杭州地区气溶胶化学组分特征分析

论文总字数：20603字

目 录

摘要 I

Abstract II

1 引言 1

1.1研究背景及研究意义 1

1.2国内外研究进展 2

2 实验和方法 3

2.1 观测站点 3

2.2 实验方案 4

3 资料分析 4

3.1水溶性离子的浓度水平 4

3.1.1水溶性离子的浓度水平详细分析 4

3.1.2春夏秋冬四季对比 5

3.1.3水溶性离子浓度变化分布以及变化趋势 8

3.1.4周末效应 10

3.1.5天气条件影响 13

3.2大气消光系数 20

3.2.1年变化 20

3.2.1月变化 21

3.3 O₃、SO₂、NO₂、NO_X浓度变化分析 22

3.4典型重污染天气分析 23

4 结论 26

参考文献 27

致谢 28

杭州地区气溶胶化学组分及其对大气消光的影响分析

党阳娟

，China

Abstract：The data of ion concentration from December 2012 to November 2013 is analyzed，the results show that：the water-soluble ions accounted for 45.41% in PM2.5 and the main water-soluble ions include SO₄^2-、NO₃^-、NH₄ ，aerosol mass concentration and most of the ion concentration have the largest maximum value in winter and have the minimum value in summer，the water-soluble ion concentration of PM2.5 over the weekend is greater than the days，precipitation will reduce the concentration of water-soluble ions，with the increase of the haze level，aqueous ion concentration increases，the main factors in Hangzhou what effects atmospheric extinction coefficient include SO₄^2-、NO₃^-、NH₄ ，due to the discharge of fireworks，the aerosol mass concentration and water soluble ion concentration and extinction coefficient were increased on February 9，2013 and 10.

Key words：aerosol；water-soluble ions；atmospheric extinction coefficient；Hangzhou

1 引言

1.1 研究背景以及研究意义

大气气溶胶指的是大气与悬浮在其中的液体以及固体微粒共同组成的多相体系^[1]，大气颗粒物为其中分散的粒子。虽然气溶胶在大气中的含量相对较少，但它在大气过程中有着重要的作用，特别是对太阳散射、辐射以及大气温度、能见度等均具有重要影响^[2]。

大气气溶胶的化学组分很复杂，水溶性无机离子是其中很重要的部分，也是本次论文的主要研究对象。大气气溶胶中水溶性无机离子主要有Ca² 、Mg² 、NH₄ 、K 、Na 、Li 、SO₄^2-、SO₃^2-、NO₃^-、Cl^-、F^-、NO₂^-、Br^- 等，这些离子的浓度水平、光学特征会随着天气条件、观测地点等的变化而表现出很大的差别，对环境和气候造成各种影响和危害。

水溶性离子对环境效应有一定的影响，在大气中的部分水溶性离子停留时间较长，对光的散射，尤其是对硝酸盐和硫酸盐影响较大，因为它们是主要的消光成分之一，能见度因为这些粒子含量增加而变低，还会引起雾霾天气发生^[3]。

对大气能见度、气溶胶反演和辐射强迫研究，是气溶胶消光性质研究的基础。它受气溶胶质量浓度、粒径分布、相对湿度、元素碳混合状态和化学组分等多种因素的影响。并且气溶胶还会因为吸收与散射，对光有削弱作用，会直接影响到能见度。

杭州市作为浙江省省会城市，在伴随着工业化和城市化的加快发展，机动车的保有量、建筑工地的粉尘和工厂的工业废气等各种人为源排放不断增多，使得大气气溶胶的污染逐年增加。而杭州是这个区域的典型城市，国内学者对杭州近年来大气环境展开的很多研究表明其能见度降低，有雾霾的天数快速上升。

大气气溶胶中的水溶性无机离子作为气溶胶的重要因素，对环境的影响非常大。因此对气溶胶中的水溶性无机离子的研究具有重大意义，并且也成为世界各地气象学者们研究的热点问题。本文对杭州地区的气溶胶观测数据进行研究分析，分析气溶胶中水溶性无机离子质量浓度的月变化、季变化、周末效应、气象条件对其的影响，并初步分析气溶胶中化学组分对大气消光的贡献。

1.2 国内外研究进展

我国雾霾频率较高地区有京津冀地区、珠江三角洲和长江三角洲^[4]，北京、天津和珠江三角洲地区是我国现阶段进行研究雾霾天气过程与气溶胶的光学特性的主要地区^[5-7]。故我们在长江三角洲地区研究雾霾天气与气溶胶性质具有重要意义。

