鹽城市黑碳氣溶膠分布特征研究

吳碩秋 殷 婕 葛 僑 劉駿杰

（鹽城市亭湖區氣象局 江蘇 鹽城 224001）

引言

黑碳氣溶膠（black carbon，BC）是大氣氣溶膠的重要組分之一[1]，盡管其在大氣氣溶膠成分中所占比例較小，但作為吸收性氣溶膠它有強烈的半直接效應，對可見光到紅外波段內的太陽光有強烈的吸收作用[2][3]，會增加地-氣系統所吸收的太陽輻射能量，對氣候變化產生較強的正輻射強迫[4]。BC 本身不會由其他污染物反應生成或是經由化學過程從大氣中清除，它通過干、濕沉降從大氣中消失，時空分布極不均勻，在大氣傳輸過程中，BC 表面可以吸附其他污染物，為這些物質的非均相轉化及氣粒轉換過程提供活性載體并起到一定的催化作用。在BC 濃度很高的城市，其光學吸收特性會使大氣能見度大幅降低，使空氣質量明顯下降。同時，BC 對人體健康也有巨大的危害性[5][6]。

中國是BC 的主要源區之一。據統計，中國區域BC 排放量達到甚至超過了全球排放總量的1/4[7]，而中國的BC 高排放區主要集中在長三角地區、京津冀地區和珠江三角洲地區[8～12]。江蘇省鹽城市位于長三角東部，一方面受到當地BC排放與京津冀地區BC 輸送的影響，存在一定BC污染；另一方面鹽城市臨近黃海，清潔的海洋氣團對于空氣污染有一定緩解作用。因此，研究黑碳氣溶膠的污染分布特征及與氣象要素之間的聯系對提高空氣質量、降低空氣污染、制定更為精準的治理方案有著重要作用。

1 材料與方法

MERRA（The Modern-Era Retrospective-analysis for Research and Applications）[13]是美國國家航天航空局全球模擬和同化辦公室推出的高分辨率全球再分析資料，資料覆蓋時段為1979～2016 年。本文使用的MERRA-2 是MERRA 升級版，提供了1980 年以后的再分析資料，該再分析數據集改進了同化系統，結合了MERRA 缺乏的觀測資料并同化了若干遙感反演數據集，減少了與氣象觀測系統變化相關的誤差[14]。

MERRA-2 產品除了提供標準的氣象分析，還提供了5 種氣溶膠（灰塵、海鹽、硫酸鹽、黑碳和有機碳）的可靠數據集。本文使用MERRA-2 提供的2010～2020 年間逐月數據集，分辨率為0.625°×0.5°，選取的變量為2m 溫度、2m 風速、地面氣壓、降水與黑碳地面質量濃度。

2 結果與分析

2.1 鹽城地區氣候特征

利用MERRA-2 再分析資料對鹽城地區2010～2020 年地面氣象要素的季節特征進行分析。鹽城市位于北半球中緯度地區，常年處于高空西風環流控制之下，屬于典型的季風氣候。因此，鹽城地區的氣候特征主要為四季分明、雨熱同季。由表1 可見，鹽城地區夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥。夏季是整年溫度最高、氣壓最低且風速最高的季節，此時臺風、暴雨、強對流等災害性天氣高發，降水量可達全年降水的50%以上；冬季則是全年溫度最低、氣壓最高且降水量最低的季節。

表1 2010～2020 年鹽城地區氣象要素季節平均值

2.2 鹽城黑碳地面質量濃度季節分布

從黑碳地面質量濃度季節分布圖(圖1)可以看到，在空間分布上，四季黑碳濃度分布均呈現西高東低的趨勢，最大黑碳濃度往往出現在鹽都、建湖、阜寧等地，沿海地區的黑碳地面濃度相對較低；在時間分布上，鹽城地區的地面黑碳濃度秋冬季大、春夏季小。春季黑碳濃度為2～3.5μg/m3。夏季整體黑碳濃度有所降低，臨海地區的黑碳濃度只有1.5μg/m3左右，黑碳濃度最高出現在東臺東部，在3μg/m3左右。秋季鹽城東部地區的黑碳濃度有所升高，達到了3.5μg/m3，而沿海地區黑碳濃度變化較小。冬季地面黑碳濃度為全年最高，濃度最低的沿海地區都達到了3～4μg/m3，鹽都、建湖、阜寧和東臺地區的黑碳濃度達到了5μg/m3。

