京津冀地区亚微米气溶胶特征及其变化的观测分析研究

论文摘要

大气亚微米气溶胶的物理化学特性是认识区域尺度大气颗粒物引起大气能见度下降,造成灰霾天气,云凝结核形成等的基础。亚微米气溶胶及其化学组份的质量浓度和粒径分布特点的观测研究,是理解二次气溶胶形成、变化过程,探讨灰霾成因不可缺少的条件。京津冀地区作为我国华北区域高污染环境的代表,了解该地区亚微米气溶胶的形成和变化过程,研究区域灰霾的成因,制定区域污染的防控措施是解决其大气污染问题的关键。本论文的研究工作分别在北京,固城和武清三个观测点,利用国际先进的大气气溶胶化学组份、粒径分布以及数谱分布观测系统,对高污染背景-京津冀地区亚微米气溶胶进行高时间分辨率,长期,连续的观测。归纳该区域亚微米气溶胶及其化学组份的整体浓度水平,分析有机气溶胶的形成及其来源,研究新粒子生成事件中二次气溶胶形成、变化过程,探讨气溶胶老化过程与区域灰霾形成的联系。为气候变化模式的完善,粒子核化与增长模式的建立与评价提供数据和理论支持。北京观测点从2007年6月至2009年6月开展了亚微米气溶胶理化特性的长期、系统观测。固城分别在2006年12月和2007年5月开展两次观测实验,武清在2009年7,8月进行了相应的观测实验。观测结果显示,京津冀地区亚微米气溶胶及其化学组份在浓度水平上变化很大,平均浓度水平明显高于发达国家浓度水平。其中北京亚微米气溶胶平均浓度为60μg/m3,有机物27μg/m3,硫酸盐13μg/m3,硝酸盐11μg/m3,铵盐7μg/m3,氯化物1.5μg/m3。固城冬季气溶胶平均浓度达79μg/m3,春季平均浓度为24.4μg/m3。武清夏季气溶胶平均浓度20μg/m3,明显低于北京夏季平均浓度。所有观测事实显示有机物在大气气溶胶中占有较高的比例。亚微米气溶胶化学组份质量浓度的日变化特征表现为傍晚到凌晨高,白天偏低。在北京,有机物中午出现浓度峰值,固城和武清没有发现类似的现象。气溶胶及化学组份的粒径分布特点显示出四季均以粒径小于2.5微米的细粒子为主,北京冬季气溶胶超细粒子占的比重较其他季节偏多,而有机气溶胶的粒径分布范围较无机气溶胶要宽。气象条件对亚微米气溶胶质量浓度和粒径分布特点具有一定的影响。稳定的气象条件有利于亚微米气溶胶的累积,降水对气溶胶质量浓度具有非常明显的去除效果,风速增加对气溶胶质量浓度的降低作用明显。环境有机气溶胶按其来源不同大体分为碳氢类有机气溶胶,部分氧化有机气溶胶和完全氧化有机气溶胶三类。其中,碳氢类有机气溶胶主要来源于本地燃烧源的排放,氧化有机气溶胶与区域污染的排放和传输存在着密切的关系。北京冬季二次有机气溶胶氧化程度较其他季节偏弱,有机气溶胶氧化性与环境臭氧的变化存在一定的联系。观测期间,区域型新粒子生成事件时有发生,尤其在春季发生的频率更大。冬季发生新粒子生成事件的频率较小。北京新粒子生成事件在冷空气过境后,降水后和污染天气条件下均可以观测到。其中,亚微米气溶胶化学组份在粒子的形成和增长过程中扮演着不同的角色。有机物和硫酸盐在粒子形成、增长过程中,起着关键性的作用,而硝酸盐几乎不参与粒子成核,在粒子增长初期,硝酸盐的贡献也较少,在粒子老化阶段有一定的贡献。有机物在粒子长大初期质量浓度的增长速率一般高于硫酸盐的增长速率,而硫酸盐在粒子长大的后期增长较快。高温,高湿和相对稳定的气象条件容易使新生成的气溶胶粒子吸湿增长,凝结、积聚最后形成老化气溶胶。随着硫酸盐、硝酸盐气溶胶吸湿增长过程的发生,有机气溶胶也随之凝结增长,二次可溶性有机气溶胶可能在其中起到了一定的作用。老化气溶胶主要化学组份粒径分布谱的峰值粒径均在500nm-600nm之间。老化气溶胶高浓度水平以及粒子在积聚模态大量堆积的分布特点是造成区域霾形成的重要原因。根据气溶胶的化学组成研究北京大气气溶胶酸性特点。结果表明,除2008年8月,9月气溶胶呈中性外,其余的观测时段,北京大气气溶胶均表现出不同程度的酸性,冬季酸性最强,秋季酸性最弱。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 前言
• 1.2 大气亚微米气溶胶研究的重要性和意义
• 1.3 亚微米气溶胶的性质与特点
• 1.4 气溶胶粒径分布函数
• 1.5 观测亚微米气溶胶理化特性的主要手段
• 1.5.1 粒径谱的测量
• 1.5.2 化学组份的测量
