不同污染类型下南京气溶胶谱分布特征的观测研究

【摘要】：空气中高浓度的气溶胶粒子可以通过直接或间接作用导致大气能见度下降、灰霾天气增加等环境污染问题,同时可以引发人体呼吸系统和心血管疾病,对人体健康造成危害。气溶胶粒子在大气中的行为取决于组成成分、粒径大小、理化特性等自身特征,尤其是测量颗粒物的粒谱分布,可以分析气溶胶粒子的来源结构以及在大气中的化学、动力学过程等,为改善大气环境污染提供帮助,同时也是探讨气溶胶粒子其他理化特性的基础。 本研究首先对不同型号的气溶胶数浓度测量仪器APS(Aerodynamic Particle Sizer,3321型空气动力学粒径谱仪)、SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer,3081/3085型气溶胶粒径谱仪)以及WPS(Wide-Range Particle Spectrometer,宽范围粒径谱仪)的测量性能进行对比。利用WPS在南京北郊地区观测0.01-10μm气溶胶粒子的粒径分布,结合地面污染气体监测资料、卫星火点遥感资料、地面气象要素资料以及后向轨迹模式等对南京地区清洁背景、灰霾天气背景(分别来源于局地二次污染以及上风向地区秸秆焚烧)、沙尘天气背景下气溶胶的来源、输送路径以及数谱分布特征等进行分析。并讨论南京地区不同季节气溶胶数谱分布的变化及与气象要素的关系。 结果表明,3台仪器在总体数浓度变化趋势上表现出较好的一致性,但相同粒径段的粒子浓度NSmpsNwpsNaps。SMPS比WPS尺度分辨率高,粒径范围在0.02-0.2μm时,SMPS与WPS相关性较好；APS测量气溶胶数浓度谱的连续性较WPS好。3种仪器在观测日变化趋势上都表现出双峰型,但SMPS的峰值浓度和出现峰值的粒径范围均高于或大于WPS。各类气象条件及降水对仪器间的测量误差影响不大。 灰霾天气背景下的两次污染过程积聚模态气溶胶数浓度较高,与该地区之前观测结果比较气溶胶浓度峰值向大粒径偏移。两次过程PM2.1中SO42-/NO3的值分别为1.30和0.99。第一次污染过程受偏东、偏南方向局地排放源的影响,≤0.1μm的气溶胶粒子逐渐累积。第二次污染过程主要受东北方向短距离输送与西南方向局地排放的混合影响,尤其是来自偏南方向气溶胶数浓度较高,≥0.11μm粒子尤为明显,说明秸秆焚烧的排放源主要来自此方向。 对2011年5月的一次沙尘过程进行分析,认为该过程起源于蒙古国南部和内蒙古中部,向东南方向经北京山东等地影响南京。沙尘过程发生前本地污染严重,主要为小于0.08μm的超细粒子；沙尘过程发生时和结束后主要以大于0.5μmm的粗粒子为主。与该季节其他污染日和清洁日对比可以发现,南京地区受沙尘、局地污染等污染过程影响的气溶胶数浓度比该地区清洁背景下气溶胶数浓度的高出5倍左右。在局地污染影响下,气溶胶日变化呈现出明显的双峰型,两个峰值分为位于上午10：00和傍晚20：00左右。沙尘和降水对日变化影响较大,干、湿清除过程会影响气溶胶浓度峰值出现的时间。 气溶胶数浓度和谱分布特征存在明显的季节性差异。春季粗模态粒子浓度较高,夏季核膜态粒子浓度较高,秋季积聚模态粒子浓度较高,冬季小于1μm粒子浓度值普遍较高。这与不同季节南京地区气象场差异明显相关。气溶胶数浓度谱在春、夏、冬三季呈单峰型结构,峰值集中在0.02～0.05μm的超细粒子,峰值浓度冬季春季夏季。秋季气溶胶数浓度谱呈双峰型结构,两个峰值分别位于0.05μm和0.1μm。受边界层变化及人为活动影响南京地区0.01～10μm范围气溶胶总体日变化呈双峰型,但各个模态气溶胶分布有所差异。夜晚的浓度峰值一般出现在18：00左右,白天浓度峰值春、夏季节出现在中午12：00,秋、冬季节一般出现在上午10：00。