圖1 2010～2020 年黑碳地面濃度季節分布圖

如圖2 所示，地面黑碳濃度與氣溫呈顯著負相關，北部地區的負相關更為顯著；與氣壓呈顯著正相關，北部地區的相關性更強。而黑碳與風速之間則呈現出弱的負相關性，不同于其他氣象要素，黑碳與風速在南部地區的相關性要更顯著一些。地面黑碳濃度在中北部地區與降水呈顯著負相關，在南部地區呈弱負相關。因此，溫度、風速與降水的增加都會不同程度地導致地面黑碳濃度的下降。夏季高溫帶來的不穩定大氣層結有利于黑碳跨區域輸送，使得地面的黑碳濃度通過大氣輸送到其他地區，而冬季低溫、受高壓控制的氣象條件則更有利于黑碳在近地面積聚，不利于黑碳的擴散。風速對黑碳的影響是多元的，在冬季，鹽城盛行的偏北風會將京津冀地區的污染物向東向南輸送到鹽城，但在夏季，東南風所帶來的海洋清潔氣團則會使黑碳濃度下降。而降水的增加會使黑碳的濕沉降清除作用更為顯著，更多的黑碳會隨著降水被清除出去。

圖2 2010～2020 年黑碳地面濃度與氣象要素的相關性

圖3 展示了鹽城地區2010～2020 年黑碳氣溶膠月平均濃度與氣象要素 月平均值的關系（通過顯著性水平為0.05 的檢驗）。黑碳氣溶膠濃度與溫度、降水呈顯著負相關，與氣壓呈顯著正相關，這與圖2 所示的相關性分布較為一致，而黑碳氣溶膠濃度與風速整體上呈顯著負相關，這說明在鹽城地區，海洋清潔氣團所帶來的清潔效應比黑碳氣溶膠的跨區域輸入更為明顯。

圖3 2010～2020 年黑碳氣溶膠月平均濃度和氣象要素的相關性

2.3 逐年變化

從圖4 可以看出，2010～2020 年鹽城地區地面黑碳濃度總體呈波動下降的趨勢。2010～2012年黑碳濃度從3.8μg/m3下降到了3.3μg/m3，但在接下來的幾年中又迅速上升，2015 年達到了近10 年來黑碳地面濃度的最大值3.9μg/m3，之后便又逐漸降低，2018 年達到了近10 年來黑碳地面濃度的最低值3.2μg/m3。

圖4 2010～2020 年鹽城黑碳地面濃度的逐年變化

3 討論

自20 世紀90 年代以來，我國經濟發展迅猛，城鎮化、工業化程度飛速提高，但同時也造成了非常嚴重的污染問題。進入21 世紀，我國大氣污染物防治力度不斷加強，“十一五”（2006～2010 年）期間政府開始關注溫室氣體的排放，并在“十二五”（2011～2015 年）期間制定了具體的節能減排計劃。隨著2013 年全國大范圍出現的“霧霾”天氣，大眾對于“大氣污染”有了具體的認知，對于大氣污染的防治也逐漸向著更為全面的方向發展?！笆濉保?016～2020年）期間加快清潔能源的轉變，推進能源結構調整優化，明確了大氣污染防治的主要量化指標，空氣質量改善取得了歷史性突破。

結論

鹽城市的黑碳氣溶膠濃度在春秋季為2～3.5μg/m3；夏季整體降低為1.5～3μg/m3；冬季全年最高，濃度最低的沿海地區都達到了3～4μg/m3，鹽都、建湖、阜寧和東臺地區達到了5μg/m3。鹽城市的黑碳氣溶膠濃度與溫度、降水、風速呈顯著負相關，與氣壓呈顯著正相關。2010～2020 年鹽城市黑碳氣溶膠濃度總體呈波動下降趨勢，2010～2012 年從3.8μg/m3下降到3.3μg/m3；之后幾年迅速上升，2015 年達到3.9μg/m3；接著又逐漸降低，2018 年達到3.2μg/m3。