中國典型地區(qū)碳質氣溶膠及二次有機氣溶膠特征研究.pdf

1、大氣氣溶膠是我國最主要的空氣污染物之一，而碳質氣溶膠是其中的主要組分。大氣碳質氣溶膠對全球氣候變化、太陽輻射平衡、溫室效應、大氣能見度和人體健康等方面都有重要的影響。由于華北地區(qū)能源消耗強度和氣溶膠排放強度較大，導致此區(qū)域是全球氣溶膠濃度最高的地區(qū)之一。因此全面闡明我國高污染條件下大氣氣溶膠和碳質氣溶膠的污染現(xiàn)狀和變化特征，并了解其來源和形成機制，對制定控制對策具有重要意義。
　　 本研究選擇中國氣溶膠污染較重的典型地區(qū)，在濟南

2、、青島、淄博和棗莊等典型城市分別設立4個城區(qū)和1個郊區(qū)(濟南苗圃)觀測點，并在泰山建立高山大氣觀測站，對大氣氣溶膠和碳質氣溶膠進行了連續(xù)觀測。對區(qū)域范圍內城市及邊界層大氣氣溶膠和碳質氣溶膠的污染特征和時空分布進行了研究，探討了其傳輸和來源，并對二次有機氣溶膠(SOA)的含量、形成和變化特征進行了研究。此外，本研究還考察了云霧對碳質氣溶膠的清除作用和液相SOA生成過程，研究了氣溶膠的云凝結核(CCN)特性和SOA對氣溶膠CCN活性的影響，

3、并系統(tǒng)地測定了NaCl納米顆粒的形狀因子。
　　 濟南市區(qū)、濟南郊區(qū)、青島、淄博、棗莊和泰山六個觀測點PM2.5、有機碳(OC)和元素碳(EC)濃度均值范圍分別為44.7-191.0μg m-3、15.93-38.03μgm-3和1.31-5.03μg m-3。PM2.5和碳質氣溶膠濃度都高于國內外其它城市和背景站觀測濃度，而且濟南城區(qū)長期觀測結果顯示PM2.5和碳質氣溶膠濃度都呈現(xiàn)緩慢增長趨勢。PM2.5和碳質氣溶膠濃度都表現(xiàn)

4、出明顯的季節(jié)變化，冬春季較高而夏季最低，表明燃煤排放仍然是我國北方地區(qū)PM2.5和碳質氣溶膠的主要來源之一。本研究在華北地區(qū)首次連續(xù)觀測了邊界層頂大氣半揮發(fā)性有機碳(SVOC)，結果顯示，春、夏季平均濃度分別為6.26、13.33μg m-3，占總有機碳(TOC)濃度的51％和72％，說明半揮發(fā)性有機氣溶膠是此區(qū)域邊界層內大氣有機氣溶膠中的主要組成。六個觀測點有機氣溶膠占PM2.5質量濃度的平均比例范圍在19.9-66.0％，反映出區(qū)域

5、范圍內有機污染物排放量較大，碳質氣溶膠污染較重。
　　 對碳質氣溶膠的日變化特征分析發(fā)現(xiàn)，城市地區(qū)黑碳(BC)濃度主要受人為活動、交通源排放和氣象條件的影響，而泰山地區(qū)碳質氣溶膠濃度主要受傳輸和二次生成來源影響，并且在傳輸過程中混合了多種不同來源，包括燃煤排放、交通排放、生物質燃燒等。利用PCA和HCA分析發(fā)現(xiàn)泰山春、夏季高濃度的NVOC和EC主要來自于邊界層內污染物的傳輸，而來自自由對流層的干凈氣團中碳質氣溶膠濃度較低。高濃度

6、的SVOC與云霧過程相關，并且由光化學氧化和液相反應生成的SOA在夏季都有所增強。研究還證實，我國華北地區(qū)生物質燃燒和韓國地區(qū)污染物的排放對我國華北地區(qū)和東亞地區(qū)碳質氣溶膠濃度都有明顯的影響。此外，還得到區(qū)域邊界層項碳質氣溶膠的背景濃度，NVOC為2.13±1.05μg m-3，EC為0.43±0.29μg m-3，而SVOC在2.40-6.80μg m-3范圍內。
　　 分別利用EC約束示蹤法和改進的多元回歸方法對典型城市和泰

