丁 铭，邹 强，葛 顺，陈玉柱

1.江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036

2.苏州市环境监测中心站，江苏 苏州 215004

3.淮安市环境监测中心站，江苏 淮安 223001

苏州市黑碳气溶胶的污染特征分析

丁 铭1，邹 强2，葛 顺1，陈玉柱3

1.江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036

2.苏州市环境监测中心站，江苏 苏州 215004

3.淮安市环境监测中心站，江苏 淮安 223001

2012年1—12月，对苏州市区黑碳气溶胶浓度进行监测和分析。结果表明，苏州市区黑碳平均质量浓度为3.3 μg／m3，且季节变化明显，即夏季的平均浓度最低，秋末、冬初、春末时段黑碳浓度易出现高值，其分布规律与春季秸秆焚烧、秋冬季逆温雾霾时期相吻合；与周围生物质燃烧和工业排放有关。日变化有明显的峰值、谷值，一般在每日的6：00—9：00、18：00—20：00出现高值，低值则出现在午后12：00—15：00；与国外城市相比，苏州黑碳浓度偏高，但与国内城市（北京、天津、沈阳、本溪）相比，则浓度相对较低。

黑碳；气溶胶；苏州

黑碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，是由生物质或化石燃料不完全燃烧所产生的含碳颗粒物［1］，是地球大气的重要成分。黑碳具有复杂的化学成分。一般呈亚微米颗粒状态，对光具有强烈的吸收作用；一般不溶于极性与非极性溶剂，在空气或氧气中被加热到350～400℃仍能保持稳定。物质结构上呈现无序的局部石墨环状微晶体形态。其来源与工业污染、交通、森林火灾、燃煤和农业废弃物的燃烧等密切相关，粒径主要为0.01～1 μm。虽然它在气溶胶中所占的比例很小，但其质量衰减系数是透明气溶胶的2～3倍，是吸收紫外、可见光、红外辐射的主要成分。

国外早在20世纪70年代就已经开展了黑碳的测量，中国的相关研究起步相对较晚，目前已经取得了一定成果，获得了一些区域背景点及部分城市区域黑碳的浓度［2］。该研究以2012年苏州市黑碳实观测结果为基础，结合环境空气中污染物浓度变化特征，讨论分析其成因，旨在为研究黑碳变化规律及其环境效应提供依据。

1 仪器、采样点及数据情况

采样仪器为AE⁃31型黑碳测量仪（美国）。该仪器可以连续实时观测黑碳气溶胶的质量浓度，其原理是建立在石英滤纸带上收集的粒子对光的吸收造成的衰减上，属于光学灰度测量法。该型号仪器有7个测量通道，采用波长分别为370、470、520、590、660、880、950 nm，可同时在紫外、可见、近红外的7个波长上对大气黑碳气溶胶进行长期观测，能获得细致的气溶胶光谱吸收信息［3］。测量精度为0.1×10－3μg／m3，仪器流量控制在5 L／min。黑碳数据为2012年1—12月实时观测数据，此外还获得了相应时段的PM2.5、PM10和能见度的监测数据。采样地点位于苏州市中心内马路环境科学研究所四层楼上，点位功能为居民区（东经120.6275°，北纬31.2864°）。

2 黑碳浓度变化特征

2.1 黑碳浓度季节变化

2012年观测结果见图1。可见秋末、冬初、春末时段为黑碳浓度易出现高值的时期，其分布规律与春季秸秆焚烧、秋冬季逆温雾霾时期相吻合。从日均浓度分布情况看，春季日均质量浓度为 0.430～10.540 μg／m3，平均值为3.472 μg／m3；夏 季 质 量 浓 度 为 0.895 ～10.196 μg／m3，平均值为3.443 μg／m3；秋季质量浓度为1.456～13.206 μg／m3，平均值为4.393 μg／m3；冬季质量浓度为0.500～9.849 μg／m3，平均值为3.552 μg／m3，其中，夏季均值、峰值均较低。

2.2 黑碳监测结果日变化

黑碳气溶胶逐时变化及典型天气激光雷达后向散射系数日复化分布见图2、图3。从图2、图3可以看出，黑碳浓度日变化有明显的双峰形特征，最高值一般出现在上午7：00—9：00和下午18：00—21：00，与每日车流量上下班高峰大气混合层下降变化出现的时间变化情况较为吻合。

2.3 黑碳与PM2.5、PM10相关性

黑碳气溶胶浓度与PM2.5和PM10逐日变化见图4。如图4可知，PM2.5、PM10与黑碳日均浓度Pearson相关系数分别为0.649、0.639，均达到0.6以上，具有较强相关性，其中与PM2.5的相关性略高于PM10。

2.4 黑碳与能见度相关性

黑碳气溶胶对从可见到红外波长范围内的光线均有强烈的吸收性［9⁃10］。苏州市区大气黑碳浓度与能见度相关性分析见图5，黑碳浓度与能见度相关系数为 －0.438，相关性比较显著。

图2 黑碳气溶胶逐时变化

图3 典型天气激光雷达后向散射系数日变化分布图

图4 黑碳气溶胶浓度与PM2.5和PM10逐日变化图

2.5 组成成分相关性探讨

苏州市区监测点大气黑碳7波段浓度结果与元素浓度相关性进行比较，结果见表1。K离子浓度相关性较高，Pearson相关系数为0.493～ 0.578。资料显示，植物燃烧会产生大量草木灰（主要成分为K2CO3），因此K可作为植物燃烧的标识元素，苏州市区黑碳浓度的形成与周围生物质燃烧有一定关系；其次为Zn、Cu、Se等离子，相关系数在0.400左右。可初步判断与工业排放有关。

