中国大气非甲烷碳氢化合物时空分布特征初步研究

发布时间：2020-10-30 06:01

　　 作为最重要的挥发性有机物(VOCs)种类之一,非甲烷碳氢化合物(NMHCs)在大气化学过程中扮演了极其重要的角色,对一些区域或全球性气候环境问题有重要影响。非甲烷碳氢化合物是对流层臭氧和二次有机气溶胶的重要前体物,影响城市或区域的空气质量和人体健康,对全球变化有间接影响。此外,一些非甲烷碳氢化合物,如苯,是毒害性空气污染物,会对人体健康带来不良影响。近几十年来,我国经历了快速的城镇化和经济增长,能源消费量以及机动车保有量也在急剧上升,将越来越多的包括NMHCs在内的多种污染物排放到大气中,最终造成我国面临严峻的光化学烟雾和灰霾等空气污染问题,以及空气毒害物健康风险问题。了解我国大气中NMHCs及其关键组分的水平、组成和来源的时空分布格局,对当前和未来我国VOCs减排、大气污染控制和人体健康保护尤为重要。本研究于2012年3月-2014年2月在我国不同区域的十二个采样点(包括东部发达地区6个背景点、中西部地区5个城市点、青藏高原地区1个背景点)同步采集了大气NMHCs样品并进行了全组分分析,在此基础上分析了我国NMHCs浓度及组成的空间分布和时间变化,探讨了NMHCs对臭氧生成的贡献,并对关键组分苯系物的时空分布、主要来源和健康风险进行了深入的研究。论文主要研究结论如下:1、十二个站点总NMHCs年均浓度的变化范围为6795±845-29013±3185pptv,最低浓度出现在青藏高原背景站点拉萨站,最高浓度出现在中西部地区城市站点重庆站。东部地区背景站点总NMHCs浓度水平(13821-22631 pptv)与中西部地区城市站点总NMHCs水平(15569-29013 pptv)相当。各站点NMHCs组成以烷烃为主,贡献了总NMHCs浓度的48.07%到65.94%;自然源BVOCs比例最低,占总NMHCs浓度的1.00-7.49%。乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、异丁烷、正丁烷和异戊烷均为各站点NMHCs贡献TOP 10化合物,TOP 10化合物贡献了各站点总NMHCs浓度的69.98-87.76%。2、北方站点(海伦站、沈阳站、禹城站、太原站)受冬季供暖和边界层降低的影响,1月、2月和12月总NMHCs浓度水平远高于3月-11月总NMHCs浓度水平。而受气象条件、排放强度和大气反应等的影响,其他站点NMHCs浓度表现出不同的时间变化。人为源排放的NMHCs组成(烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃)的时间变化与总NMHCs时间变化一致。而自然源排放的BVOCs组成的时间变化则不同:受气温、光照等条件影响各站点6月-8月观测到较高的BVOCs浓度和比例。3、十二个站点中总臭氧生成潜势(OFPs)的年均值在21.16±2.62(拉萨站)-104.18±11.00 ppbv(重庆站)范围内。与NMHCs浓度组成不同,总OFPs值贡献最多的组成是烯烃和芳香烃,两者一起贡献了各站点总OFPs值的58.98-80.30%,虽然两者一起仅贡献了总NMHCs浓度的22.54-38.21%。BVOCs对总OFPs值的贡献(3.59-27.90%)也要大于其对总NMHCs浓度的贡献。乙烯、丙烯、1-丁烯、甲苯和间/对-二甲苯均为各站点OFPs值贡献TOP 10化合物,TOP10化合物贡献了各站点总OFPs值的63.09-74.73%。4、中国东部发达地区背景站点中,苯贡献了东北地区背景站点和华北地区背景站点总BTEX水平的50%以上,而甲苯、乙苯和二甲苯一起贡献了长三角地区背景点和珠三角地区背景点总BTEX浓度的77%以上。北方站点BTEX与燃烧源示踪物一氧化碳(CO)显著性相关(p0.01)但与机动车排放指示物甲基叔丁基醚相关性弱,说明煤和生物质/生物质燃料燃烧是BTEX的主要来源,且冬季供暖期苯的水平会明显提高。相反,在南方站点BTEX主要来自机动车排放和(或)工业排放,因为BTEX与CO相关性弱但与甲基叔丁基醚或四氯乙烯(工业排放示踪物)相关性显著(p0.01)。