰的赫尔辛基[18]、美国费城[19]和芝加哥等国外城市相比,天津黑碳气溶胶质量浓度大约是其5～6倍,显示我国北方沿海大城市黑碳气溶胶污染情况依旧比较严重.

图1 2010年8月12日～9月18日天津城区黑碳气溶胶的逐日变化特征Fig.1 Daily average variation of black carbon mass concentration in Tianjin

表1 部分城市黑碳气溶胶观测结果Table 1 The daily mean concentration of BC at some city

2.2 黑碳气溶胶日变化特征

由图2可见,天津城区黑碳气溶胶日变化呈双峰结构,其中早晨7:00达到每日的最大值,相对

PM10峰值提前2h,相对PM2.5峰值提前1h,谷值出现在每日午后14:00～16:00,在日落后黑碳气溶胶质量有所回升,18:00～24:00保持平稳,凌晨到日出前呈上升趋势,峰值相对谷值,黑碳气溶胶浓度是其2.8倍,这与文献报道的结果相似.究其原因,

日出时段,人为活动增加,交通流量增大,黑碳气溶胶排放相对较高,同时日出后太阳辐射不断增强,加热大气,但此时冷的地面还未及升温,造成清晨大气逆温,黑碳气溶胶含量较高,随时间变化,

白天大气湍流增强,易于污染物扩散,大气中黑碳气溶胶含量明显减少,在午后达到最低值,到了日出后,交通高峰和汽车尾气排放增加使黑碳量增加,加上地面辐射降温,低层大气比较稳定,不利于污染物扩散,黑碳气溶胶在地面开始积累.

图2 天津城区黑碳气溶胶的日变化特征Fig.2 Diurnal variation of black carbon mass concentration in Tianjin

2.3 黑碳气溶胶的吸收特性

已知黑碳气溶胶质量浓度,可以得到黑碳气溶胶的吸收系数,其经验公式[21]如下:

式中: MBC是AE-31在880nm波长测量的黑碳气溶胶浓度,mg/L; A532nm是黑碳气溶胶在532nm波长的吸收系数.而根据世界气象组织推荐值,可实现能见度和消光系数的转换,其公式为[10]:

式中: bext指大气消光系数;VR为大气能见度.

利用式(1)获取天津城区黑碳气溶胶的消光系数;利用式(2)通过能见度仪获取天津地区大气的消光系数,对两者进行比较,黑碳气溶胶占大气中PM10的4.17%,其吸收作用贡献大气消光的10.23%.

2.4 风速和风向对黑碳气溶胶的影响

图3 风向、风速对天津城区黑碳气溶胶浓度的影响Fig.3 Relation between wind speed ,wind direction and black carbon mass concentration

由图 3可见,天津城区近地面黑碳气溶胶质量浓度的变化受风速影响显著,在静风和小风条件,易形成高黑碳气溶胶质量浓度,当风速＞2m/s后,极难形成15mg/L以上的高黑碳气溶胶污染事件.在4m/s以上的风速下,夏季天津城区黑碳气溶胶一般低于 5mg/L,这与半干旱地区(风速大于3.5m/s)风速增大后黑碳气溶胶浓度值增加有一定的区别[1].对于来自不同方向的风对天津城区黑碳气溶胶的输送,当风向为西北、西风、西南风时,出现超过10mg/L高黑碳气溶胶事件的概率大约是18.07%,尤其是出现西北风时,在观测期间有45%的时间,黑碳浓度高于10mg/L;而风向为东北风、东风、南风时,黑碳气溶胶高于10mg/L出现概率仅为 5.8%;在东南风时,黑碳气溶胶高于10mg/L出现概率仅11.8%.究其原因,天津东部为渤海,西部为内陆地区,西北部与北京相邻,黑碳气溶胶为人为气溶胶,天津西部、西北部人为活动更为剧烈,因此黑碳气溶胶明显高于海洋,使得西风条件天津城区黑碳气溶胶高于东风条件.另一方面,夏季天津市区盛行东风时,往往有东风水汽输送,大气处于不稳定状态,易形成降水,不易形成高污染事件.而当天津盛行东南风时,市区出现高黑碳气溶胶浓度概率要大于一般东风情况,可能与滨海新区的建设有关,当东南风盛行时,如果未形成降水天气,可将部分滨海新区工业生产过程中黑碳气溶胶输送到天津城区.图4、图5给出8月27日,9月14日的后向轨迹输送图(高黑碳气溶胶污染天气).

