黑碳气溶胶(Black Carbon，BC)是由于含碳(燃料)物质不完全燃烧排放出来的无定型碳质，是大气气溶胶中的一个重要成分(汤洁等，1999).含碳物质的不完全燃烧，如工业污染、汽车尾气、森林大火及城乡居民的小炉灶、秸秆燃烧等都会造成BC排放(Novakov et al., 2000).黑碳气溶胶在可见到红外波段范围内对太阳辐射均有强烈的吸收作用(张华等，2009)，其对气溶胶总光吸收的贡献在90%~95%以上(Hansen et al., 1993)，是大气中引起全球变暖的仅次于CO₂的第2个重要成分(Jacobson，2001)，其致暖效应大约是CO₂的2/3(华凌，2013).自1880年以来，全球气温上升幅度的25%可归因于BC(Hansen et al., 2004)；另外，BC小粒子的增加可加速小水滴的形成，导致产生更多的云，从而间接影响气候变化(Jacobson，2001).BC粒度主要在0.01~1.0 μm(许黎等，2006)，表面可吸附有毒有害物质，经呼吸系统进入人体，影响人体健康(Hansen et al., 2004；Rosen et al., 1978).

美国科学家从20世纪70年代开始了对黑碳气溶胶的系统测量，到20世纪80年代该工作得到国际上的广泛重视.我国对黑碳气溶胶的研究起步相对较晚，90年代才开始在瓦里关、临安等全球和区域本底站开展测量.国外研究预计，1995—2020年，中国排放的黑碳将占到世界人为排放源总量的1/3(Streets et al., 2001).2000年，中国区域黑碳排放总量为149.94万t，其中，排放量较大的省份有河北、山东、河南和四川(曹国良等，2006).

重庆市(东经105°11′~110°11′、北纬28°10′~32°13′)位于四川盆地东部边缘的低山丘陵地带，地理气象条件不利于污染物扩散.随着城镇化建设的加快，重庆市人口逐渐增多，机动车数量增加，2012年，市区机动车保有量达到93.3万辆，较2011年增加了12.1万辆(重庆市规划局，2013).能源消耗也随之递增，增加了BC排放的可能性，给大气环境质量带来了巨大压力.目前，还未见重庆地区专门针对黑碳气溶胶的研究报道.由于BC在大气环境中不存在复杂的化学反应，在大气中只存在1周左右(Reddy et al., 2000；Babu et al., 2001)，而CO₂可以存在上百年，因此，控制BC污染可在短期内缓解气候变暖、提高大气环境质量.基于此，本文利用2012年重庆市BC数据及同步气象数据和车流量调查数据，初步分析重庆市BC污染特征、来源及影响因素，以期为控制BC污染提供依据.

监测点设在重庆市大气环境监测超级站，该站位于重庆北部新区高新拓展区，地理坐标为106°29.857′ E、29°36.950′N，海拔高度326 m，采样高度28 m.区域内地势较平坦，空间开阔，监测点南方有重庆电厂、九龙发电厂，是市区主要的工业源，南侧约1000 m有一条城市主干道，日均车流量较大，是主要的交通源，所测数据基本可以反映出城市大气环境的平均状况.2012年1月1日至12月31日，同步监测了BC、SO₂、NO_x浓度.

监测仪器为美国MAGEE公司的Aethalometer黑碳仪，该仪器基于黑碳物质对光的吸收特性，利用Beer-Lambert定律可同时在紫外、可见和近红外的7个波长(370、470、520、590、660、880和950 nm)上对大气中黑碳气溶胶进行实时观测，时间分辨率为5 min.本次研究选用880 nm波段处的监测数据.相对湿度、温度、风速和风向的监测设备为Vaisala(维萨拉)公司的WXT520气象变送器；SO₂、NO_x监测设备分别为AF22M二氧化硫分析仪和AC32M氮氧化物分析仪，可获得SO₂、NO_x的逐时浓度.

同时，选择正常交通下的2个工作日和2个周末，监测了可代表重庆市区车流量平均状况的城市主干道车流量，用高清摄像机记录了24 h车流量变化，将车辆分为轿车、出租车、公交车(CNG)、微型车、其他轻型车、摩托车、中型车、重型车8类进行统计.

