中国特大城市气溶胶的理化特性、来源及其形成机制

【摘要】： 本博士论文利用2003-2008期间在上海、北京、青岛等大城市以及在榆林、多伦、乌鲁木齐、塔中等沙尘源区共七处采样点近五年的气溶胶监测数据,采用富集系数、元素／离子特征比、后向轨迹以及包括因子分析和相关性分析在内的多种统计学析方法,系统全面地研究了以上海为代表的中国特大城市气溶胶的化学组成、时空分布、粒径变化、存在形式、来源、形成机制及其与长途传输而来的沙尘气溶胶的相互混合和组分转化而产生的对区域大气环境质量的重大影响。本研究的主要成果有： 1.深刻揭示了高浓度细颗粒物、长时间灰霾和严重酸雨是上海空气污染的三个典型特征。从2001年到2009年间,每年灰霾发生的天数都超过了150天。在过去的十几年中,上海降水的pH值呈现出剧烈的下降趋势,年平均酸度提高了20多倍。细颗粒物PM25的年平均浓度高达0.050-0.059mg/m3,超过国际卫生组织年平均值标准0.015 mg/m3的3-4倍。2004年PM2.5/TSP的年平均值达到了0.41,到2007年则达到了0.53,呈逐年增长趋势。说明了上海的细颗粒物污染程度极其严重。 2.详细阐明了上海气溶胶在不同季节的不同形成机制。二次无机气溶胶(SO42-、NO3-、NH4+),有机气溶胶,矿物气溶胶是上海大气气溶胶里最主要的三大组分。气溶胶呈现显著的季节变化特征,其浓度在冬季和春季达到最高值,而在夏季和秋季呈现最低值。夏季和秋季的主要离子的存在形式是(NH4)2SO4和NH4NO3,在春季和冬季则受沙尘和扬尘的影响,除这两者外还存在CaSO4和Ca(NO3)2。春季长途传输而来的外地沙尘气溶胶、夏季光化学转化、秋冬季形成严重灰霾是特大城市上海气溶胶在不同季节具有的不同特征及其不同的形成和转化机制。 3.全面分析了上海大气颗粒物污染的主要来源。包括道路扬尘的沙尘气溶胶、工业和汽车尾气的复合源、石化燃料和燃油的排放、冶金工业的排放、海洋源以及大量的光化学转化形成的二次污染气溶胶是上海大气颗粒物污染的主要来源。通过Ca2+/Al示踪揭示了气溶胶中土壤尘和建筑尘的混合程度并显示了上海建筑活动对空气质量的重大影响。通过NO3-/SO42比值的变化显示了以机动车为代表的硫、氮流动源和工厂排放的固定源的相对重要性。上海气溶胶中NO3-/SO42比值远高于中国其他城市,揭示了上海城市机动车已成为上海大气污染的关键问题。以海盐Na+和非海盐Na+的比值区分并估算了上海气溶胶的海洋源和陆地源。海洋源对离子的年平均贡献比率在TSP和PM2.5中分别为8.9%和7.1%,在夏季高达15.4%和9.9%。 4.深入探讨了上海禁止使用含铅汽油以来大气中高浓度铅的可能来源。全面阐述了上海大气中铅的污染水平、空间分布、季节变化和粒径分布,铅在细颗粒物中的浓度在过去的几年一直维持在50-200ngm-3,并且呈现明显的季节变化。 5.揭示了长途传输而来的外来源与上海本地源的混合和转化机制。通过Mg/Al区分并估算了上海矿物气溶胶的本地源和外来源。春季沙尘暴期间其贡献量高达60%,秋季矿物气溶胶外来源约占10%。揭示了上海有史以来有记录的最大沙尘暴的组成、来源及其组分转化机制以及沙尘气溶胶对污染物转化和积聚的重大作用。沙尘期间高浓度污染物可能来自长距离传输过程中矿物气溶胶与沿途污染源排放的污染气溶胶的混合或沙尘暴入侵气团与上海当地污染气团之间的交汇叠加。