7、山站大氣中二次有機氣溶膠濃度進行了測算，結果顯示，各城市大氣中二次有機碳(SOC)濃度范圍為8.25-23.46μg m-3，占TOC總量的40.13-58.91％，棗莊濃度最高而青島最低。泰山春、夏季總SOC的濃度分別為8.19和13.26μg m-3，占TOC總量的57.3％和71.2％，其中半揮發(fā)性二次有機碳(SV-SOC)占總SOC的60.4％和74.9％。結果表明觀測期間有大量的SOA形成，也反映出華北地區(qū)邊界層內較高的SOA

8、通量和前體物排放量。對SOC和光化學壽命關系分析發(fā)現(xiàn)，NV-SOC和SV-SOC與光化學壽命關系不同且兩者均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異。春季NV-SOC與光化學壽命呈正相關關系，而SV-SOC則表現(xiàn)出單峰形態(tài)，說明隨光化學壽命的增加NV-SOC不斷的生成，而SV-SOC則受氣態(tài)前體物生成和向更低揮發(fā)性組分轉化的動態(tài)平衡控制。夏季更加老化的氣團中NV-SOC與光化學壽命的關系不明顯，而SV-SOC則繼續(xù)向不揮發(fā)性組分轉化而表現(xiàn)出濃度下降的趨勢。

9、
　　 泰山觀測期間發(fā)現(xiàn)云霧對NVOC和EC有明顯的清除作用，清除效率范圍分別為0.33-0.93和0.62-0.94。與不揮發(fā)組分變化相反，SVOC濃度在云霧過程中表現(xiàn)出上升趨勢，凈增長濃度范圍在3.67到19.04μg m-3，說明有大量的SVOC在云霧過程中生成和增長。利用云霧-氣溶膠作用模型獲得NVOC和EC的清除系數常數KNVOC和KEC，以及SVOC的生成速率常數JSVOC和匯機制常數SSVOC。KNVOC夏季低而春

10、季高，范圍為0.07-0.55 h-1，春、夏季平均值分別為0.16和0.11 h-1。KEC范圍為0.11-0.90 h-1，與KNVOC表現(xiàn)出相似的季節(jié)變化，但大部分KEC值都高于KNVOC，說明EC顆粒在傳輸過程中與吸濕性顆粒(硫酸鹽、硝酸鹽等)發(fā)生了內部混合。JSVOC范圍為0.09-1.39 h-1，春、夏季平均值分別為0.88和0.45 h-1，其中夏季波動相對較大。SSVOC表現(xiàn)出與JSVOC同樣的季節(jié)變化，范圍為0.00

11、1-1.07 h-1。SVOC在云霧過程中的增長速率受已存在氣溶膠濃度、前體物濃度、氧化劑濃度和匯機制的共同影響，SVOC的增長曲線主要取決于源和匯機制的相互競爭。
　　 本研究還利用CCNC儀器研究了NaCl和(NH4)2SO4顆粒的CCN活性，發(fā)現(xiàn)在相同超飽和度下NaCl的臨界活性直徑小于(NH4)2SO4，表明氣溶膠粒子的CCN活性取決于其粒徑和化學成分的共同作用。利用煙霧箱研究了由α-pinene和isoprene生成的

12、SOA對顆粒CCN性質的影響，結果發(fā)現(xiàn)隨SOA在(NH4)2SO4顆粒上的生成，CCN活性有了較大提高。不同來源和種類的SOA對CCN活性影響不同，由α-pinene生成的SOA比isoprene生成的SOA對顆粒CCN活性增強作用更加顯著。而隨有機物體積分數的升高，SOA-(NH4)2SO4內混粒子的臨界超飽和度也隨之上升。此外，本研究利用Flow tube-DMA-CCNC系統(tǒng)測得干燥速率在5.5±0.9到101±3 RH s-1范