疫情管控前后黃石市黑碳氣溶膠的對比分析

諶月星，魏夢蝶，楊定煒，占長林,1b*，周變紅，張家泉,1b，劉紅霞,1b

(1.湖北理工學院 a.環境科學與工程學院，b.礦區環境污染控制與修復湖北省重點實驗室，湖北 黃石 435003；2.寶雞文理學院 地理與環境學院，陜西 寶雞 721013)

0 引言

黑碳氣溶膠(Black Carbon，BC)主要來源于化石燃料和生物質不完全燃燒[1]，是大氣氣溶膠的重要組成部分，占氣溶膠總質量濃度的5%～15%[2]。BC不僅直接吸收太陽輻射，產生直接輻射強迫，而且也可以作為云凝結核影響云過程，進而改變降雨分布[3]。BC沉積在冰雪表面會降低其表面反照率，導致間接輻射強迫[1]。因此，BC對區域和全球范圍的氣候具有顯著影響[4]，被認為是僅次于CO2的增溫因子[5]。此外，BC是一種重要的環境污染物，不僅影響城市地區的空氣質量[6]，而且作為吸附劑會吸附一些揮發性有毒物質和重金屬，對人體健康造成影響[7-8]。

國外早在上世紀70年代就開始對BC進行觀測研究，而我國相對晚了約20年。目前，對國內城市BC的研究主要關注其濃度水平、時空變異特征、來源分析、輻射強迫、老化機制等[6,9-12]。據報道，BC濃度水平受源排放和氣象條件的影響。近些年，一些學者研究了重大賽事、會議期間的臨時管控措施對城市空氣質量的影響，發現對排放源進行管控可以顯著降低BC濃度，改善環境空氣質量，如2008年北京“奧運藍”[12]和2014年“APEC藍”[13]。有研究發現，因新冠肺炎(COVID-19)疫情實施管控措施后，城市地區的污染物排放量顯著減少。Jia等[14]研究發現，與2020年1月初相比，我國東部地區的BC排放量下降了70%，北部的下降了48%。Liu等[15]研究了北京和西藏在COVID-19疫情管控期間BC濃度的變化，發現北京的BC平均濃度比管控前高20%，而西藏的BC平均濃度下降了70%以上。Wang等[8]研究發現，2020年COVID-19疫情封城期間武漢的BC濃度為1.9 μg/m3，比中等城市低24%，比小城市高26%；與2019年同期相比，武漢的BC濃度減少了39%。

在2020年1月23日—2020年4月8日期間，湖北省武漢市實施嚴格的疫情管控措施。黃石市作為武漢城市圈的副中心城市，幾乎所有的工廠、工地、交通、餐飲等企業都處于停滯狀態，為研究管控減排對黃石市環境空氣質量的影響提供了絕佳的機遇。因此，在2020年1月1日—2020年2月15日使用AE-42型七波段黑碳儀在湖北理工學院站點開展在線監測，分析了黃石城區冬季BC的濃度及其變化特征、來源及影響因素，探討了管控措施對BC濃度的影響，為當地環境管理部門做好冬季大氣污染防治提供數據和技術支撐。

1 數據來源及處理

本研究監測地點位于湖北省黃石市下陸區湖北理工學院環境科學與工程學院實驗樓頂 (30°12′35.50″E，115°01′30.43″N)，站點距離地面約17 m，監測點四周沒有樹木和樓房等物體遮擋。觀測時間為2020年1月1日—2020年2月15日。

采用美國Magee公司生產的AE-42型便攜式黑碳儀對監測站點的BC濃度進行觀測。該儀器連接PM2.5切割頭，共有7個測量通道，波長分別是370，470，520，590，660，880，950 nm，采樣流量為5.0 L/min，采樣頻率為每5 min獲取1個數據。由于在880 nm波段下能夠測出大氣中BC的實際濃度，因此選擇使用880 nm這一波段來進行測量。數據處理過程中，對突出的異常值及儀器標記為壞點的值進行剔除，然后將BC濃度數據處理成1 h平均濃度。

波長吸收指數(Absorption ?ngstr?m Exponent,AAE)可以用來分析氣溶膠的吸光特性，是由2個不同波長的吸收系數的比值和波長比值求出的負指數：

(1)

式(1)中，σabs,λ1和σabs,λ2表示不同波長的吸收系數；λ1和λ2表示不同波長。通過式(1)可得該組波長的AAE值：

研究指出，生物質燃燒排放的BC對短波段的光(λ=370 或470 nm)有強烈的吸光性，而化石燃料燃燒產生的 BC在長波段(λ=880或950 nm)表現強吸光性[16-19]。因此，本研究選用可見光波段λ=470 nm和λ=950 nm的吸收系數計算疫情管控前后黃石市日平均AAE值。

2 結果與討論

2.1 BC濃度的變化特征

觀測期間BC濃度及AAE值隨時間的變化曲線如圖1所示。我國部分城市黑碳氣溶膠濃度觀測結果見表1。由圖1可知，觀測期間，BC濃度的變化范圍為0.60～5.09 μg/m3，平均濃度為2.02 μg/m3，低于南京(3.8 μg/m3)[20]、徐州(2.44 μg/m3)[21]、安徽壽縣(2.11 μg/m3)[22]和成都(5.26 μg/m3)[23]，但高于烏魯木齊河源區(0.52 μg/m3)[24]、武漢(1.39 μg/m3)[25]和寶雞(0.63 μg/m3)[10]。黃石市實施疫情管控前(2020年1月1日—2020年1月23日)，BC平均濃度為2.39±1.16 μg/m3，管控后(2020年1月24日—2020年2月15日)BC平均濃度為1.66±0.61 μg/m3，下降幅度達到30%。據報道，管控期整個歐洲BC濃度平均下降了11%，其中最高削減峰值出現在法國(42%)，證實了管控對BC排放量的影響[26]。除了BC排放量減少以外，其他人為排放大氣污染物也都有不同程度的下降。與2019年2—3月相比，所監測的PM2.5濃度下降24.9%，CO濃度下降17%[27]。由此可見，受疫情管控影響，黃石市實施機動車禁行、工業企業停工停產、封閉社區等措施，使BC排放量明顯減少，環境空氣質量得到顯著改善。

