遠(yuǎn)洋船基及上海地基大氣氣溶膠理化特性研究.pdf

1、氣溶膠的長(zhǎng)程距離輸送被認(rèn)為是全球生物地球化學(xué)循環(huán)的重要途徑之一,當(dāng)氣溶膠跨越占全球70.9％面積的海洋時(shí),將會(huì)引起海洋上空氣溶膠化學(xué)特征以及全球生物地球化學(xué)循環(huán)的改變。沿海城市群由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人口的激增帶來了眾多的大氣環(huán)境問題。我國(guó)主要灰霾區(qū)域就是分布在沿海地帶的珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲和環(huán)渤海區(qū)域。上海作為長(zhǎng)江三角洲的經(jīng)濟(jì)中心,其空氣質(zhì)量問題已備受關(guān)注。在氣溶膠的化學(xué)和物理特性中,大氣顆粒物的數(shù)濃度、粒徑分布特征可以反映不同環(huán)境下大

2、氣光化學(xué)過程、氣團(tuán)來源性質(zhì)及地區(qū)排放源特征的差異。了解顆粒物的這些性質(zhì)及其來源有助于深入分析顆粒物對(duì)大氣輻射平衡、大氣化學(xué)過程及區(qū)域氣候的影響,并有助于細(xì)顆粒物控制對(duì)策的制定。
　　本研究首先從全球遠(yuǎn)洋氣溶膠船基觀測(cè)出發(fā),分析大西洋、太平洋、地中海的TSP(總懸浮顆粒物)氣溶膠的化學(xué)性質(zhì),探討大陸對(duì)海洋環(huán)境氣溶膠化學(xué)成分的影響和作用;繼而針對(duì)船基觀測(cè)的沿海城市和港口的氣溶膠化學(xué)特征進(jìn)行探討;最后引出中國(guó)典型沿海城市上海的氣溶膠理化

3、特性研究,以期考察特大城市上海氣溶膠粒徑范圍在10nm-10μm之間的大氣顆粒物的數(shù)濃度、粒徑分布的季節(jié)和日變化特征,并基于數(shù)濃度粒徑分布特征考察不同污染類型天氣下氣溶膠的理化性質(zhì)。
　　本論文主要成果如下:
　　1.不同遠(yuǎn)洋海域TSP氣溶膠的化學(xué)組成特征:通過2007年9月至2008年4月的兩次航程對(duì)大西洋、太平洋、地中海等海域TSP氣溶膠進(jìn)行采樣分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)太平洋NSS-SO42-的濃度是兩世紀(jì)前在太平洋眾多島嶼觀測(cè)結(jié)

4、果的1.5倍左右,而NO3-濃度基本維持不變。若將所監(jiān)測(cè)到的硝酸鹽濃度(0.12±0.15μg·m-3)作為海洋大氣中硝酸鹽的背景濃度,其它海域來自陸地源的硝酸鹽的比例分別為:82％(航程I中的北大西洋)、89％(航程Ⅱ中的南大西洋)、91％(航程Ⅱ中的北大西洋)和87％(地中海);兩次航程中均出現(xiàn)氯損失現(xiàn)象,平均值從19.0±11.8％到62.1±20.9％不等,主要原因是受酸性物質(zhì)的置換反應(yīng)和氣溶膠陰陽離子的不平衡造成;通過主因子分

5、析法對(duì)五個(gè)航段進(jìn)行源解析后劃分為四類主要的污染物來源并進(jìn)行化學(xué)成分重組后結(jié)合NAAPS(海軍氣溶膠分析與預(yù)測(cè)系統(tǒng))的模式結(jié)果發(fā)現(xiàn),航程I中的北大西洋和太平洋基本反應(yīng)遠(yuǎn)洋大氣氣溶膠的背景情況;南大西洋主要受非洲南部和中部非洲的生物質(zhì)燃燒的跨半球傳輸影響;航程Ⅱ中的北大西洋主要受撒哈拉沙塵和非洲中部生物質(zhì)燃燒的混合影響;地中海區(qū)域分別受莫斯科西南方向的生物質(zhì)燃燒和歐洲的城市工業(yè)污染混合氣團(tuán)影響以及撒哈拉沙塵和非洲生物質(zhì)的混合氣團(tuán)影響。