图4 8月27日0:00后向轨迹图 (UTC时间)Fig.4 The Trajectories picture in august 27 at zero clock

2.5 大气层结对黑碳气溶胶的影响

大气污染的扩散除受到风速和风向影响以外,还受到近地层温度垂直变化和大气稳定度的影响,在逆温和大气稳定的条件下,不利于污染物的扩散,易形成污染的堆积.利用天津边界层气象塔观测资料研究显示(图6),在100m到30m温差大于-0.5℃时,天津城市易形成黑碳气溶胶的堆积,其出现黑碳气溶胶质量浓度超过10mg/L的概率是温差小于-0.5℃概率的5.5倍.比较不同稳定度情况下黑碳质量浓度的分布,夏末天津城区有5.4%的情况大气处于较稳定和稳定状态,其黑碳气溶胶质量浓度均值是中性条件时的 1.83倍,达到11.87mg/L,逆温和大气层结稳定是形成天津城区黑碳气溶胶质量浓度高值的重要气象条件.

图5 9月14日0:00后向轨迹图 (UTC时间)Fig.5 The Trajectories picture in September 14 at zero clock

图6 近地层温度的垂直变化对地面黑碳气溶胶质量浓度的影响Fig.6 Variation of hourly averaged BC concentration and vertical temperature gradient

表2 不同大气稳定度下天津城区黑碳气溶胶质量浓度变化Table 2 The vary of black carbon mass concentration under different stability

3 结论

3.1 天津 2010年夏季黑碳气溶胶质量浓度均值6.309mg/L,占PM10质量的4.17%,其吸收作用贡献大气消光的10.23%.

3.2 天津黑碳气溶胶日变化呈双峰型结构,日出后每日的7:00达到峰值,午后14:00～16:00逐达谷值,日落后呈上升趋势.

3.3 天津城区夏季近地面黑碳气溶胶浓度随风速增加呈下降趋势,当风速大于 2m/s,极难形成15mg/L以上的高黑碳气溶胶污染事件;当风速超过4m/s,黑碳气溶胶浓度一般低于5mg/L;而当风向为西北、西风、西南风时,出现超过10mg/L高黑碳气溶胶事件的概率大约是18.07%,其对天津城区黑碳的输送要明显强于东风条件.

3.4 当100m到30m温差大于-0.5℃时,天津城区夏季近地面黑碳气溶胶浓度超过10mg/L的概率是温差小于-0.5℃概率的5.5倍,当大气处于较稳定(E)和稳定状态(F),黑碳气溶胶浓度均值达到 11.87mg/L,逆温和大气稳定将使得天津近地面黑碳气溶胶发生堆积形成高污染事件.

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Observational study on black carbon aerosols and their absorption properties in summer in Tianjin.

CAI Zi-ying*, HAN Su-qin, HUANG He, YAO Qing(Tianjin Institute of Meteorology, Tianjin 300074, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：719～723

Based on the observational gradient date of black carbon aerosol (BC), pollutants, and meteorological data at Tianjin boundary layer station from August 12 to September 18, 2010, characteristics and influencing factors of BC concentration variation were analyzed. The average concentration of BC was 6.309mg/L and its mass percentage in PM10was 4.17%.The absorption of BC accounted for 10.23% of total aerosol extinction. Influenced by human activity and boundary layer structure, the diurnal variation of BC showed two peaks, peaked at 7:00, lowest during 14:00～16:00, and the second peak at 20:00. BC concentration decreased with wind speed increasing. The BC concentration was generally lower than 5 mg/L when the wind speed higher than 4m/s. West and northwest wind had obvious transportation effect on BC in Tianjin city. The probability of high BC events with the concentration greater than 10mg/L was 18.07%. Inversion and atmospheric stability could lead to BC accumulate in the near surface layer and form high pollution events.

black carbon aerosol；absorption properties；influencing factor；Tianjin

X131.1

A

1000-6923(2011)05-0719-05

2010-09-24

天津市科技发展计划项目(09ZCGYSF02400);气象行业专项(GYHY200906025,GYHY201006011);天津市气象局科研课题(201104);天津市气象局科研课题(201003); 中国气象局云雾物理环境重点开放实验室开放课题(2009011)

* 责任作者, 工程师, 120078030@163.com

蔡子颖(1984-),男,江苏扬州人,硕士,主要从事大气环境和气候效应研究.发表论文7篇.