2012年，重庆市年均相对湿度(RH)为76.7%，年均风速为1.1 m · s^-1，年均气温为9.2 ℃.RH月均值在60%以上，呈双峰分布，6—7月及10—11月较高，12月全年最低.气温8月份最高，为30 ℃，12月份最低，为5.7 ℃.上半年风速较小，均小于1.0 m · s^-1，下半年较大，在1.0~1.6 m · s^-1之间；1月风速全年最低，为0.71 m · s^-1，8月为全年最高(1.53 m · s^-1).2012年，重庆市近地面全年主导风向为SSE，占30.9%，次主导风向S占24%，SSW占17.8%，SE占11.5%，SW占7.4%；此外，还有小频率的ESE、WSW风向出现.春季主导风向为S和SSE，夏、秋、冬季的主导风向均为SSE，其次为S.

2012年，BC年日均浓度为1.43~19.0 μg · m^-3，平均值为(5.9±2.7)μg · m^-3，占PM_2.5年日均浓度的7.2%.从图 1可以看出，BC浓度与PM_2.5浓度变化规律相同，均在冬季的1、2和12月较高，5月及夏季的7—9月浓度较低，但在6月也出现峰值.这与当时气象条件有关，6月份风速仅略高于1月份，气压几乎全年最低，湿度全年最大，因此，扩散条件差导致BC浓度较高.

图 1(Fig. 1)

图 1 BC及PM2.5浓度月变化规律 Fig. 1 Monthly concentration variation of BC and PM2.5

其他地区的BC浓度值见表 1.由表可知，重庆市的BC浓度是全球背景点瓦里关的19.7~45.4倍，是山地地区帽峰山的2.4倍，说明重庆市BC受人为污染比较严重.与其他城市相比，重庆市BC浓度高于抚顺、大连、鞍山和东莞，与沈阳、上海浦东新区接近，低于乌鲁木齐、西安、本溪、广州、珠三角地区的研究值.

表1(Table.1)

表1 其他地区BC浓度 Table.1 BC concentrations in other areas

表1 其他地区BC浓度 Table.1 BC concentrations in other areas 地区 BC浓度/(μg·m-3) 时间 文献来源 注：BC浓度均指PM2.5中的BC浓度；a.山地地区，海拔550 m；b.全球大气背景点. 重庆 5.9±2.7 2012年1—12月 本研究 乌鲁木齐 12.37 2009年冬季 刘新春等，2011 西安 10 2006-3—2007-2 朱崇抒等，2009 本溪 6.87 2008-3—2009-2 王扬锋等，2011 沈阳 6.14 2008-3—2009-2 王扬锋等，2011 鞍山 5.3 2008-3—2009-2 王扬锋等，2011 抚顺 4.16 2008-3—2009-2 王扬锋等，2011 大连 3.18 2008-3—2009-2 王扬锋等，2011 广州 10.5 2007-12—2008-2 陶俊等，2009 东莞 5.27 2009年 陈慧忠等，2013 上海浦东新区 5.62 2006年10—12月 杨溯等，2008 珠三角 8.42 2009年 陈慧忠等，2013 帽峰山a 2.43 2009年 陈慧忠等，2013 青海瓦里关b 0.13~0.3 1994-7—1995-12 汤洁等，1999

统计学中，用偏度(Skewness，Sk)来描述某变量取值分布的对称性.Sk=0，分布形态与正态分布偏度相同；Sk>0，正偏差数值较大，为正偏或右偏；Sk<0，负偏差数值较大，为负偏或左偏；Sk越大，分布形态偏移程度越大.峰度(Kurtosis，Ku)描述某变量所有取值分布形态的陡缓程度.Ku=0，与正态分布的陡缓程度相同；Ku>0，比正态分布的高峰更加陡峭；Ku<0，比正态分布的高峰平坦.经统计计算，325组BC日均浓度分布的偏度系数Sk和Ku分别为1.561和3.716，标准偏差分别为0.135和0.270.Sk>0，Ku>0，说明BC浓度分布不符合正态分布，属于正偏态(往左偏)分布，较陡峭.BC的日均浓度直方图见图 2.根据此图验证了以上判断结论，BC浓度分布属于正偏态(往左偏)，主要分布在4~6 μg · m^-3范围内.

