2009年夏秋季乌鲁木齐黑碳气溶胶观测研究_钟玉婷

DesertandOasisMeteorology

第5卷第6期2011年12月

2009年夏秋季乌鲁木齐黑碳气溶胶观测研究

2，2

钟玉婷1，刘新春1，，何

222

清1，，范子昂1，，王敏仲1，，郭志忠3

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，

树木年轮生态重点实验室，

乌鲁木齐830002；2.中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室/

乌鲁木齐830002；3.乌鲁木齐气象卫星地面站，乌鲁木齐830011）

摘要：利用乌鲁木齐2009年6—11月黑碳气溶胶（BC）质量浓度观测资料，结合国内外

其它地区的观测结果，给出了乌鲁木齐市夏秋季节BC浓度变化特征。结果表明：（1）乌鲁木齐市夏秋季大气BC日平均浓度为3843±3095ng·m-3，变化范围为688~15181ng·m-3；BC浓度变化趋势与API变化趋势接近，相关系数为0.55。（2）夏秋两季BC浓度的日变化存在明显的峰值区和谷值区，峰值区主要出现在上午和夜间，谷值区出现在凌晨和下午；周BC平均浓度的变化特征为，周一至周四呈总体降低趋势，星期四达到一周的最低值，周五开始增加，但总体变化幅度不大，工作日和周末差别不大。（3）夏季BC瞬时低值浓度远高于秋季，秋季BC污染重于夏季；乌鲁木齐城市BC浓度低于国内外部分城市，明显高于较为洁净的边远地区。

关键词：黑碳气溶胶；变化特征；夏秋季；乌鲁木齐

中图分类号：X16文献标识码：A文章编号：1002-0799（2011）06-0032-05

ObservationalStudyofBlackCarboninUrumqiduringSummer

andAutumnof2009

2222

ZHONGYu-ting1，，LIUXin-chun1，，HEQing1，，FANGZi-ang1，，

2

WANGMin-zhong1，，GUOZhi-zhong3

（1.InstituteofDesertMeteorology，CMA，Urumqi830002，China；

2.KeyLaboratoryofTree-ringPhysicalandChemicalResearchofChinaMeteorologicalAdministration/

XinjiangLaboratoryofTreeRingEcology，Urumqi830002，China;3.UrumqiMeteorologicalSatelliteGroundStation，Urumqi830011，China）Abstract:BasedonBlackCarbonaerosol（BC）observationsinUrumqifromJunetoNovemberof2009,aswellasthedatafromotherareas,theBCdistributionwasstudied.TheresultsshowedthatthedailyaverageconcentrationofBCwas3843±3095ngom-3withtherangeof688~15181ng·m-3duringsummerandautumninUrumqi,andthemaximumwas22timesasmuchastheminimum.

ThevariationtrendofBCwasclosetoAPIwiththecorrelationcoefficientof0.55.Inaddition,thedailyvariationofBCconcentrationwascharacterizedbyobviouspeakandvalleyduringsummerandautumnwithhighestconcentrationatforenoonandnighttimeandlowestatweehoursand

收稿日期：2011-08-01；修回日期：2011-08-16

基金项目：中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2009014，Sqj2008009），气象局科研项目（200907），国家自然科学基金项目（41175017），中国干旱科学研究基金项目（IAM200917）及级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（IDM201003）共同资助。作者简介：钟玉婷（1982-），女，硕士，助理研究员，主要从事大气气溶胶研究。E-mail：zhongyuting830@sina.cn

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钟玉婷等：2009年夏秋季乌鲁木齐黑碳气溶胶观测研究

afternoon.TheweeklyvariationofBCconcentrationdecreasedfromMondaytoThursdaywiththelowestinThursdayandincreasesfromFridaywithalittletendency,whilethedifferencebetween

workingdayandweekendisunobvious.Thethird,theproportionofBCconcentrationlessthan2500ng·m-3was%and36%respectivelyinsummerandautumn,andthepollutioninautumnwasworsethanthatinsummer.Thelast,BCconcentrationofUrumqiwaslowercomparedwithsomecitiesathomeandabroad,buthigherthansomecleanremoteareas.Itwas12.9~17.2timeshigherthanthatatWaliguanGlobalAtmosphericBaselineObservatoryand6.4×103timeshigherthanSouthPole.