6、>　　2.世界11個(gè)港口城市的理化特征。通過對(duì)兩次航程中所經(jīng)過的11個(gè)港口城市的TSP質(zhì)量濃度和化學(xué)組成分析。除太平洋中的塔希提島,OC、EC在港口城市中顯示較高比例,分別在11.1％-46.9％(OC)、1.9％-16.8％(EC)之間。按TSP質(zhì)量濃度排序?yàn)?上海＞佛得角群島＞巴塞羅那＞伊斯坦布爾＞里斯本＞開普敦＞塔希提＞奧克蘭＞悉尼＞瓜亞基爾＞巴拿馬。其中巴塞羅那、伊斯坦布爾、佛得角群島顯示絕對(duì)高比例的OC質(zhì)量濃度:里斯本顯示高比

7、例的N03-;巴拿馬則是呈現(xiàn)較高的MSA濃度:瓜亞基爾、奧克蘭和新西蘭顯示較高比例的SO42-;上海是11個(gè)港口中無機(jī)二次離子SO42-、NO3-、NH4＋質(zhì)量濃度和比例最高的港口城市。
　　3.上海城區(qū)氣溶膠數(shù)濃度粒徑分布的月變化與日變化特征:揭示了上海城區(qū)顆粒物在不同粒徑范圍和模態(tài)的數(shù)濃度、表面積濃度、體積濃度分布的月變化和日變化特征。發(fā)現(xiàn)我國(guó)特大城市上海存在高濃度的超細(xì)顆粒物,占總數(shù)濃度的90％左右。數(shù)濃度主要分布在Aitk

8、en核模態(tài)且具有明顯的季節(jié)變化特征,總體的趨勢(shì)是春季＞冬季＞秋季＞夏季。通過對(duì)亞微米粒徑顆粒物每月數(shù)濃度的日平均變化規(guī)律進(jìn)行考察,將上海的顆粒物日變化特征分為以下三種類型:單峰(大氣光化學(xué)作用對(duì)顆粒物的生成和成長(zhǎng)過程的推動(dòng)作用)、雙峰(交通源排放影響)、三峰(大氣光化學(xué)和交通排放源共同作用)。
　　4.不同污染事件下氣溶膠的粒徑分布特征:通過對(duì)10個(gè)月的上海城區(qū)顆粒物粒徑分布觀測(cè)中的污染事件進(jìn)行考察,揭示了清潔天氣和污染天氣下的顆

9、粒物粒徑分布特征,并根據(jù)粒徑分布特征、氣團(tuán)后向軌跡、氣象因素、化學(xué)組分等確定了造成城市灰霾的三種基本類型,即二次污染、沙塵/揚(yáng)塵污染及生物質(zhì)燃燒。其中(1)二次污染型:持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),一般為3.5天左右;顆粒物集中分布于20-200nm之間,無明顯的顆粒物生成或成長(zhǎng)現(xiàn)象;數(shù)濃度的主要貢獻(xiàn)者為20-500nm粒徑范圍的顆粒物;質(zhì)量濃度的百分比則顯示粗細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)值均較高;此類污染數(shù)密度、表面積密度和體積密度均呈現(xiàn)較高水平,最高數(shù)濃度可達(dá)3

10、0000-80000cm-3;(2)沙塵/揚(yáng)塵污染:一般維持時(shí)間較短,且伴有較高的風(fēng)速和較低的濕度;顆粒物的主要粒徑范圍為20-100nm,且數(shù)濃度百分比例出現(xiàn)上升:出現(xiàn)顆粒物表面積密度減小,顆粒物總體積濃度(質(zhì)量濃度)急劇上升的現(xiàn)象;高M(jìn)g2+、Ca2+離子濃度,對(duì)二次無機(jī)離子如SO42-、NO3-、NH4+等具有清潔稀釋作用;(3)生物質(zhì)燃燒污染:顆粒物數(shù)濃度無明顯變化且主要貢獻(xiàn)者是10-100nm粒徑范圍的顆粒物:500.1000

11、nm顆粒物的數(shù)濃度的顯著升高,是造成質(zhì)量濃度發(fā)生急劇升高的原因。
　　5.春節(jié)煙花爆竹燃放事件中顆粒物粒徑分布特征:煙花爆竹燃放期間大氣氣溶膠顆粒物數(shù)濃度是平時(shí)的3倍左右,并伴有明顯的由凝結(jié)核模態(tài)和小Aitken模態(tài)向大Aitken模態(tài)和積聚模態(tài)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。通過碰并匯計(jì)算結(jié)果顯示:爆竹燃放期間所有粒徑粒子的碰并匯顯著升高。其中1nm和100nm的粒子碰并匯同一時(shí)間最大值高達(dá)0.146s-1和6.98×10-5S-1。因此,在煙花爆