中國典型地區(qū)碳質(zhì)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(zhì)氣溶膠是其中的主要組分。大氣碳質(zhì)氣溶膠對全球氣候變化、太陽輻射平衡、溫室效應(yīng)、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(dǎo)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(zhì)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(jì)南

2、、青島、淄博和棗莊等典型城市分別設(shè)立4個城區(qū)和1個郊區(qū)(濟(jì)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(zhì)氣溶膠進(jìn)行了連續(xù)觀測。對區(qū)域范圍內(nèi)城市及邊界層大氣氣溶膠和碳質(zhì)氣溶膠的污染特征和時空分布進(jìn)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(jìn)行了研究。此外，本研究還考察了云霧對碳質(zhì)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(jié)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(jì)南市區(qū)、濟(jì)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(zhì)氣溶膠濃度都高于國內(nèi)外其它城市和背景站觀測濃度，而且濟(jì)南城區(qū)長期觀測結(jié)果顯示PM2.5和碳質(zhì)氣溶膠濃度都呈現(xiàn)緩慢增長趨勢。PM2.5和碳質(zhì)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(zhì)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(jié)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(nèi)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(zhì)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(nèi)有機污染物排放量較大，碳質(zhì)氣溶膠污染較重。
　　 對碳質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(nèi)污染物的傳輸，而來自自由對流層的干凈氣團(tuán)中碳質(zhì)氣溶膠濃度較低。高濃度

6、的SVOC與云霧過程相關(guān)，并且由光化學(xué)氧化和液相反應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(nèi)。
　　 分別利用EC約束示蹤法和改進(jìn)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(jìn)行了測算，結(jié)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(jié)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(nèi)較高的SOA

8、通量和前體物排放量。對SOC和光化學(xué)壽命關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，NV-SOC和SV-SOC與光化學(xué)壽命關(guān)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(xué)壽命呈正相關(guān)關(guān)系，而SV-SOC則表現(xiàn)出單峰形態(tài)，說明隨光化學(xué)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(zhuǎn)化的動態(tài)平衡控制。夏季更加老化的氣團(tuán)中NV-SOC與光化學(xué)壽命的關(guān)系不明顯，而SV-SOC則繼續(xù)向不揮發(fā)性組分轉(zhuǎn)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(shù)常數(shù)KNVOC和KEC，以及SVOC的生成速率常數(shù)JSVOC和匯機制常數(shù)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(nèi)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(xué)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(zhì)的影響，結(jié)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?jǐn)?shù)的升高，SOA-(NH4)2SO4內(nèi)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