青岛大气气溶胶水溶性无机离子分布特征研究

【摘要】：本论文于2009年9月~2010年11月，在青岛近海连续采集了大气总悬浮颗粒物（TSP）样品和气溶胶分级样品，运用离子色谱法(IC)分析了大气颗粒物中水溶性阴、阳离子浓度，探讨了青岛大气气溶胶中水溶性离子的组成、季节和粒径分布特征，考察了不同天气条件对其分布特征的影响。 2009~2010年间青岛近海颗粒物浓度的季节变化为春季（均值为407.68μg·m~(-3)）＞夏季（均值为395.67μg·m~(-3)）＞冬季（均值为270.64μg·m~(-3)）＞秋季（均值为254.67μg·m~(-3)）。其中，SO42-、NO_3~-、Na~+和NH_4~+是青岛TSP中水溶性无机离子的主要成分，其质量浓度范围分别为4.55μg·m~(-3)~98.44μg·m~(-3)、2.54μg·m~(-3)~53.61μg·m~(-3)、0.26μg·m~(-3)~22.93μg·m~(-3)、1.25μg·m~(-3)~36.90μg·m~(-3)，这4种离子共占总离子浓度的81.0%。 10种水溶性离子表现出不同的季节变化特征。Na~+在春季的平均浓度最高，夏季略低于春季，秋季最低；NH_4~+的季节变化为冬季最高，秋季最低；K+平均浓度在秋季最高，春季最低；Mg~(2+)与Ca~(2+)均表现出冬季浓度最高，夏季浓度最低的现象；F-的季节变化为冬季春季秋季夏季；Cl~-的季节变化为冬季最高，其次是春季，秋季最低；NO_3~-的季节变化为冬季夏季春季秋季；PO43-浓度为秋季最高，其它三个季节浓度差别不大；SO42-的季节变化为冬季夏季春季秋季，且四季浓度都比其他离子高。 天气过程对颗粒物浓度以及气溶胶中水溶性离子的浓度分布有着很大的影响。其中，颗粒物浓度在晴天时最低，其次是烟雾，再次是雾天和霾，沙尘天气下最高。各特殊天气下TSP中总水溶性离子的质量浓度均高于晴天。5种阳离子在烟雾和霾天气下的平均质量浓度均高于晴天，其中增幅较大的离子均为NH_4~+和K+；雾天除Na~+的浓度有所降低外，其他阳离子均有不同程度的升高，其中增幅最明显的是NH_4~+；沙尘天气下5种阳离子的浓度均高于晴天，增幅较大的离子为Mg~(2+)和Ca~(2+)；5种阴离子在烟雾天气下的浓度均高于晴天，其中浓度较高的离子为NO_3~-和SO42-，增幅较大的离子则为F-、NO_3~-和PO43-；雾天除PO43-的浓度小于晴天，F-浓度与晴天时差别不大外，其他阴离子均有明显增长，其中增幅最明显和浓度较高的离子均为NO_3~-和SO42-；霾天气下5种阴离子的浓度均有不同程度的升高，其中同样为NO~(3-)和SO_4~(2-)两种离子的增幅较大；沙尘天气下5种阴离子的浓度均高于晴天，其中增幅最明显的两种离子为Cl~-和SO_4~(2-)，而浓度最高的两种离子则为NO~(3-)和SO_4~(2-)。 10种离子的年均粒径分布特征规律各不相同。Na~+、Mg~(~(2+))、Ca~(~(2+))、F-、Cl~-、PO_4~(3-)较多的分布于粒径大于2.1μm的粗粒子中，而NH_4~+、K~+、NO~(3-)、SO_4~(2-)则主要存在于粒径小于2.1μm的细粒子中。 10种离子的粒径分布存在明显的季节变化。Na~+四季都集中分布在3.3~4.7μm粒径段，此外，在秋、冬两季，在0.43~0.65μm粒径段的细粒子部分出现了一个比较明显的峰值；NH_4~+和K~+均呈明显的单峰分布，两者在四季的峰值均出现在0.65~1.1μm粒径段；Mg~(~(2+))和Ca~(~(2+))在粗粒子中的分布比例较大，四季峰值均出现在3.3~4.7μm粒径段；F-冬季在3.3~4.7μm出现峰值，而在春、秋两季，峰值则出现在4.7~7.0μm，夏季除了在7.0~11μm出现峰值外，在0.43~0.65μm粒径段也出现一个较小峰值；Cl~-春、夏两季在粗粒子中的分布比例较高，峰值均出现在3.3~4.7μm粒径段，而秋、冬两季则在粗粒子中的分布比例降低；NO~(3-)四季呈双峰分布，分别位于粗、细粒子模态，春季峰值出现在0.65~1.1μm和2.1~3.3μm粒径段，其他3个季节峰值均出现在0.65~1.1μm和3.3~4.7μm粒径段；PO_4~(3-)的分布特征较为复杂，春季和秋季峰值均出现在0.65~1.1μm和2.1~3.3μm粒径段，而冬、夏两季则出现3个峰值；SO_4~(2-)呈明显的单峰分布，主要分布在细粒子中，四季峰值均出现在0.65~1.1μm粒径段。 通过对供暖期和非供暖期水溶性离子粒径分布特征的对比研究发现，K~+、NH_4~+、F-、Cl~-、NO~(3-)、PO_4~(3-)和SO_4~(2-)受供暖期燃煤取暖的影响较大。其中，K~+和NH_4~+无论在供暖期和非供暖期峰值均出现在0.43~0.65μm粒径范围内；相对非供暖期的双峰分布，F-在供暖期变成了呈单峰分布，峰值出现在3.3~4.7μm粒径段；供暖期细粒子中的Cl~-峰值从非供暖期的0.43~0.65μm移动到了0.65~1.1μm粒径段，粗粒子态Cl~-分布在供暖期无明显变化；SO_4~(2-)和NO~(3-)的分布特征十分相似，两种离子在供暖期和非供暖期的峰值均出现在0.65~1.1μm和3.3~4.7μm粒径段；PO_4~(3-)非供暖期较多的分布在粗粒子中，但供暖期变化较大，主要分布于细粒子中。