图 2(Fig. 2)

图 2 BC日均浓度频数分布 Fig. 2 Frequency distribution of BC daily average concentrations

对逐日0:00—23:00每个时刻的BC浓度做平均计算得到，8:00时BC浓度为24 h最大值，达到(9.20±5.49)μg · m^-3，低值出现在14:00—16:00，约(5.40±3.47)μg · m^-3.BC的24 h浓度变化见图 3.由图可知，无论在哪个月份，24 h内BC浓度峰值大都出现两次，分别集中在6:00—10:00及20:00—23:00，且上午整体浓度要高于下午.

图 3(Fig. 3)

图 3 BC浓度逐时变化 Fig. 3 Hourly variation of BC concentration

2012年，重庆市日均风速集中在0.9~1.1 m · s^-1之间，大部分情况风速在2 m · s^-1以下.将风速分成0.5~1.0 m · s^-1、1.0~1.5 m · s^-1、1.5~2.0 m · s^-1、>2.0 m · s^-14段，分析其对BC浓度的影响.BC浓度与风速的相关系数及检验结果见表 2.由前面分析知，BC日均浓度呈正偏态分布，因此，选用Spearman方法进行相关性分析.随着风速增大，BC平均浓度从(6.84±2.99)μg · m^-3降低到(2.90±0.74)μg · m^-3.0.5~1.0 m · s^-1、1.0~1.5 m · s^-1风速下，BC与风速在α=0.01下显著负相关；1.5~2.0 m · s^-1风速下，BC与风速相关性不显著；风速>2.0 m · s^-1时，BC与风速在α=0.01下显著正相关.风速为0.5~1.5 m · s^-1时，BC浓度随风速的增大而降低，但当风速超过2.0 m · s^-1时，BC浓度随风速增大而增大.说明风速为0.5~1.5 m · s^-1时，BC浓度主要受到本地源的影响，随着风速增加，污染物扩散条件变好，污染物得到稀释，浓度降低；但当风速超过2.0 m · s^-1时，BC浓度可能主要受到外来源的影响，污染物的远距离输送使浓度增加，但绝对浓度仍然最小.

表2(Table.2)

表2 BC浓度与风速的相关性 Table.2 Correlation between BC concentration and wind speed

表2 BC浓度与风速的相关性 Table.2 Correlation between BC concentration and wind speed 风速/(m·s-1) BC平均浓度/(μg·m-3) 相关系数 p值 注：p<0.01时表示在α=0.01下显著相关(双侧检验)，p>0.05时表示相关性不显著. 0.5~1.0 6.84±2.99 -0.341 0.000 1.0~1.5 5.11±1.49 -0.265 0.004 1.5~2.0 4.18±1.84 -0.234 0.232 >2.0 2.90±0.74 1 0.000

通过对BC浓度与风速进行回归分析得到，风速为0.5~1.0 m · s^-1、1.0~1.5 m · s^-1、1.5~2.0 m · s^-1、>2.0 m · s^-1下，回归拟合公式的斜率分别为-0.694、-3.339、-2.584、3.884，说明风速在0.5~1.0 m · s^-1时范围内，BC浓度随风速的改变变化较快.

不同风向下BC平均浓度值见表 3.E风向下，BC浓度最高，达到7.86 μg · m^-3，但风频较低；其次为主导风向SSE和S下，BC浓度分别为(6.25±2.73)μg · m^-3和(6.51±2.74)μg · m^-3.由前所述，4个季节的主导风向均为SSE和S，但4个季节中，SSE风向在冬季发生的频率最高，S风向在春季和冬季发生的频率较高，由于冬季BC浓度较高，因此，导致风向SSE和S下BC浓度较高；另外，可能是受到采样点南方重庆电厂、九龙发电厂的影响.ENE和SW风向下，BC浓度较小，均小于5 μg · m^-3.