• 1.6 国内外相关研究进展
• 1.7 本研究所关注的科学问题及研究目的、内容和思路
• 1.7.1 关注的科学问题
• 1.7.2 研究目的
• 1.7.3 研究内容和主要思路
• 第二章 实验与方法
• 2.1 观测时间、地点与实验平台
• 2.1.1 观测地点
• 2.1.2 观测平台
• 2.1.3 采样系统
• 2.2 观测仪器
• 2.2.1 气溶胶质谱仪结构、原理与定量方法
• 2.2.2 差分电迁移率分析仪简介
• 2.2.3 凝结核计数器简介
• 2.2.4 扫描电迁移粒径分析仪介绍
• 2.3 质量保证和质量控制
• 2.3.1 AMS 检测限
• 2.3.2 AMS 的收集效率
• 2.4 小结
• 第三章 亚微米气溶胶物理化学特性观测
• 3.1 观测点气象背景
• 3.1.1 北京观测点基本情况
• 3.1.2 北京四季主导风向及风速统计
• 3.1.3 固城观测点气象背景
• 3.1.4 武清观测点的气象背景
• 3.2 亚微米气溶胶及其化学组份特征
• 3.2.1 气溶胶及其化学组成质量浓度高时间分辨率变化特征
• 3.2.2 气溶胶及其化学组成日变化规律
• 3.2.3 气溶胶季节、月平均浓度
• 3.2.4 化学组份季节、月平均浓度
• 3.3 亚微米气溶胶及其化学组份粒径分布特征
• 3.3.1 气溶胶粒径分布季节变化特征
• 3.3.2 化学组份粒径分布季平均变化特征
• 3.3.3 化学组份粒径分布月平均变化特征
• 3.4 气象条件对亚微米气溶胶特性的影响
• 3.4.1 降水对亚微米气溶胶质量浓度的影响
• 3.4.2 风向、风速对亚微米气溶胶质量浓度的影响
• 3.4.3 降水对亚微米气溶胶粒径分布的影响
• 3.4.4 风向、风速对粒径分布影响
• 3.5 小结
• 第四章 有机气溶胶形成及其来源分析
• 4.1 正交矩阵因子分析法（PMF）
• 4.2 北京大气气溶胶有机物源解析及其与排放源的关系
• 4.2.1 北京四季有机气溶胶源解析结果
• 4.2.2 北京四季HOA 与燃烧源的关系
• 4.2.3 二次有机气溶胶与区域污染物的关系
• 3的关系'>4.2.4 有机气溶胶氧化程度与0₃的关系
• 4.3 固城大气气溶胶有机物的源解析
• 4.3.1 固城冬季有机物源解析
• 4.3.2 固城春季有机物源解析
• 4.4 武清大气气溶胶有机物的源解析
• 4.5 小结
• 第五章 新粒子生成阶段气溶胶理化特性变化特征
• 5.1 新粒子生成事件研究方法
• 5.1.1 重要参数的理论计算
• 5.1.2 新粒子生成事件的判断依据
• 5.2 观测到的新粒子生成事件特征
• 5.2.1 新粒子生成事件与气象条件的关系
• 5.2.2 气溶胶化学组份在新粒子生成事件中的作用
• 5.2.3 粒子粒度谱的增长与化学组份的质量谱增长的关系
• 5.3 新粒子生成事件分类
• 5.3.1 “烟羽型”新粒子生成事件特征研究
• 5.3.2 “区域型”新粒子生成事件特征研究
• 5.4 典型二次气溶胶形成、变化过程分析
• 5.4.1 冷空气过境后二次气溶胶形成、变化
• 5.4.2 降水过后二次气溶胶形成、变化
• 5.4.3 高污染条件下二次气溶胶形成、变化
• 5.5 北京奥运期间新粒子生成事件实例分析
• 5.6 小结
• 第六章 气溶胶老化阶段气溶胶理化特性变化特征
• 6.1 气溶胶老化阶段理化特性典型变化特征
• 6.2 北京春季气溶胶老化过程的特点
• 6.3 北京夏季气溶胶老化过程特点
• 6.4 秋季老化气溶胶的特点
• 6.5 冬季老化气溶胶的特点
• 6.6 固城、武清气溶胶老化过程气溶胶理化特性变化
• 6.6.1 固城春季气溶胶老化过程分析
• 6.6.2 武清夏季气溶胶老化过程分析
• 6.7 气溶胶的化学组成与区域性霾天气的联系
• 6.8 小结
• 第七章 北京气溶胶酸性特点
• 7.1 北京气溶胶酸性判断方法的建立
• 7.2 北京气溶胶酸性物种与碱性物种的关系
• 7.3 大气气溶胶的酸性与物种的关系
• 7.4 小结
• 第八章 总结
• 8.1 主要结论
• 8.2 本论文主要创新性及实用价值
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历