Keywords:blackcarbonaerosol；variationcharacteristics；summerandautumn；Urumqi

黑碳气溶胶（BC）是大气气溶胶的重要组成部收可造成光强的衰减，相对于BC的吸收来说，气溶分，其粒径一般在0.01~1μm之间，来源于任何含碳胶其他成分对可见光的吸收可以忽略不计，于是用物质的不完全燃烧。其主要来源可分为自然源和人一张透光均匀的滤膜采集气溶胶样品，测量光线透

为源两种，自然源排放具有区域性和偶然性，而人为过滤膜时所产生的衰减为A。

在一定范围内，单位面源排放是长期和持续的，也成为大气中BC的主要积膜上BC的沉积量mBC与光学衰减量A呈线性关来源。有研究证实BC的直接辐射驱动因子超过了系：

CH4，对全球气候变暖贡献了15%~30%[1]，成为全球A=ln（I0/I）=σ·mBC，（1）大气系统中仅次于CO2的增温成分。中国区域BCI0为透过滤膜前的光强；I为透过滤膜后的光的排放量占到全球排放总量的1/4，成为区域乃至强；mBC是单位面积采样膜上的BC质量；σ为BC的全球气候与环境变化的一个重要驱动因子[2]。由于质量衰减系数，表示在单位面积的滤膜上沉积有单BC能降低能见度、直接和间接地影响气候效应、改位质量BC时的衰减。该仪器共有370、470、520、变平流层臭氧和光化学烟雾、参与全球生物地球化590、660、880、950nm7个通道，880nm是各种型号学循环等，并能对人体产生危害，因此BC的研究越黑碳仪的标准测量波长，其详细工作原理及资料处

来越受到科学家的关注[3-4]。

理方法见文献[8，12]

。本文采用黑碳仪标准通道（880国外早在20世纪70年代就出现了BC的系统nm）的采样结果作为BC质量浓度的代表值，该仪器测量[7]，到目前为止开展了包括南极、北极等地区的平均每5min获取一组BC浓度数据。本文对采集广泛观测[5-7]。国内有关BC的工作开展较晚，20世的有效数据进行平均，分别得到小时平均值和日均纪90年代开始，BC的观测实验在我国才逐步展开。值。

汤洁等[81991年在我国临安大气本底污染监测站进1.2观测地点

行过短期的BC浓度观测；1992—1997年，王庚辰观测站点位于乌鲁木齐（43.47°N，87.39°E，海等[9]在北京市北郊观测BC的浓度；目前，关于拔935.0m），采样地点设在气象局业务楼7楼的气溶胶、空气质量方面的研究较多[10-11]，有关BC楼顶，仪器安装在楼顶的大气成分观测房内，采样管的研究较少。本文分析2009年夏秋季乌鲁木齐BC穿过观测房房顶1.5m。观测点四周没有明显的BC浓度的日、周、月、季的变化特征，为城市环境监测部污染排放源，能够较好地代表城市大气状况。采样门开展BC的监测积累了实际经验，为开展城市和时间为2009年6月12日—2009年11月30日，期区域大气化学以及气溶胶特征研究奠定了基础，积间共获得有效小时数据3200组，其中9月7—16日累了相关的科学数据。和9月19—27日由于仪器出现故障造成数据缺失。1观测方法及观测站点

2结果与讨论

1.1

观测仪器和方法

2.1

BC浓度日变化特征观测仪器为美国玛基科学公司生产的AE-312009年6—11月，BC质量浓度在136~37372黑碳仪，该仪器可以连续实时观测BC的质量浓度。ng·m-3范围内变化，平均值为3707±3954ng·m-3；