表3(Table.3)

表3 不同风向下BC平均浓度 Table.3 BC concentrations in different wind directions

表3 不同风向下BC平均浓度 Table.3 BC concentrations in different wind directions 风向 BC平均浓度/(μg·m-3) 风频 E 7.86±2.95 0.5% ENE 4.93 0.3% ESE 5.19±2.38 3.0% S 6.51±2.74 24.0% SE 5.55±2.46 11.5% SSE 6.25±2.73 30.9% SSW 5.32±2.74 17.8% SW 4.98±2.06 7.4% W 5.69 0.3% WNW 5.78 0.3% WSW 6.07±2.22 4.1%

相关性分析表明，BC浓度与气温和相对湿度的相关性不显著.RH<40%及RH>95%时，BC浓度较小，分别为(3.81±0.52)μg · m^-3和(3.89±1.23)μg · m^-3；RH在80%~95%时，浓度最大，为(6.34±3.27)μg · m^-3.说明影响BC浓度的主要气象因素为风速.

中国大气中的黑碳主要来源于燃煤、生物质燃烧、机动车尾气等，其中，大部分源于燃煤和生物质燃烧(曹军骥等，2005).城市大气中BC来源主要是燃煤、机动车尾气、居民活动等，农村生物质燃烧的贡献较多(曹国良等，2004；Streets et al., 2000).对BC与SO₂、NO_x日均浓度进行线性回归分析，结果见图 4，可知BC浓度随着SO₂、NO_x浓度的增加而增大.

图 4(Fig. 4)

图 4 BC与SO2、NOx的线性回归分析 Fig. 4 Linear regression analysis between BC and SO2，NOx

采用Spearman方法对BC与SO₂、NO_x进行相关性分析，得到BC与SO₂、NO_x的相关系数分别为0.374和0.542(p<0.01)，均在α=0.01下(双侧检验)显著正相关.说明重庆市BC主要来源于燃煤和机动车尾气排放，而BC-NO_x相关系数大于BC-SO₂，说明BC受机动车排放的影响更大.

城市地区汽车尾气排放是对BC贡献最大的源，工作日24 h总车流量为10.18万辆，其中，重型车为880辆；周末总车流量为10.43万辆，是工作日的1.02倍，重型车为1004辆，是工作日的1.14倍.周末BC浓度日均值为工作日的1.06倍，说明周末BC浓度和总车流量、重型车车流量均高于工作日.

工作日和周末逐时车流量及BC浓度变化见图 5.由图可知，周末和工作日，24 h内BC浓度变化规律一致，呈现一个凸峰和一个凹谷，凸峰出现在6:00—10:00，凹谷出现在10:00—20:00.0:00— 6:00，BC浓度在全天24 h内较高，且变化不大；6:00之后开始升高，8:00达到浓度峰值，10:00之后，浓度逐渐降低，在15:00—16:00达到最小值；16:00之后，浓度再次逐渐升高，在21:00—23:00，达到较高浓度.

图 5(Fig. 5)

图 5 工作日与周末逐时BC浓度、车流量对比 Fig. 5 Comparison of hourly BC concentration and vehicle density between weekdays and weekends

周末和工作日，24 h的车流量变化规律相同，呈现两个凸峰和一个凹谷，凸峰分别出现在8:00—12:00和12:00—19:00，凹谷出现在0:00—7:00.0:00—4:00，车流量较小，4:00达到最低值；5:00开始，车流量快速增加，10:00—11:00达到峰值；12:00略有降低后缓慢增加，在16:00达到第二个峰值，与第一个峰值相差不大，之后车流量逐渐减少.从BC逐时浓度变化及机动车逐时数量变化可知，BC浓度的高峰期(6:00—10:00)与总车流量的高峰期(8:00—12:00)有所吻合；但BC浓度的低谷期(10:00—20:00)与总车流量的高峰期(12:00—19:00)相悖.

