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霾及沙尘颗粒物中水溶性无机离子的浓度及其对环境的影响

程萌田  
【摘要】:霾一般是指人类活动释放大量污染物,造成大气中的细颗粒物积聚升高、能见度急剧下降的大气环境现象。霾污染不仅危害人体健康,还对区域环境和全球气候变化造成严重影响,尤其对大气能见度和城市空气质量。沙尘是指地面尘沙被风吹扬至大气中形成的空气混浊现象。严重的沙尘污染源于生态系统退化和土地荒漠化。沙尘过程表现为大气颗粒物中水溶性钙、镁离子浓度显著上升。沙尘随强气流传输到城市区域,在沙尘粒子的催化作用下,会加剧霾污染的形成。城市污染与沙尘结合,是城市霾近年来突发的重要原因之一。 霾及沙尘颗粒物的主要物质成分包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、钙盐和镁盐等,其总质量浓度占细颗粒物(PM2.5)的30~60%。硫酸盐和硝酸盐主要来自于人类化石燃料燃烧排放的SO2和NOx的二次转化;钙、镁、部分钠和钾盐则主要来自沙尘源。通过对霾及沙尘颗粒物中水溶性无机离子的分析研究,为了解人类活动和自然生态系统的交互作用,科学制定区域生态治理综合规划提供指导。 本研究利用中国科学院大气物理研究所自主研发的大气细颗粒物快速捕集及化学成分在线分析系统(RCFP-IC),对北京大气颗粒物中水溶性无机离子的浓度进行了观测研究,阐述了典型霾污染事件和沙尘天气中水溶性无机离子的演变过程及自然源与人为源交互影响特征,为进一步生态环境效应的研究奠定了一定基础。研究结果表明:1、典型重霾污染过程监测分析结果 2011年2月18~24日北京出现了一次持续的强霾污染过程。20~23日4d重霾污染过程中SO42-、NO3-和NH4+(简称SNA)3种二次离子质量浓度高达137μg m-3,占总水溶性无机离子质量浓度的91%。而钙离子和镁离子浓度很低,仅为2.2μg m-3。由于二次离子的消光作用极强,导致霾污染过程大气能见度极具降低。冬季采暖燃烧排放前体物SO2、NOx和NH3通过大气光化学转化生成的SNA及以燃烧直接排放的Cl-和K+占所测定的水溶性无机盐的98%,而Mg2+和Ca2+仅占2%,致霾颗粒物呈酸性。由此可以判定本次污染过程是人为燃烧源排放为主造成的区域大气环境污染,并主要来源于局地排放和短距离区域输送。2、典型沙尘季节监测分析结果 2011年3月,北京有5次较为明显的沙尘污染物积累-清除过程,并呈现出华北地区典型的“慢积累、快清除”的锯齿型周期变化特征。沙尘特征离子Ca2+的月均值达到11μg m-3,最高值达到87μg m-3。北京春季西北冷锋的周期性过境为北京带来了丰富的沙尘源离子。观测期5次污染过程中Mg2+/Ca2+比值2次较高,3次较低,说明沙尘季节沙尘特征离子的富集是由局地扬尘和外来沙尘共同作用的结果。污染过程大气细颗粒物中水溶性离子人为排放来源下降到40%,而自然沙尘源上升到60%。3、典型霾-沙尘复合型污染监测分析结果 北京近年频繁来出现霾-沙尘复合型污染过程。在此类污染过程中颗粒物吸湿增长的粒径段与粗粒径段浓度均呈现大幅上升,钙离子长时间维持在较高浓度。污染最强时段,细粒子中SNA浓度先于沙尘离子升高,但粗粒子强污染峰值过后,随强气流而来的沙尘中的细粒子会继续悬浮在大气中,并被人为排放污染活化,导致对大气环境污染造成持续影响。


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