華北地區(qū)氣溶膠理化特性、來(lái)源解析及實(shí)驗(yàn)室模擬.pdf

1、近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，華北地區(qū)大氣污染逐漸惡化，尤其是大氣細(xì)顆粒物(PMz5)污染導(dǎo)致灰霾事件頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了人們的生活和公共安全。因此對(duì)該地區(qū)區(qū)域性大氣氣溶膠特征的研究有利于了解高污染地區(qū)氣溶膠形成機(jī)理，也為國(guó)家制定區(qū)域大氣污染的控制策略提供理論依據(jù)。
　　 本研究分別在華北平原地區(qū)具有代表性的5個(gè)地面站點(diǎn)和華北地區(qū)最高峰的泰山頂峰(高山站點(diǎn)，1534ma.s.l)開(kāi)展了長(zhǎng)期和強(qiáng)化觀測(cè)。采用了多

2、種分析技術(shù)如離線/在線監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)主要的大氣污染物種進(jìn)行了測(cè)量，并利用多種統(tǒng)計(jì)方法及模型如氣流軌跡分析、聚類分析等對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，研究了我國(guó)華北高污染地區(qū)氣溶膠水溶性離子及酸度的污染狀況、時(shí)空變化、來(lái)源解析及相關(guān)的大氣化學(xué)過(guò)程和長(zhǎng)距離輸送特征。另外為了研究更接近于真實(shí)大氣環(huán)境下二次有機(jī)氣溶膠(SOA)的生成機(jī)理，本研究針對(duì)灰霾發(fā)生時(shí)高濕度、高背景顆粒物濃度的特點(diǎn)，利用北卡羅萊納大學(xué)的雙室室外煙霧箱，設(shè)計(jì)并開(kāi)展了不同相對(duì)濕度(RH)及背

3、景氣溶膠條件下甲苯/二甲苯-NOx-HCmix(11種non-SOA-forminghydrocarbon)體系SOA生成的模擬實(shí)驗(yàn)，研究RH和背景氣溶膠對(duì)SOA生成的影響;并在此基礎(chǔ)上建立并驗(yàn)證了新的基于參數(shù)“顆粒物水含量”(H2Op)的甲苯/二甲苯體系SOA生成的精簡(jiǎn)機(jī)理模型。
　　 在華北平原分別選取了3個(gè)具有代表性的內(nèi)陸城市站點(diǎn)(濟(jì)南山大、淄博和棗莊)、1個(gè)郊區(qū)站點(diǎn)(濟(jì)南苗圃)和1個(gè)沿海站點(diǎn)(青島)，進(jìn)行了為期一年的長(zhǎng)期

4、觀測(cè)(2006年1月～2007年2月)。研究表明華北地區(qū)大氣PM2.5水溶性離子污染甚高于其它發(fā)達(dá)國(guó)家，也高于中國(guó)許多地區(qū):總水溶性離子(TWSI)濃度為60.74±40.12μg/m3，約占PM2.5質(zhì)量濃度的一半，其中二次離子包括SO42-、NO3-和NH4+的濃度總和高達(dá)47.50μg/m3，占PM2.5濃度的38.7％;有機(jī)酸平均濃度為0.42μg/m3，約占PM2.5質(zhì)量濃度的0.3％。各站點(diǎn)中棗莊的顆粒物污染最為嚴(yán)重，淄博和

5、濟(jì)南山大站點(diǎn)污染次之，青島沿海站點(diǎn)和濟(jì)南郊區(qū)苗圃站點(diǎn)污染相對(duì)較輕。通過(guò)氣溶膠樣品水溶液的pH值反推獲得了各站點(diǎn)平均PM2.5的酸度為6.40±7.00nmol/m3，其中郊區(qū)站點(diǎn)(濟(jì)南苗圃)氣溶膠酸度明顯高于其它城市站點(diǎn)，淄博和棗莊的顆粒物酸化程度相對(duì)較弱。酸度的季節(jié)變化分析發(fā)現(xiàn)青島夏季酸度明顯低于其它季節(jié)，而其它站點(diǎn)氣溶膠酸度春季最低。利用后推氣流軌跡對(duì)幾個(gè)站點(diǎn)的氣團(tuán)來(lái)源進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)在源自南部和局地氣團(tuán)的影響下的氣溶膠水溶性離子污染

