北京及周边地区大气气溶胶的质量浓度和无机组分的特征及其来源研究

【摘要】： 我国多数城市PM10的质量浓度居高不下,是城市大气复合污染中的首要污染物。水溶性离子和金属元素是气溶胶的重要组分成分,它们在不同粒径范围内的质量浓度及分布规律可表明二次粒子的来源及形成规律,可以用于分析研究原生粒子的不同排放源及其化学成分组成特征,研究结果不仅可用于气溶胶粒子对气候和环境变化影响的进一步研究,而且可以用于细粒子对人体健康危害研究的初始科学依据。 本研究利用环境颗粒物监测仪(RP 1400a),2004年3月~8月在北京市区和香河、2004年10月~2006年12月在北京325m气象塔3个不同高度、2006年8月~12月在北京市区和天津市区及区域大气背景站兴隆,对大气中的PM2.5和PM10浓度变化进行了连续观测;2004年9月在北京325m气象塔,利用Andersen大气颗粒物分级采样器分别采集了3个不同高度的气溶胶样品;2006年8月~9月在天津255m气象塔的3个不同高度进行了与北京相同的膜采样;2006年6月1日~30日,在泰山日观峰顶(海拔1536m)对不同粒径的大气气溶胶分昼夜进行了连续30天的采样。样品化学成分分别用离子色谱(IC,美国戴安公司ICS-90)和电感耦合等离子体/质谱仪(ICP/MS,美国安捷仑公司7500a)分析了气溶胶中的水溶性无机离子成分和元素组成。 观测期间,北京市区大气中PM10的浓度是背景区域大气的1.6倍。2004~2006年北京市区PM10平均浓度依次为151、144和162μg·m-3,超过国家二级标准44~62%;PM2.5/PM10的年平均比值为46.3%、49.6%、50.5%,高值一般出现在大气光化学反应强烈的夏季,三年夏季的平均值为70±8%。冬季化石燃料燃烧取暖和秋季的稳定天气过程也往往造成大气中细粒子比例增大,PM2.5/PM10值升高;城市区域与背景区域的大气气溶胶日变化特征明显不同,除受日夜交替引起的大气边界层结构变化影响外,市区的日变化明显受人为活动强度变化的影响,表现出典型的城市特征。背景区域日变化则主要受自然大气物理变化过程的影响。观测结果表明,北京秋季近地层8m~80m大气气溶胶混合均一,但与240m相比浓度有明显分层结构,特别是夜晚,240m高度的PM2.5和PM10分别低于80m观测值的15%和29%。夜晚100m~200m的强逆温层可能是阻碍近地层气溶胶垂直混合的重要原因。 水溶性无机盐分析研究结果表明,北京、天津、泰山大气气溶胶粒子中,表征二次粒子化学组成的SO42-、NH4+、NO3-、K+的浓度在空气动力学直径0.43~1.1μm的粒径范围内出现峰值,Ca2+、Mg2+的浓度在4.7~5.8μm的粒径范围内出现峰值,Na+、Cl-的浓度在0.65~1.1μm和4.7~5.8μm的两个粒径范围内出现峰值。表征二次粒子组成的化学成分高值均出现在1.1μm的超细粒子模态中;北京气象塔观测结果表明,二次粒子峰值出现从“凝结模态”向“液滴模态”移动的趋势,湿度变化可能是驱动液滴模态转变的重要动力。表征二次粒子的化学成分,具有随着高度上升浓度増加的趋势。钙、镁水溶性盐在80m出现高值,而钾、钠、氯离子的垂直分布比较均匀;泰山观测期间,硫酸盐质量浓度高值出现在0.5~0.8μm的中位粒子直径范围,属于“液滴模态”,SO42-、NH4+、NO3-、K+浓度变化剧烈,其它离子浓度变化不大。来自泰山南方的潮湿气团是形成二次粒子高值的原因。 北京、天津、泰山大气气溶胶化学元素组成的研究结果表明,Ca、Fe、Al、Mg、Ba、Sr、Zr在3.3~5.8μm的粒径范围出现峰值,K、Pb、As、Cd在0.65~1.1μm的粒径范围出现峰值,Zn、Sn、Cu、Ni在0.65~1.1μm和3.3~5.8μm的粒径范围出现双峰,Na、Mn、V在各粒径分布比较均匀。环境污染型元素也集中出现在粒径1.1μm的超细粒子中;北京的气象塔梯度观测结果表明,Al、Ca、Fe、Mg等地壳元素的浓度在离地面高度80m处出现高值,K、Pb、As等人为污染源排放的元素浓度垂直分布比较均匀。泰山观测期间,来自北方的干燥气团易造成气溶胶粒子中Mg、Al、Mn、Fe等地壳元素浓度升高,而来自南方的气团易造成Zn、Pb等污染元素的浓度升高。