圖1 觀測期間BC濃度及AAE值隨時間的變化曲線

表1 我國部分城市的BC濃度觀測結果

觀測期間BC小時平均濃度的頻率分布如圖2所示。由圖2可以看出，BC濃度的高頻值主要分布在1～2 μg/m3范圍內，占比達到51.3%。大于2 μg/m3的值出現頻率為18.3%，大于4 μg/m3的值占比為6.7%，大于5μg/m3的值占比僅為1.7%。本研究將出現頻率最高的BC濃度作為該地區的本底濃度，反映本底污染背景值[23]。利用高斯函數(Gauss Amp)對黃石市的BC濃度頻數分布進行非線性曲線擬合，得到監測期間BC的本底濃度為1.58 μg/m3。

圖2 觀測期間BC小時平均濃度的頻率分布

2.2 BC濃度的日變化特征

疫情管控前后的BC濃度日變化曲線如圖3所示。由圖3可知，管控前7∶00—8∶00時段出現第1個峰值，與上班早高峰時期機動車尾氣排放量增多有關；9∶00—16∶00時段BC濃度波動下降，可能與邊界混合層高度增加、大氣對流活動增強、大氣擴散條件加強導致BC濃度下降有關；16∶00后BC濃度達到全天的最低值；17∶00后BC濃度迅速增加，與下班高峰期機動車尾氣排放增多，居民烹飪活動增加有關；22∶00 BC濃度達到第2個峰值；進入午夜后，BC濃度開始持續下降，直到第2天6∶00，與夜間人類出行活動減少，交通排放減少有關。

圖3 疫情管控前后的BC濃度日變化曲線

管控后，BC濃度下降幅度介于21%～41%之間，且均于7∶00—8∶00時段出現早高峰值，在10∶00—18∶00時段下降，在13∶00時段達到谷值。這與午后太陽輻射、大氣湍流活動都達到最大值有關。在18∶00后，BC濃度緩慢增加，至24∶00左右達到第2個峰值，可能與夜間邊界層高度降低，風速減小，不利于BC的擴散有關。

2.3 波長吸收系數

研究表明，AAE值接近1時說明BC主要來自化石燃料燃燒排放，而AAE值約為1.68時說明來自生物質燃燒[28]。觀測期間，AAE值的日變化范圍為1.08～1.37，平均值為1.21±0.07(如圖1所示)，說明BC污染的主要來源是化石燃料燃燒。從AAE日變化范圍及標準偏差可以看出，黃石市的BC排放源對當地BC的貢獻較為穩定，BC受污染排放源的增減影響較小。管控前和管控后AAE平均值分別為1.18和1.24(如圖1所示)，說明管控前后黃石市的BC污染排放源變化不大，主要為化石燃料燃燒。

2.4 特殊BC污染事件成因分析

觀測期間BC日均濃度在2020年1月23日達到最大值5.09 μg/m3。為了探究其原因，通過Hysplit在線平臺(https://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php)對1月23日以前120 h的氣團后向軌跡進行了模擬分析，結果如圖4所示。

圖4 后向軌跡模擬分析

從圖4可以看出，低空(100 m)主要受來自湖南方向的氣團影響，在1月23日前后也受到來自湖北省內氣團的影響；而高空(500 m以上)則主要受到東南亞地區氣團影響，推測此次污染事件可能是由于觀測期間東南亞國家生物質燃燒排放的BC經大氣傳輸過程進而影響黃石地區BC濃度。

為進一步驗證后向軌跡得到的結論，結合2020年1月19日—2020年1月22日東南亞國家生物質燃燒事件的火點分布圖(如圖5所示)可以看出，2020年1月19日東南亞國家，如緬甸、泰國、老撾、巴基斯坦、印度南部等分布有比較密集的火點，并在1月20日明顯減少，但湖北中北部地區有零星火點分布，并在1月21日東南亞地區火點又顯著增多，說明生物質燃燒進一步增加，導致大量黑碳氣溶膠排放；1月22日東南亞地區火點數量又有所減少，這也與黃石地區BC氣溶膠濃度下降剛好相對應。由此可見，此次污染事件黃石地區BC主要受到東南亞國家生物質燃燒事件的影響。

圖5 火點分布圖(來源于https://worldview.earthdata.nasa.gov/)

3 結論

1)研究時段內，BC濃度變化范圍為0.60～5.09 μg/m3，平均濃度為2.02 μg/m3，本底濃度為1.58 μg/m3。疫情管控前BC平均濃度為2.39±1.16 μg/m3，疫情管控期間降低到1.66±0.61 μg/m3，下降幅度達到30%。

2)日變化分析表明，疫情管控前和疫情管控期間BC濃度都呈現較為明顯的雙峰特征，峰值分別出現早晨7∶00—8∶00和夜間22∶00—24∶00，而白天BC濃度較低。

3)AAE值的日變化范圍為1.08～1.37，平均值為1.21±0.07，說明研究地區BC污染主要來源于化石燃料燃燒。疫情管控前和管控期間AAE平均值分別為1.18和1.24，說明BC污染源較為穩定，主要受到化石燃料燃燒的影響。

4)后向軌跡模型模擬結果顯示2020年1月23日的BC污染事件主要受到來自東南亞地區生物質燃燒排放的污染氣團傳輸的影響。