远洋船基及上海地基大气气溶胶理化特性研究

【摘要】：气溶胶的长程距离输送被认为是全球生物地球化学循环的重要途径之一,当气溶胶跨越占全球70.9%面积的海洋时,将会引起海洋上空气溶胶化学特征以及全球生物地球化学循环的改变。沿海城市群由于经济快速发展和人口的激增带来了众多的大气环境问题。我国主要灰霾区域就是分布在沿海地带的珠江三角洲、长江三角洲和环渤海区域。上海作为长江三角洲的经济中心,其空气质量问题已备受关注。在气溶胶的化学和物理特性中,大气颗粒物的数浓度、粒径分布特征可以反映不同环境下大气光化学过程、气团来源性质及地区排放源特征的差异。了解颗粒物的这些性质及其来源有助于深入分析颗粒物对大气辐射平衡、大气化学过程及区域气候的影响,并有助于细颗粒物控制对策的制定。 本研究首先从全球远洋气溶胶船基观测出发,分析大西洋、太平洋、地中海的TSP(总悬浮颗粒物)气溶胶的化学性质,探讨大陆对海洋环境气溶胶化学成分的影响和作用；继而针对船基观测的沿海城市和港口的气溶胶化学特征进行探讨；最后引出中国典型沿海城市上海的气溶胶理化特性研究,以期考察特大城市上海气溶胶粒径范围在10 nm-10μm之间的大气颗粒物的数浓度、粒径分布的季节和日变化特征,并基于数浓度粒径分布特征考察不同污染类型天气下气溶胶的理化性质。 本论文主要成果如下： 1.不同远洋海域TSP气溶胶的化学组成特征：通过2007年9月至2008年4月的两次航程对大西洋、太平洋、地中海等海域TSP气溶胶进行采样分析。结果发现太平洋NSS-SO42·的浓度是两世纪前在太平洋众多岛屿观测结果的1.5倍左右,而NO3-浓度基本维持不变。若将所监测到的硝酸盐浓度(0.12±0.15μg·m-3)作为海洋大气中硝酸盐的背景浓度,其它海域来自陆地源的硝酸盐的比例分别为：82%(航程I中的北大西洋)、89%(航程Ⅱ中的南大西洋)、91%(航程Ⅱ中的北大西洋)和87%(地中海)；两次航程中均出现氯损失现象,平均值从19.0±11.8%到62.1±20.9%不等,主要原因是受酸性物质的置换反应和气溶胶阴阳离子的不平衡造成；通过主因子分析法对五个航段进行源解析后划分为四类主要的污染物来源并进行化学成分重组后结合NAAPS(海军气溶胶分析与预测系统)的模式结果发现,航程I中的北大西洋和太平洋基本反应远洋大气气溶胶的背景情况；南大西洋主要受非洲南部和中部非洲的生物质燃烧的跨半球传输影响；航程Ⅱ中的北大西洋主要受撒哈拉沙尘和非洲中部生物质燃烧的混合影响；地中海区域分别受莫斯科西南方向的生物质燃烧和欧洲的城市工业污染混合气团影响以及撒哈拉沙尘和非洲生物质的混合气团影响。 2.世界11个港口城市的理化特征：通过对两次航程中所经过的11个港口城市的TSP质量浓度和化学组成分析。除太平洋中的塔希提岛,OC、EC在港口城市中显示较高比例,分别在11.1%-46.9%(OC)、1.9%-16.8%(EC)之间。按TSP质量浓度排序为：上海佛得角群岛巴塞罗那伊斯坦布尔里斯本开普敦塔希提奥克兰悉尼瓜亚基尔巴拿马。其中巴塞罗那、伊斯坦布尔、佛得角群岛显示绝对高比例的OC质量浓度；里斯本显示高比例的NO3-；巴拿马则是呈现较高的MSA浓度；瓜亚基尔、奥克兰和新西兰显示较高比例的SO42-；上海是11个港口中无机二次离子SO42-、NO3-、NH4+质量浓度和比例最高的港口城市。 3.上海城区气溶胶数浓度粒径分布的月变化与日变化特征：揭示了上海城区颗粒物在不同粒径范围和模态的数浓度、表面积浓度、体积浓度分布的月变化和日变化特征。发现我国特大城市上海存在高浓度的超细颗粒物,占总数浓度的90%左右。数浓度主要分布在Aitken核模态且具有明显的季节变化特征,总体的趋势是春季冬季秋季夏季。通过对亚微米粒径颗粒物每月数浓度的日平均变化规律进行考察,将上海的颗粒物日变化特征分为以下三种类型：单峰(大气光化学作用对颗粒物的生成和成长过程的推动作用)、双峰(交通源排放影响)、三峰(大气光化学和交通排放源共同作用)。 4.不同污染事件下气溶胶的粒径分布特征：通过对10个月的上海城区颗粒物粒径分布观测中的污染事件进行考察,揭示了清洁天气和污染天气下的颗粒物粒径分布特征,并根据粒径分布特征、气团后向轨迹、气象因素、化学组分等确定了造成城市灰霾的三种基本类型,即二次污染、沙尘肠尘污染及生物质燃烧。其中(1)二次污染型：持续时间较长,一般为3-5天左右；颗粒物集中分布于20-200 nm之间,无明显的颗粒物生成或成长现象；数浓度的主要贡献者为20-500nm粒径范围的颗粒物；质量浓度的百分比则显示粗细颗粒物的贡献值均较高：此类污染数密度、表面积密度和体积密度均呈现较高水平,最高数浓度可达30000-80000 cm-3；(2)沙尘/扬尘污染：一般维持时间较短,且伴有较高的风速和较低的湿度；颗粒物的主要粒径范围为20-100 nm,且数浓度百分比例出现上升；出现颗粒物表面积密度减小,颗粒物总体积浓度(质量浓度)急剧上升的现象；高Mg2+、Ca2+离子浓度,对二次无机离子如SO42-、NO3-、NH4+等具有清洁稀释作用；(3)生物质燃烧污染：颗粒物数浓度无明显变化且主要贡献者是10-100nm粒径范围的颗粒物：500-1000 nm颗粒物的数浓度的显著升高,是造成质量浓度发生急剧升高的原因。 5.春节烟花爆竹燃放事件中颗粒物粒径分布特征：烟花爆竹燃放期间大气气溶胶颗粒物数浓度是平时的3倍左右,并伴有明显的由凝结核模态和小Aitken模态向大Aitken模态和积聚模态转变的现象。通过碰并汇计算结果显示：爆竹燃放期间所有粒径粒子的碰并汇显著升高。其中1 nm和100 nm的粒子碰并汇同一时间最大值高达0.146 s-1和6.98×10-5 s-1。因此,在烟花爆竹燃放期间,l nm和100 nm的粒子在大气中的停留时间分别为秒和小时,从而解释烟花爆竹燃放过程中凝结核模态和Aitken模态粒子的“消失”现象。另烟花爆竹燃放期间计算得到日平均颗粒物密度(PM10)为2.7 g·cm-。颗粒物的密度由于是影响颗粒物在人体肺部沉降的一个关键因素并影响着颗粒物的干沉降过程,从而烟花爆竹燃放颗粒物的高密度特性对人体健康有着重要意义。