气溶胶污染严重的地区中PM₁₀中的3个主要组分是矿物气溶胶、硫酸盐和有机碳；4个最需要关注的污染源分别为机动车、城市粉尘、农业活动与燃煤^[8] 。气溶胶的化学成分十分的复杂，对于不同时间和空间，气溶胶的化学成分是不同的（研究分析方法以及取样的时空差别也产生一些差异），甚至于差别很大。

表1 城市大气气溶胶细粒子的化学成分（来源于于凤莲^[9]，城市大 气气溶胶细粒子的化学成分及其来源）

灰霾天气大多发生在冬季，并且气溶胶中PM_2.5含量占比重较大。并且气溶胶污染与该地区的地理环境、气候条件、经济发展水平等都有着密切关联^[10]。南京市北郊地区冬季霾日的大气气溶胶吸收系数和散射系数的变化特征为白天低、夜间高，变化剧烈，非霾日次之，雾日变化较为稳定^[11]，这主要是受大气湍流扩散规律控制，同时受不同天气状况时大气污染程度影响。

雾霾影响期间气溶胶光学厚度(AOD)明显增加，雾霾天气的局地气溶胶散射能力增强，气溶胶的吸收能力明显减弱，粗粒子模态的体积浓度，细粒子浓度增加^[12]。降水对气溶胶有明显清除作用，使得大气气溶胶吸收和散射系数明显降低。

目前，国际上广泛使用计算吸收系数的方法主要有光声法^[13]和滤膜技术。国外对气溶胶散射特征研究上做出了很大的贡献。Charson^[14]利用积分浑浊度仪进行研究大气中的大分子气体的瑞利散射系数，并且通过观测散射系数进而准确的得出大分子气体的退偏振度、极化因子等。Chan等^[15]利用积分浑浊度仪研究了大气能见度、PM₁₀与散射系数的相互关系。

京津冀，长三角和珠三角为我国气溶胶污染最严重的三个区域，国内外学者多对北京、天津以及珠江三角洲的气溶胶化学组分对大气消光的影响进行分析，而长三角地区也多是对南京地区进行分析，对杭州地区气溶胶研究的人较少，所以本文将对杭州地区气溶胶化学组分及其对大气消光的影响进行一次系统的分析。

2 实验和方法

2.1 观测站点

采样地点选定在杭州气象局，杭州国家基准气候观测站(120°10'E，30°14'N)，拔海高度41.7 m，北边和东边是城市建设群，西边环绕着山丘并且紧邻西湖，南边紧邻钱塘江和一江之隔的城市建设群，该观测站位于西湖景区以及杭州市区的结合部，所以没有明显的工业污染，人为活动主要表现在交通和居民生活，既不是纯粹的自然环境，也不是密集的办公和居住区。因此，本文研究内容在一定程度上代表了杭州城市工作和生活环境下的大气状况。

图1 杭州国家基准气候观测站周边地形图

2.2 实验方案

本次实验所需要的大气气溶胶样品采集使用的是FA-3分级径采样器，采样膜为Teflon滤膜(又称之为聚四氟乙烯薄膜)，采样器粒径尺度等级分为9级：0-0.43、0.43-0.65、0.65-1.1、1.1-2.1、2.1-3.3、3.3-4.7、4.7-5.8、5.8-9.0和9.0-10.0 m；采样流量28.3 L/min，采样时间为24 h；采样前将Teflon滤膜置于550℃下灼烧2h，以去除其中的残留碳和其他杂质。且将采样前后滤膜均置于温度(20±2)℃，相对湿度为40%±5%的天平室中平衡48h，然后用电子天平称重。

将采样后称重过的Teflon膜，取1/4张样品膜剪碎放入超纯水中，用超声波进行萃取30 min，然后将提取液经过水系滤膜过滤器(孔径为0.22 mm)过滤两次后注入离子色谱仪进行水溶性无机离子的分析。阴离子检测使用IonPac CS12A分离柱和IonPacCG12A抑制器，用流速为1.2 mL/min的蒸馏水作为淋洗液，阳离子检测使用IonPac AS14分离柱和IonPac AG14抑制器，用流速为1.0mL/min，20 mmol/L的甲烷硫磺作为淋洗液。（离子色谱法的基本原理是：从高压泵入系统淋洗液，并将样品一起注射进入分离柱，经过几次交换分析，不同的离子在不同的时间从淋洗液流出交换柱，进入含有相反电荷的离子交换树脂的抑制柱，以获得背景低电导样本高电导的一个检测信号，基于该检测信号，以获得各种离子浓度和校正曲线）。

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