观测原理是：收集在石英滤纸带上的粒子对光的吸日平均值在688~15181ng

·m-3范围内变化，平均值33研究论文沙漠与绿洲气象

DesertandOasisMeteorology

第5卷第6期2011年12月

为3843±3095ng·m-3，观测期间日平均质量浓度最大值（11月21日）是最小值（6月13日）的22倍。

图1为BC日平均浓度变化及其与污染指数API的对比关系，从图中可以看出，乌鲁木齐夏秋季的BC浓度波动较大，并呈现一定的季节变化特征。每年10月中旬进入冬季取暖期，企业和居民取暖燃煤排放成为主要贡献源，导致BC浓度明显增加。BC浓度变化趋势与API变化趋势较为接近，其相关系数为0.55。

BC浓度出现低值的一个重要原因。从下午17:00开始，BC浓度明显增加，21:00出现高值，该时段BC

浓度升高的主要原因是此时段正处于下班高峰期，来往的机动车排放量增加，其次是居民烹饪活动、烧烤及取暖。因此，气象条件和人为活动都会影响到BC浓度的变化。

2.2BC浓度周变化特征

图3为夏、秋两季BC平均浓度的周变化。秋季BC浓度明显高于夏季，两季BC浓度的周变化比较类似。夏秋两季最高值出现时段略有不同，夏季最高值出现在周日，为2842ng·m-3，而秋季最高值出现在周一，为5909ng·m-3，从周一至周四BC浓度总体呈降低趋势，星期四为每周的最低值，夏秋两季分别为2063ng·m-3和4828ng·m-3。周五开始BC浓度逐渐增加，但总体变化幅度不大。由于周一和周五是一周始末，上下班高峰期的机动车显著增多，BC排放量增大，大气中BC浓度不断累积，并在随后的时段内逐渐升高。

图1BC日平均浓度变化与污染指数API对比

图2是2009年6—11月BC浓度日变化图，可

以看出BC浓度的日变化在夏秋两季基本一致，具有明显的峰值区和谷值区，其峰值区主要出现在上午和夜间，谷值区分别出现在凌晨和下午，但秋季的波动较夏季明显。在观测期间两个峰值分别为上午9:00的4771ng·m-3和晚上24:00的5159ng·m-3，谷值分别为凌晨5:00的2968ng·m-3和下午17：00的2483ng·m-3，最高值与最低值相差2倍多。

图3夏秋两季BC浓度周变化

图2夏秋两季BC浓度日变化

图4

周末和工作日BC浓度日变化

上午BC浓度较高，主要是由于此时段为上班高峰期，市区机动车辆增加，交通来源BC排放量增加，BC浓度在该时段显著升高；另外由于该时段正处于日出后，大气层结构稳定，混合层高度相对偏低，不利于大气污染物质的稀释扩散，容易造成BC浓度偏高。下午17:00左右为全天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，空气对流强烈，有利于污染物的扩散，此外相对于一天的上下班高峰期，午后的人为活动明显降低，机动车排放量降低，这也是午后

34

如果将观测数据分为工作日和双休日，从图4中可以看出，双休日和工作日的BC浓度差别不大，其峰值和谷值也基本相同。由于黑碳仪安装在乌鲁木齐市人口集中的老城区———天山区，该城区聚集了办公、商业、娱乐等多种场所，工作日和双休日人们活动都较频繁，同时距离观测点约300m远处，有一条车流量较大的外环路，可能是造成工作日和双休日BC浓度差别不大的另一个原因。

钟玉婷等：2009年夏秋季乌鲁木齐黑碳气溶胶观测研究

2.3BC浓度季节变化特征ng·m-3的比例较夏季明显减少，高浓度比例明显增图5为乌鲁木齐大气BC月平均浓度，可以看

大，>12500ng·m-3的数据占10%。BC浓度的频次

出：11月BC平均浓度最高，为8534±12ng·m-3，分布表明，乌鲁木齐市夏季BC瞬时低浓度值的比最大值达到了37372ng·m-3，6月BC平均浓度最例远高于秋季，同时表明秋季BC污染重于夏季。低，为1846±1484ng·m-3，两者相差4.6倍。BC月平2.5

与其他城市观测结果的比较

均浓度高低依次为11月>10月>8月>9月>7月>6表1为乌鲁木齐BC浓度与国内外部分地区对月，高浓度月份集中在秋季。根据BC日均浓度得到比结果。乌鲁木齐BC浓度夏秋两季平均浓度为3了BC季平均浓度，夏季平均浓度为2376ng·m-843±3095ng·m-3，与国内外部分城市相比，较汉城

