珠江三角洲二次气溶胶的特征及其对能见度的消光作用
利用气溶胶膜采样(filter sample)、实验室离子色谱法(ion chromatogram)与热-光透射法(Therm-optical transmission)得到珠三角2007-2008年气溶胶成分谱分析;利用OC/EC最小比值法推算一次与二次有机碳气溶胶,估算二次气溶胶份额及其对能见度的消光作用.分析结果表明二次气溶胶的质量份额约占PM2.5总质量的50%;OC/EC比值均大于2,二次有机碳生成的特征明显;二次有机碳与硫酸盐的份额相当,在相对污染的情况下二次气溶胶有明显的富集.在干环境下,二次气溶胶的消光权重为59%,高湿( RH=95% )环境下二次气溶胶的消光份额可达82%,气溶胶的湿度增长效应导致能见度下降明显,在相对污染情况下二次气溶胶占有更大的消光份额. 二次气溶胶、碳气溶胶尤其是二次有机碳气溶胶的问题突出,二次气溶胶形成机理与来源分析是目前珠三角能见度控制的关键.美国 IMPROVE能见度参数化方案可供参考但不能直接应用于珠三角地区。

 

本文利用观测得到的气溶胶成分谱重点分析不同组分对能见度的消光作用,尤其是二次气溶胶的消光作用,以及不同污染程度、不同相对湿度情况下不同组分的富集与消光份额,为珠三角大气气溶胶污染与能见度控制提供科学依据.

摘要:利用气溶胶膜采样(filter sample)、实验室离子色谱法(ion chromatogram)与热-光透射法(Therm-optical transmission)得到珠三角2007-2008气溶胶成分谱分析;利用OC/EC最小比值法推算一次与二次有机碳气溶胶,估算二次气溶胶份额及其对能见度的消光作用.分析结果表明二次气溶胶的质量份额约占PM2.5总质量的50%;OC/EC比值均大于2,二次有机碳生成的特征明显;二次有机碳与硫酸盐的份额相当,在相对污染的情况下二次气溶胶有明显的富集.在干环境下,二次气溶胶的消光权重为59%,高湿( RH=95% )环境下二次气溶胶的消光份额可达82%,气溶胶的湿度增长效应导致能见度下降明显,在相对污染情况下二次气溶胶占有更大的消光份额. 二次气溶胶、碳气溶胶尤其是二次有机碳气溶胶的问题突出,二次气溶胶形成机理与来源分析是目前珠三角能见度控制的关键.美国 IMPROVE能见度参数化方案可供参考但不能直接应用于珠三角地区。

关键词:气溶胶成分谱  二次气溶胶  有机碳气溶胶  吸湿增长因子  消光

城市化进程导致的大气气溶胶污染及其环境气候效应是当今大气环境研究的热点.中国城市大气污染呈现大区域特征.在城市污染边界层中,高浓度的气溶胶显著降低大气的能见度,不仅对城市的经济活动和市民生活带来显著影响,并造成城市景观的负面影响;微米级的气溶胶粒子对人的呼吸系统产生重要影响,危害人类健康.城市的光化学烟雾(O3/二次气溶胶)促使城市霾多发,能见度降低等环境恶化现象已越来越受到关注.珠江三角洲城市群的人口增长、城市化排放的大量污染气溶胶已引起区域地表辐射与城市物质化学循环的扰动变化. 珠三角广州自80 年代初开始能见度急剧恶化导致霾天数增加.珠江三角洲区域能见度恶化与该地区的城市化密切相关.影响大气能见度的因素很复杂,从科学上主要有:大气气溶胶粒子数浓度及谱分布,气溶胶的化学组分,空气分子散射,污染性气体的吸收.

