北京市不同污染等级大气颗粒物及其水溶性离子的粒径分布特征及成因分析

发布时间：2020-06-17 07:10

【摘要】：为研究北京市大气颗粒物与水溶性离子的粒径分布特征、质量浓度变化趋势及污染来源,于2016年1月至12月在中国环境科学研究院大气光化学烟雾箱楼顶用八级颗粒物撞击采样器采集大气颗粒物样品,并利用离子色谱测定不同粒径颗粒物中的水溶性离子,同时用环境空气常规污染物在线监测系统同步获得全年的污染物(SO_2、O_3、NO_x、CO、PM_(2.5)、NH_3)浓度数据。实验结果表明,采样期间北京市PM_(2.5)年均值为79.36μg·m~(-3),呈现出较为显著的季节性变化。细颗粒物浓度高值出现时往往对应着不利的气象条件,同时NOx和SO_2浓度较高。后向轨迹聚类分析表明,冬季细颗粒物浓度主要受来自山西、陕西的正西方向的污染气团影响;春、秋季节,主要受京津冀区域内部短距离传输气团的影响;夏季气团较为清洁。清洁、轻度污染、中度污染和重度污染4个等级的颗粒物粒径分布特征均成双峰分布,峰值出现在0.7-2.1μm与9.0μm粒径段,并且随着污染程度的加重,细颗粒物浓度逐渐增加,在重度污染时,1.1-2.1μm粒径段颗粒物占主导地位。细颗粒物(PM_(2.1))中的水溶性离子在4个等级下的浓度分别为32.52μg·m~(-3)、62.31μg·m~(-3)、137.62μg·m~(-3)、175.29μg·m~(-3),占颗粒物总水溶性离子浓度的59.63%、63.33%、74.09%和72.20%。轻度、中度、重度3种污染条件下PM_(2.1)中NO_3~-、SO_4~(2-)、NH_4~+3种二次离子浓度之和占PM_(2.1)中总水溶性离子浓度之和的百分比分别为37.71%-52.64%、17.96%-28.47%和14.82%-17.97%,粗颗粒物(PM_(2.1-9))中NO_3~-、SO_4~(2-)、Ca~(2+)是主要的水溶性离子,三者之和占PM_(2.1-9)中总水溶性离子的百分含量依次为26.53%-38.46%、10.61%-28.83%和1.66%-19.31%。根据不同污染等级下粒径分布特征的变化规律,水溶性离子大致可分为3类:NO_3~-、SO_4~(2-)、NH_4~+、K~+4种离子呈单峰分布,集中在积聚模态,在1.1-2.1μm处出现峰值;Cl~-和Na~+主要集中在积聚模态,在重度污染情况下呈现双峰分布,峰值出现在1.1-2.1μm、5.8-9.0μm粒径段;第三类离子主要集中在粗模态,包括Ca~(2+)、Mg~(2+)。在轻度、中度和重度3种污染等级,细颗粒物中NO_3~-/SO_4~(2-)的比值分别为1.32、2.52和1.60,均大于1,表明北京市受流动源的影响较大,特别是在中度污染下需更加关注机动车排放的影响,在重度污染时固定源的影响相对增加。在3个污染等级下PM_(2.1)均呈现酸性,说明NH_4~+的含量不足以完全中和细颗粒物中的NO_3~-和SO_4~(2-)。在重度污染时由于NH_4~+的含量增加显著,酸性相对降低,并且Cl~-的中和作用凸显,有更多的离子发生复杂的反应,沙尘和采暖季节燃煤的影响较为显著。在二次转化过程中,相对湿度的变化至关重要,特别是NO_3~-、SO_4~(2-)和NH_4~+3种离子的形成极易受到相对湿度影响。不同粒径的分布特征与颗粒物的吸湿增长密切相关,在50%-70%的相对湿度条件可促进细颗粒物中硫酸盐和硝酸盐的二次形成,颗粒物中的水分含量增长倍数显著。重污染事件形成的原因与季节的变化有一定关系,但由于污染来源,以及到达采样点的气团传输路径与携带污染物质的浓度均不同,各重污染过程有各自不同的特点,其中2016年3月3日的重污染过程中,生物质燃烧是此次污染的成因之一;3月16日的污染过程受汽车尾气污染的影响最为严重;11月26日的重污染主要是沙尘传输的影响;12月31日,燃煤的影响是此次污染过程的主要成因,同时生物质燃烧也造成了一定的影响。北京市采样点周边区域和河北与山东省交界区域为重污染过程中细颗粒物的潜在污染源。
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X513
【图文】：

粒径分布,采样点位

40.03°N、116.39°E)，距地面高度约为 10m，位于北五环外，为市郊站点，周边无明显大气污染物排放源，采样点西面 500m 处有 1 条南北方向的干道，南面 100m处为一条东西方向的交通次干道(图 2.1)。东、北两方向为居民楼，为商住交通混合区。本次实验采样仪器为美国 BGI/TISCH 公司生产的八级颗粒物撞击采样器，用于大气中的颗粒物分级采集，分析颗粒物和化学组分的质量浓度和粒径分布。撞击采样器根据空气动力学原理设计，不同空气动力学粒径的气溶胶粒子被分离并采集到各级采样膜上，膜片用于重量和颗粒物成分分析。采样器根据粒径段分为八级，分别为<0.4、0.4-0.7、0.7-1.1、1.1-2.1、2.1-3.3、3.3-4.7、4.7-5.8、5.8-9.0 和>9.0μm(表 2.1)，流量设定为 28.3L/min，并于每次采样前后检查流量值与稳定情况。采样时间为 2016 年 1 月至 2016 年 12 月。每次采样时间为 48h，每月上中下旬各采样一次，共得到 36 组样品，每次采样同时采集一组空白样品。

后向轨迹,簇分析,气团

图 3.2 不同季节后向轨迹簇分析表 3.2 污染物后向轨迹聚类分析季节气团方向 PM2.5NO NO2NOxSO2CO O3春西北（53.3%） 79.26 12.72 25.07 37.82 2.37 3.29 17.19西南（27.2%） 87.25 6.74 32.28 39.03 2.40 3.49 17.76东南（9.8%） 108.25 17.63 31.91 49.54 3.68 3.35 18.50东北（9.8%） 184.21 72.42 42.97 115.43 12.67 4.49 7.68夏西南（25.3%） 70.56 3.02 15.59 15.59 0.85 1.95 33.5正北（22.0%） 28.02 4.8 21.15 21.15 0.65 2.08 19.46正南（20.8%） 57.27 3.89 20.37 20.37 1.44 1.99 34.57西北（18.7%） 53.98 8.5 25.64 115.43 0.64 1.88 21.94东南（13.2%） 72.12 4.89 24.77 24.77 0.93 2.09 19.48秋西北（76.7%） 101.76 63.36 63.36 100.26 4.33 4.33 6.44西南（13.3%） 125.37 43.08 43.08 80.8 4.19 4.19 4.91正东（10.0） 113.28 55.82 55.82 88.4 4.55 4.55 7.03

【参考文献】