3

，秋季平均浓度为5360ng·m-3。这是因为乌鲁木齐低，比芝加哥高，秋季BC浓度为芝加哥的4.5倍；西

是典型的北方城市，地处腹地，市区在三面环山安、西宁和北京与乌鲁木齐BC浓度相比，分别是乌的河谷地带，夏季空气对流强烈，有利于污染物的扩鲁木齐的2.7倍、1.1倍和2.倍。与国内外郊区相散和稀释，10月中旬后，居民取暖燃煤排放成为了比，乌鲁木齐BC浓度低于四川温江、北京西山，但BC的主要贡献源，加之大气层稳定，易出现逆温现

是拉萨的2.3~3.2倍、肯尼亚的2.7倍。与背景点相象，不利于污染物扩散和稀释。

比，乌鲁木齐BC浓度是瓦里关的12.9~17.2倍、南极的6.4×103倍。由此可见，乌鲁木齐与国内外部分城市相比，夏秋季BC浓度相对较低；与郊区相比，明显高于较为洁净的边远地区，远高于背景区。这表明乌鲁木齐夏秋两季的城市污染相对较轻，夏季清洁度较好，秋季较差。表1

乌鲁木齐城市BC浓度与国内外部分地区

结果对比

BC平均浓度BC浓度变化范围站点图5

BC月平均浓度变化

采样地点观测时间（/μg/m3）

（/μg/m3）性质乌鲁木齐*2009年6—8月2.380.69~4.62城市

2.4

夏秋BC浓度的频次差别

2009年9—11月5.361.26~15.2图6为夏秋两季BC浓度的频次分布。将所有

西安[13]2003年9—11月10.2±5.81.8~27.5城市BC小时平均浓度按照2500ng·m-3间格分为不同西宁[14]2005年9月—2006年2月4.2111.04~9.65城市的浓度段，即<2500ng·m-3

为第一个浓度段，2500~北京[15]2005年8—9月11.1±3.43.7~16.7城市汉城，韩国[16]5000ng·m-3为第二个浓度段，以此类推。由图可知，

1999年11—12月7.0±5.22.0~18

城市芝加哥，美国[17]1997年10—11月1.2城市对于夏季和秋季，BC最大频次都出现在<2500ng·四川温江[18]1999年9月—2000年8月6.3

1.24~19.12郊区m-3的浓度段内；夏季BC浓度<2500ng·m-3数据比北京西山[19]1993年13.3~20.9郊区例为%，秋季BC浓度<2500ng·m-3数据比例为拉萨[20]1998年6月—10月0.3~4.8郊区36%。夏季BC浓度主要集中在低浓度水平，其浓Meru，肯尼亚[21]1999—2000年1.4±0.10.8~2.4郊区度>12500ng·m-3的数据为零；秋季BC浓度<2500

瓦里关[14]2005年9月—2006年2月0.04~1.18背景南极[22]1992—1995年0.6×10-30.3~1.5×10-3背景*数据为本文计算结果

3结论

（1）乌鲁木齐BC浓度变化较大，日平均浓度为3843±3095ng·m-3，其变化范围为688~15181ng·m-3。BC浓度变化趋势与API变化趋势接近，相关系数为0.55。

（2）夏秋两季BC浓度的日变化表现出明显的图6BC小时平均浓度频次分布

峰值区和谷值区，其峰值区主要出现在上午和夜间，

35研究论文沙漠与绿洲气象

DesertandOasisMeteorology

第5卷第6期2011年12月

谷值区出现在凌晨和下午。

（3）周BC平均浓度的变化为从周一到周四呈总体降低趋势，星期四达到一周的最低值，周五开始逐渐增加，总体的变化幅度不大，工作日和双休日差别较小。

（4）乌鲁木齐市夏季BC瞬时低浓度比例远高于秋季，秋季BC污染重于夏季。

（5）乌鲁木齐城市BC气溶胶浓度低于国内外部分城市，明显高于较为洁净的边远地区，比背景点瓦里关和南极分别偏高12.9~17.2倍和6.4×103倍。参考文献：

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