運用單顆粒氣溶膠飛行時間質(zhì)譜對城市大氣氣溶膠混合狀態(tài)的研究.pdf

1、作為構(gòu)成地球大氣的重要組成部分,大氣中的懸浮顆粒物或氣溶膠對空氣質(zhì)量、區(qū)域、全球氣候變化,人類健康都有很深遠(yuǎn)的影響。在自然大氣環(huán)境中,由于來源不同,演變進(jìn)化和混合狀態(tài)的復(fù)雜性,使得對大氣顆粒物的理化性質(zhì)、來源和形成機(jī)制的分析研究頗具難度。高濃度的排放量以及與多種污染的交叉相互作用,使得我國城市大氣中二次氣溶膠的形成轉(zhuǎn)化機(jī)制更為復(fù)雜,顆粒物的混合狀態(tài)更加多樣化和不可預(yù)測。這些復(fù)雜混合態(tài)的形成很大程度上改變了氣溶膠顆粒的粒徑、化學(xué)成分、吸濕

2、性,吸收和反射輻射的能力等物理化學(xué)性質(zhì),從而顯著改變大氣化學(xué)組成甚至導(dǎo)致氣候變化。因此,單顆粒物混合態(tài)的研究是近年來大氣氣溶膠研究的重點領(lǐng)域和前沿課題。單顆粒氣溶膠飛行時間質(zhì)譜(aerosoltime-of-flightmassspectrometer,ATOFMS)的誕生為顆粒物粒徑和化學(xué)成份的實時在線測量分析提供了強(qiáng)大的手段。利用此技術(shù),我們對過去幾年內(nèi),上海城區(qū)單顆粒物種類、混合狀態(tài)、老化過程、二次氣溶膠形成機(jī)制,源解析等內(nèi)容進(jìn)行

3、了廣泛的分析研究。單顆粒氣溶膠在線分析方法為以上研究的實現(xiàn)提供良好的技術(shù)支持和大量實驗數(shù)據(jù)的積累。
　　本論文主要包括以下四部分工作:
　　(1)顆粒物分類方法及數(shù)據(jù)分析探討。由于ATOFMS數(shù)據(jù)采集量龐大,我們需要強(qiáng)大、有效的數(shù)據(jù)分析方法對其進(jìn)行分析整理。通過對大量實際觀測數(shù)據(jù)的分析整理表明:示蹤離子(Marker)方法和自適應(yīng)共振理論計算(Art-2a)方法均可以合理的運用于ATOFMS的數(shù)據(jù)處理中。目前運用Marker

4、方法,借鑒前人的研究經(jīng)驗,我們將顆粒物分為一次氣溶膠包括:礦塵顆粒氣溶膠(Dust)、海鹽氣溶膠(Sodium)、含碳?xì)馊苣z(Carbon)和生物質(zhì)燃燒氣溶膠(Biomassburning)。除此之外,余下的以含硫酸鹽、硝酸鹽及有機(jī)化合物為主的氣溶膠歸為二次氣溶膠(Secondary)。對比Marker分類方法,根據(jù)Art-2a分類方法得到的質(zhì)譜特征,可清晰的分辨出以上幾類主要一次氣溶膠,二次氣溶膠,并能得到一些特殊質(zhì)譜特征的顆粒物分類

5、,例如含重金屬顆粒物。
　　(2)典型一次組分顆粒物的質(zhì)譜特征分析。從以上對一次氣溶膠的分類中可以看出,在中國,生物質(zhì)燃燒顆粒物,尤其是農(nóng)作物秸稈燃燒排放,在一次源顆粒物占有舉足輕重的地位。通過對中國農(nóng)作物秸稈燃燒實驗室模擬實驗,結(jié)果表明:利用鉀[K]+及鉀的化合物簇團(tuán)[K2Cl,K2Cl]+,[K2SO4]+,左旋葡聚糖的幾類代表離子[CHO2]-、[C2H3O2]-、[C3H5O2]-和有機(jī)氮示蹤峰[CN]-的優(yōu)化排列組合,可

6、以很準(zhǔn)確的從自然大氣顆粒物中區(qū)分出中國農(nóng)作物秸稈燃燒排放的典型生物質(zhì)氣溶膠,結(jié)果表明,水稻秸稈燃燒與玉米秸稈燃燒顆粒物的質(zhì)譜特征沒有本質(zhì)區(qū)別。在本實驗中,示蹤離子分類方法和Art-2a分類方法的結(jié)果一致,用此方法找到的典型生物質(zhì)燃燒顆粒物占總模擬實驗得到顆粒物總數(shù)的88％。
　　(3)重要二次組分顆粒物形成機(jī)制研究。在了解了一次源氣溶膠分類和典型一次源質(zhì)譜特征的基礎(chǔ)上,本研究著重探討典型二次組分有機(jī)顆粒物一含草酸顆粒的形成機(jī)制以及

7、與一次源顆粒的混合狀態(tài)。通過對2007年夏季上海地區(qū)含草酸顆粒物的單顆粒質(zhì)譜分析表明:超過20％的含草酸顆粒物都來自生物質(zhì)燃燒排放,說明上海地區(qū)夏季含草酸顆粒物的主要一次源為生物質(zhì)燃燒排放。對于含草酸顆粒的二次源研究,我們通過對含草酸顆粒物與含硫酸顆粒物的相關(guān)性以及它們平均數(shù)濃度的日變化分析得出,云霧過程是二次含草酸顆粒物的重要形成機(jī)制。此外,根據(jù)含草酸顆粒物在礦塵氣溶膠與海鹽氣溶膠中的富集,以及它們平均數(shù)濃度日變化圖與夜間濕度峰值一致

8、的情況,推斷出氣溶膠的表面非均相化學(xué)反應(yīng)也是含草酸顆粒物的重要二次來源。
　　(4)顆粒物混合狀態(tài)及其環(huán)境影響?；谇叭糠值难芯抗ぷ?本章將全面探討氣溶膠混合狀態(tài)和演變過程對環(huán)境的影響,主要考察對能見度的影響。通過對2008年冬季典型灰霾天氣條件下顆粒物混合狀態(tài)的分析研究,結(jié)果表明,含碳顆粒物較之其他顆粒物在總顆粒物中所占比例最高。對于灰霾天氣和非灰霾天氣條件下,無論顆粒數(shù)濃度,還是每一類顆粒在總顆粒數(shù)中所占的比例都沒有顯著變化