图5 黑碳与能见度散点图

表1 黑碳浓度与元素浓度Pearson相关性结果

2.6 与其他城市观测结果的比较

表2为国内外部分城市黑碳气溶胶浓度的观测结果［4⁃13］。与美国休斯敦、日本东京、加拿大Halifax相比，苏州市区黑碳气溶胶浓度相对较高；但与北京、天津、西安相比，苏州的黑碳气溶胶浓度较低，约为北京地区的一半，这种浓度差异主要受各地的能源结构、天气条件和地域环境等影响。尤其当冬季北方进入采暖季后，大量化石燃料燃烧，增加了含碳污染物的排放。

表2 国内外部分城市气溶胶浓度观测结果

3 结论

1）由于季节性气象要素的变化和污染物排放影响，苏州黑碳气溶胶浓度季节变化幅度较大，其中秋末、冬初、春末时段为黑碳浓度易出现高值的时期。

2）苏州市全年黑碳平均浓度为3.3 μg／m3，日变化有明显的双峰形特征，与车流量上下班高峰变化情况较为一致。

3）苏州市大气中黑碳浓度的形成与生物质燃烧与工业排放有一定相关性。

4）与国外部分城市相比，苏州市区黑碳气溶胶浓度相对较高；但与北京、天津、西安相比较低，初步分析该浓度差异主要受各地的能源结构、天气条件、地域环境等影响。

［1］张美根，徐永福，张仁健，等.东亚地区春季黑碳气溶胶源排放及其浓度分布［J］.地球物理学报，2005，48（1）：46⁃51.

［2］秦世广，汤洁，温玉璞.黑碳气溶胶及其在气候变化研究中的意义［J］.气象，2001，27（11）：3⁃7.

［3］秦世广.我国大陆地区大气黑碳气溶胶观测研究［M］.北京：中国气象科学研究院，2001：22⁃25.

［4］王扬锋，马雁军，陆忠艳，等.本溪大气黑碳气溶胶浓度的观测研究［J］.环境科学与技术，2011，34（12）：22⁃23.

［5］Viana M， MaenhautW， Ten Brink H， etal. Comparative analysis of organic and elemental carbon concentrations in carbonaceous aerosols in three European cities［J］.Atmospheric Environment，2007，41（28）：5 972⁃5 983.

［6］韩永明，曹军骥.环境中的黑碳及其全球生物地球化学循环［J］.海洋地质与第四纪地质，2005，25（1）：125⁃132.

［7］于娜，魏永杰，胡敏，等.北京城区和郊区大气细粒子有机物污染特征及来源解析［J］.环境科学学报，2009，29（2）：243⁃251.

［8］唐小玲，毕新慧，陈颖军，等.不同粒径大气颗粒物中有机碳（OC）和元素碳（EC）的分布［J］.环境科学研究，2006，19（1）：104⁃108.

［9］Kim Y P，Moon K C，Hoon L J.Organic and elemental carbon in fine particles at Kosan，Korea［J］. Atmospheric Environment，2000，34（20）：3 309⁃3 317.

［10］Chýlek P，Videen G，Ngo D，et al.Effect of black carbon on the optical properties and climate forcing of sulfate aerosols［J］.Journal of Geophysical Research，1995，100（D8）：16 325⁃16 332.

［11］Kondo Y，Ram K.Reduction of black carbon aerosols in Tokyo：Comparison of real⁃time observations with emission estimates［J］.Atmospheric Environment，2012，54：242⁃249.

［12］Babich P， Davey M， Allen G， etal. Method comparisons for particulate nitrate，elemental carbon，and PM2.5mass in seven US cities［J］.Journal of the Air＆Waste Management Association，2000，50（7）：1 095⁃1 105.

［13］Cheng Y，Lee S C，Ho K F，et al.Black carbon measurement in a coastal area of south China［J］. Journal of Geophysical Research，2006，111（D12）：12 310⁃12 315.

Study on Atmospheric Black Carbon Aerosols Concentration in Suzhou City

DING Ming1，ZOU Qiang2，GE Shun1，CHEN Yu⁃zhu3
1.Jiangsu Province Environmental Monitoring Centre，Nanjing 210036，China
2.Suzhou Environmental Monitoring Centre，Suzhou 215004，China
3.Huaian Environmental Monitoring Centre，Huai’an 223001，China

Black carbon（BC）aerosols concentration in downtown Suzhou from January to December of 2012 was monitored and analyzed.Results showed that the mean concentration of atmospheric BC aerosols in downtown Suzhou was 3.3 μg／m3with distinct seasonal variation，the mean concentration was the lowest in summer，while likely to reach high in late autumn，early winter and late spring.The distribution rule of BC aerosols concentration was consistent with the period of straw burning in spring and inversion haze in autumn and winter.Biomass burning and industrial emissions have correlation with black carbon（BC）aerosols concentration in downtown Suzhou.Moreover，daily variation of BC aerosols concentration was characterized by a pronounced peak and valley value，with appearance of the higher values during 6 to 9 am and 6 to 8 am，and lower ones during noon to 3 pm.Although higher than the value of foreign cities，BC aerosols concentration in Suzhou is relatively lower than that of the domestic cities such as Beijing，Tianjin and Benxi of Shenyang.

black carbon；aerosol；Suzhou

X823

A

1002⁃6002（2014）06⁃0067⁃05

2013⁃10⁃22；

2014⁃01⁃03

公益性科研专项计划（2010467001）

丁 铭（1981⁃），男，江苏南京人，硕士，工程师.

邹 强