关键词:
PM1
污染特征
来源解析
霾污染
形成机制
摘要:
大气颗粒物通过影响辐射强迫、大气化学及成云致雨过程,改变地-气系统内部的辐射能量收支与水循环,对全球气候变化产生重要的影响。此外颗粒物在空气污染所产生的健康效应中扮演非常重要的角色。近年来,我国空气污染加剧,能见度不断降低,严重雾霾天气连续大规模爆发使得大气颗粒物及其所造成的雾霾污染成为国内外广泛关注的焦点。然而目前的雾霾形成机制研究大量集中在PM1o与PM2.5(空气动力学粒径分别≤10μm与2.5μm的颗粒物),亚微米级颗粒物(PM1、空气动力学粒径≤1μm的颗粒物)的研究较少。PM1由于其较小的粒径,对霾污染的形成及健康效应的影响比PM1o与PM2.5更为重要。例如粒径为0.1-1μm的颗粒物具有最高的消光效率,对能见度的影响最为显著;小粒径的颗粒物能够进入到肺部甚至血液中造成更严重的健康问题。所以理解PM1的理化性质、演化过程、来源及其光学特性对于探究霾污染的形成与大气颗粒物污染防治至关重要。本研究利用在线气溶胶及气体检测系统(MARGA),首先对2012年7月至2013年5月近一年上海市大气亚微米级颗粒物(PM1)高分辨率(1小时)的浓度水平、水溶性离子的污染特征、及相关气态污染物的季节变化/日变化及来源方面利用多种统计手段和分析方法进行分析。然后探讨环境条件对二次无机成分生成与演化的影响。继而引出PM1中NH4NO3气粒转化过程对能见度/颗粒物消光特性的重要作用,并分PM1中主要成分与消光系数的定量关系。最后对2013年1月与12月初两次极其严重的雾霾事件中上海大气的污染特征与形成机制进行分析,并从PM1与气态污染物角度对比了两年春节期间密集燃放烟花爆竹对空气质量的影响。以期考察我国特大城市上海的亚微米级颗粒物(PM1)的长期污染特征与主要来源,探究霾污染形成机制,为大气颗粒物污染的防治对策的制定提供重要参考。本研究取得了以下几个方面的重要结论与成果:1、上海市大气亚微米级颗粒物(PM1)的长期污染特征与来源解析:(1)全年污染特征与来源:上海市PM1浓度范围在1.50-190.10μg/m3,平均值为28.14±23.12μg/m3。其中总水溶性离子(TWSI)约占PM1质量浓度的60.81%。PM1中水溶性离子主要由NH4+、SO42-、NO3-、Cl-组成。贡献分别为S042-(22.78%)>NO3- (16.37%)>NH4+(13.52%)>Cl- (3.20%)。PSCF来源解析结果表明,PM1及其水溶性离子污染物来源很相似。主要来源分布在江苏全省、安徽中西部、浙江北部与山东南部地区。SO42-的区域尺度来源明显且集中,N03-在上海市区、近周边及区域范围均有显著来源。(2)季节变化与各季节气团来源聚类分析:上海市大气PM1的污染水平冬季>秋季>春季>夏季。各季节总水溶性离子(TWSI)的占比(56.80-64.62%)与污染水平呈相反变化趋势。说明TWSI在污染条件下仍有相当的占比,但贡献随着污染的增加而降低。各季节NO3-均表现为随着颗粒物污染程度的增加而上升,在春秋冬三季污染时段均超过SO42-的质量贡献,成为最主要的水溶性污染物。受海上气团控制时上海市空气质量良好,SO42-占比较高,其中夏季最明显。其他季节来自江苏山东等地的气团多伴随相对较高的污染,表现为较高的NO3-占比。上海市全年PM1平均RC/A为0.942±0.116,呈弱酸性。各个季节的PM1的RC/A变化为春季>冬季>秋季>夏季。各季节PM1中和程度均随PM1浓度的上升而升高。来源于海上的PM1中和程度较低而来源于内陆的PM1中和程度较高。2、环境条件对PM1中二次无机离子的生成与演化有重要影响:(1)硫氧化率SOR的平均值夏季(0.64±0.20)>秋季(0.37±0.23)>春季(0.32±0.18)>冬季(0.20±0.10)。SOR随着RH的升高而增加表明气溶胶水、云滴、雾滴中的液相化学过程对SO42-的形成具有重要的作用。同一相对湿度下,较高的温度往往伴随着较高的SOR,说明高温条件下SO2与OH自由基等气相氧化过程对SO42-的形成有重要的影响,特别在秋季远超过RH增长带来的影响。(2)PM1中的NO3-与Cl-主要以NH4NO3与NH4Cl存在。NH4NO3与NH4Cl的半挥发性质相似。相对湿度与对两者的气粒分配均有显著的影响。RH<50%情况下,两者大量分解,此时相对湿度的变化对气粒分配影响不大。随着相对湿度的增加,气-粒转化强度不断增强,RH>70%时,该转化强度超过干燥条件下(RH<30%)的1倍以上。低温也促进气-粒转化过程,T<17℃时,该气-粒转化强度较20℃时的转化强度上升超过1倍。高温则增强半挥发性物质的分解作用。3、PM1中半挥发性无机成分对气溶胶含水量与光学特性有重要影响:(1)干净天气下NH4