大气气溶胶的成分谱可以分为三大类:水溶性成分(硫酸盐、硝酸盐、铵盐、海盐等)、碳气溶胶(OC/EC)和地壳元素(Si、Al、Fe等),一般认为大部分地壳元素气溶胶存在于粗粒子,而大部分水溶性成分气溶胶与碳气溶胶存在于细粒子.非直接自然排放或人为活动排放而是由于化学转换(与光化学反应有关)生成的气溶胶称为二次气溶胶,主要是指硫酸盐、硝酸盐、铵盐与二次有机碳气溶胶.由于二次气溶胶的形成与化学转化、凝结、核化过程紧密联系,这些过程发生的粒子峰值直径处于核模与积聚模的区间,二次气溶胶形成机理非常复杂,硫酸盐气溶胶与化石燃料的燃烧排放密切关联,硝酸盐气溶胶与汽车排放密切关联,二次有机碳气溶胶的形成更涉及复杂的人为与自然源,在这些二次气溶胶形成的过程中不但涉及复杂的光化学过程,更涉及二次气溶胶形成过程中的凝结、核化、均相、异相等复杂的物理化学过程,其中有机气溶胶(由数百种碳氢化合物及其氧化物组成的混合物),特别是伴随光化学反应的二次有机碳气溶胶问题是目前研究的热点与难点,通常只有碳数在7以上的有机物才能生成二次有机碳气溶胶.由于有机气溶胶在组分、测量、成因、来源等方面的复杂性,以及它们在大气光化学烟雾、酸沉降等过程中的重要作用,有机气溶胶日益成为大气污染控制的关键污染物和控制难点.高浓度细粒子与强大气氧化性是中国城市严重大气复合污染的两大重要特征,中国一个新的研究动态是对区域城市群大气气溶胶污染形成机制与能见度恶化影响因子力求进一步的认识. 近年的观测研究表明珠三角城市群气溶胶污染主要是细粒子污染,PM2.5/PM10 均大于0.65、PM1/PM2.5均大于0.86、PM1/PM10均大于0.56以上,城区PM10的日变化会体现出中午前后光化学反应生成的二次气溶胶的影响.造成可见光大幅度衰减的主角是以粒径小于1μm的大气气溶胶粒子群,这些是属于核模态与积聚模态的气溶胶,决定气溶胶辐射特性的是气溶胶的成分谱特征,珠三角以往的研究中对导致能见度恶化的气溶胶成分谱的分析研究几乎是空白.

利用滤膜和抽气泵相连接的采样器可收集大气气溶胶样品,经称重与实验室化学分析可得到气溶胶的质量浓度与成分谱.我们以往在华南多次进行过气溶胶的膜采样以分析水溶性成分谱,近年开展了碳气溶胶的观测研究.为了更加全面认识目前珠三角快速城市化情况下的污染水平,有必要深入了解珠三角城市群的大气气溶胶成分谱,尤其是二次气溶胶的份额与来源分析.因此,自2007年7月以来我们联合香港科技大学在广州进行每6天一次的气溶胶膜采样(采样地点在广东省气象局业务大楼楼顶,距离地面约70m),至2008年3月取得了42组膜,除2007年7月只有2组样品外,每月均有5组样品,切割头为PM2.5,称重与化学分析由香港科技大学完成,气溶胶化学成分分析主要针对水溶性成分(硫酸盐、硝酸盐、铵盐、海盐等)与碳气溶胶(OC/EC),用离子色谱法测定水溶性成分,用热-光透射法(TOT)分析OC、EC.本文利用观测得到的成分谱重点分析不同组分对能见度的消光作用,尤其是二次气溶胶的消光作用,以及不同污染程度、不同相对湿度情况下不同组分的富集与消光份额,为珠三角大气气溶胶污染与能见度控制提供科学依据.

 

         

图1   元素碳与有机碳质量浓度的月变化

 

 

     

        图2 广州PM2.5气溶胶平均成分谱与二次气溶胶质量权重

 

 

图3 广州PM2.5气溶胶平均成分谱与二次气溶胶的消光权重(RH =95% )

 

图 4  能见度仪监测与IMPROVE公式计算: (a) 消光系数比较 (b)能见度比较

 

 

详细论文信息:

Deng X J*, Wu D , Yu J Z, et al. Characterizations of secondary aerosol and its extinction effects on visibility over Pearl River Delta Region. Journal of the Air & Waste Management Association, 2013,63(9):1012–1021,DOI: 10.1080/10962247.2013.782927

作者:www.itmm.gov.cn   编辑:www.itmm.gov.cn   来源:www.itmm.gov.cn   时间:2014/6/17 15:34:56   点击率:3591