进一步对各车型24 h车流量(24h车流量=(工作日日均车流量×5+周末日均车流量×2)/7)变化与BC浓度进行分析，结果见图 6，其中，公共汽车、重型车、中型车、出租车、轿车、微型车、其他轻型车和摩托车在总车流量中的比例分别为14.4%、0.9%、0.8%、35.0%、30.3%、6.7%、7.6%和4.3%.公共汽车、轿车、中型车、微型车、其他轻型车和摩托车车流量逐时变化规律与总车流量一致，均是两个凸峰和一个凹谷；出租车车流量除了在20:00—22:00多出一个小高峰外，其余时间与总车流量变化规律一致.

重型车的逐时变化规律与其他车型及总车流量不同，它呈现“U”字型分布，0:00—3:00及21:00—23:00车流量较大，其余时段车流量较小.6:00—10:00，BC浓度处于高峰期时，重型车车流量较小；其余时间，BC浓度基本随着重型车车流量的增加而增加，21:00—23:00的BC浓度高值与重型车车流量高峰期吻合.

图 6(Fig. 6)

图 6 各车型24 h车流量变化规律 Fig. 6 Density variation of each type of vehicle in 24 hours

0:00—6:00，虽然总车流量和重型车数量大大减少，但此阶段BC浓度较高，且变化不大.主要是因为该时段正处于日出之前，有逆温出现，大气层结构稳定，混合层高度相对偏低，前一晚的高浓度BC无法稀释扩散，容易造成BC堆积.早晨6:00开始，BC浓度逐渐升高，虽然重型机动车数量仍在减少，但此时段为上班高峰期，机动车辆增加，BC排放量增加；同时，由于该时段刚处于日出之后，夜晚逆温层尚未完全消失，大气层结仍比较稳定，大气污染物扩散条件仍未改善.10:00—19:00，虽然机动车流量仍处于高峰期，但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，逆温层消失，空气对流强烈，有利于污染物的扩散，因此，BC浓度处于一天中的较低值.另外，重型车数量较夜晚大幅度降低，也是BC浓度较低的原因.19:00之后，虽然机动车总量逐渐减少，但BC浓度快速升高，出租车数量仍保持较高水平，重型车数量增加较快，其余车型数量快速减少.由于重庆市区出租车燃料均为CNG(压缩天然气)，不产生BC，所以可能是重型车柴油燃烧排放BC；加上夜间气象条件不利于污染物扩散，导致BC浓度逐渐升高.Xing等(2009)对2008年北京奥运期间控制卡车夜间入城的研究也表明，柴油卡车是高浓度BC的主要贡献者.因此，BC浓度变化除受气象条件的影响外，还受到机动车尤其是重型车的影响.

1)2012年，重庆市BC年日均浓度为1.43~19.0 μg · m^-3，平均值为(5.9±2.7)μg · m^-3，占PM_2.5年日均浓度的7.2%.BC日均浓度呈正偏态(往左偏)分布，主要分布在4~6 μg · m^-3之间.重庆市BC受人为污染比较严重.

2)风速为0.5~1.5 m · s^-1时，BC浓度主要受到本地源的影响，BC浓度随风速的改变变化的较快.当风速超过2 m · s^-1时，BC浓度主要受到外来源的影响.影响BC浓度的主要气象因素为风速，气温和相对湿度对BC浓度的影响不大.由于受到季节和污染源因素的影响，主导风向SSE和S下，BC浓度分别为(6.25±2.73)μg · m^-3和(6.51±2.74)μg · m^-3，与其他风向下的BC浓度相比较高.

3)重庆市BC主要来源于燃煤和机动车尾气排放，且受机动车排放的影响更大.0:00—6:00，大气污染物扩散条件差决定了BC浓度较高且变化不大；6:00—9:00，机动车数量增加且大气污染物扩散条件仍未改善，BC浓度增加；10:00—19:00，气象条件有利于污染物扩散，重型车数量较夜晚大幅度降低，BC浓度处于一天中的较低值；19:00之后，重型车数量增加较快，柴油燃烧排放BC，气象条件不利于污染物扩散，BC浓度明显增加.

致谢： 感谢重庆市环境监测中心自动监测室黄伟、刘芮玲提供的超级站自动监测数据.