6、較嚴(yán)重，酸度也較強(qiáng);另外在南部氣團(tuán)的影響下，PM2.5中的草酸鹽含量較高。
　　 2007年春、夏兩季在泰山高山站點(diǎn)的強(qiáng)化觀測(cè)中，對(duì)PM2.5水溶性離子進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)其它主要污染物(O3、SO2、NOy等)進(jìn)行了同步測(cè)量。春、夏兩季PM2.5總水溶性離子濃度分別為27.52和36.65μg/m3，表明華北地區(qū)高空存在嚴(yán)重的大氣污染問(wèn)題。夏季SO2的轉(zhuǎn)化率(SOR)(57±27％)是春季的(24±16％)兩倍多，說(shuō)明夏季二次

7、硫酸鹽的大量生成。SO42-、NH4+和NO3-的日變化研究表明春、夏兩季均在下午有一個(gè)寬峰，這與山谷風(fēng)和邊界層的發(fā)展有關(guān)。PM2.5的酸度研究表明春、夏兩季分別有57.2％和81.3％的顆粒物樣品屬于酸性顆粒物，春季PM2.5強(qiáng)酸度(H+strong)和自由酸度(H+air)明顯低于夏季;H+srtong同SO42-、NO3-和NH4+具有相似的日變化趨勢(shì)，H+air同RH及H2Op含量密切相關(guān)，且老化的氣溶膠具有較強(qiáng)的氣溶膠酸度。主

8、因子分析(PCA)來(lái)源解析發(fā)現(xiàn)區(qū)域傳輸、云霧過(guò)程、沙塵事件及生物質(zhì)燃燒是影響該地區(qū)氣溶膠污染的主要因素。并通過(guò)后推氣流軌跡對(duì)該區(qū)域氣溶膠來(lái)源進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)泰山春季主要受到來(lái)自北/西北方向氣團(tuán)傳輸和西部陜西、河南氣團(tuán)傳輸?shù)挠绊懀?dāng)泰山受到低空區(qū)域傳輸和西北高濕度氣團(tuán)影響時(shí)細(xì)顆粒物污染較嚴(yán)重。泰山夏季主要受來(lái)自東/東北方向經(jīng)海洋上空傳輸?shù)臍鈭F(tuán)和來(lái)自西南方向的低空短距離傳輸氣團(tuán)以及西北方向氣團(tuán)的影響，其中受到源自東/東北方向的氣團(tuán)及來(lái)自西南方

9、向低空傳輸氣團(tuán)影響時(shí)PM2.5各水溶性離子污染較嚴(yán)重。
　　 根據(jù)在線離子濃度及其它污染物的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)泰山沙塵、生物質(zhì)燃燒、云霧等各種典型事件的大氣過(guò)程進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)沙塵與污染氣團(tuán)相混合，尤其在濕度較高的天氣條件下，沙塵顆粒能夠提供了較大的反應(yīng)表面積，促進(jìn)非均相反應(yīng)的發(fā)生從而生成大量的二次離子;泰山6月份明顯受到生物質(zhì)燃燒的影響，期間K+和草酸鹽濃度明顯升高;云霧對(duì)泰山氣溶膠的去除作用非常明顯，各水溶性離子的去除效率同PM

10、2.5的質(zhì)量濃度反相關(guān)，同云霧水含量正相關(guān);在對(duì)泰山夏季白天氣溶膠酸度與二次有機(jī)碳(SOC)關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)半數(shù)以上個(gè)例SOC的增長(zhǎng)伴隨著較高的酸度和H2Op含量以及較弱的光化學(xué)氧化活性，說(shuō)明高酸度和液相反應(yīng)對(duì)SOC的生成有重要貢獻(xiàn)，而對(duì)于低酸度SOC增長(zhǎng)的個(gè)例研究發(fā)現(xiàn)氣團(tuán)光化學(xué)氧化活性強(qiáng)，對(duì)SOC的生成起主導(dǎo)作用。
　　 為了研究RH和背景氣溶膠對(duì)SOA的生成的影響，本研究對(duì)四個(gè)體系SOA的生成進(jìn)行了室外煙霧箱模擬:甲苯/鄰/

11、對(duì)二甲苯-NOx-HCmix以及甲苯-鄰/對(duì)二甲苯-NOx-HCmix混合體系。研究發(fā)現(xiàn)(NH4)2SO4-甲苯-NOx-HCmix在低RH(6～10％)條件下生成的SOA明顯低于潮濕環(huán)境(40～90％)，表明種子氣溶膠與高濕度條件同時(shí)存在時(shí)會(huì)有大量SOA生成，即顆粒物水含量(H2Op)可能是影響SOA生成的關(guān)鍵因素;將背景大氣做為種子氣溶膠，模擬真實(shí)大氣環(huán)境下SOA的生成時(shí)，四個(gè)體系均發(fā)現(xiàn)了H2Op對(duì)SOA生成的促進(jìn)作用，其中鄰二甲苯