观测数据计算的苯/CO初始比值与前期排放清单中排放比值较一致,差异在两倍以内,但是东北地区站点甲苯/CO比值以及华北地区站点邻-二甲苯/CO比值仅是排放清单相应比值的29%和38%,而长三角地区站点乙苯/CO和二甲苯/CO比值是排放清单相应比值的3.2-3.5倍。5、中西部城市站点中,BTEX总浓度的变化范围为2.42±0.35(昆明站)-3.65±0.51 ppbv(重庆站),低于前期中国发达城市地区的观测值。然而苯的观测值,0.72±0.12(昆明站)-1.88±0.46 ppbv(太原站)与前期中国发达城市地区观测值相当,甚至高于美国或欧洲城市的报道浓度。在所有中西部城市站点中,苯(或甲苯)与CO或甲基叔丁基醚具有较好的相关性,且甲苯/苯比值在煤燃烧/生物质燃烧和(或)机动车排放比值范围内,说明中西部城市BTEX主要来自于燃烧源。这些站点可能也偶尔受到工业和溶剂排放的影响,因为少量样品中观测到较高的甲苯/CO、甲苯/苯、C8-芳香烃/CO和C8-芳香烃/苯比值。6、苯系物的健康风险评估结果表明,中国不同地区十二个站点苯的致癌风险值(1.02E-05-7.31E-05)要比美国环保署规定的成年人可接受的长期致癌风险水平1.0E-06高一个数量级,说明我国大气中苯的暴露形势非常严峻,对人体健康存在潜在致癌风险。十二个站点BTEX的非致癌风险(5.56E-02-3.34E-01)均小于美国环保署规定的潜在非致癌风险限值(1),说明我国大气BTEX暴露所引起的非致癌风险并不明显。
【学位单位】：中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：X51
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 引言
    第一节 非甲烷碳氢化合物概述
        一、挥发性有机物与非甲烷碳氢化合物的定义与分类
        二、非甲烷碳氢化合物的来源
        三、非甲烷碳氢化合物的分析方法
    第二节 非甲烷碳氢化合物的环境健康效应
        一、非甲烷碳氢化合物与近地面臭氧污染
        二、非甲烷碳氢化合物与二次有机气溶胶生成
        三、非甲烷碳氢化合物对人体健康影响
    第三节 国外大气非甲烷碳氢化合物观测研究
        一、美国环保署PAMS观测网
        二、其他观测研究
    第四节 中国大气非甲烷碳氢化合物观测研究
        一、多点同步观测研究
        二、华北地区（京津冀地区）NMHCs研究
        三、长三角地区NMHCs研究
        四、珠三角地区NMHCs研究
        五、其他东部发达地区NMHCs研究
        六、中西部地区NMHCs研究
    第五节 本研究选题目的、意义和研究内容
第二章 研究方法与技术手段
    第一节 野外样品采集
        一、采样站点介绍
        二、环境VOCs样品采集
        三、样品数量的空间和时间分布
    第二节 实验室全组分分析方法
        一、VOCs分析方法
        二、一氧化碳分析方法
    第三节 质量控制及质量保证（QA/QC）
        一、采样罐的清洗与空白实验
        二、采样过程的QA/QC
        三、实验室分析过程的QA/QC
    第四节 后向轨迹模型介绍
第三章 中国NMHCs时空分布
    第一节 NMHCs水平的空间分布
        一、总NMHCs浓度的空间分布
        二、烷烃浓度的空间分布
        三、烯烃浓度的空间分布
        四、炔烃浓度的空间分布
        五、芳香烃浓度的空间分布
        六、BVOCs浓度的空间分布
    第二节 NMHCs组成的空间分布
        一、NMHCs组成的空间分布
        二、芳香烃组成的空间分布
        三、BVOCs组成的空间分布
        四、NMHCs组成中主要化合物
    第三节 NMHCs水平及组成的时间变化
        一、总NMHCs浓度的时间变化
        二、芳香烃浓度的时间变化
        三、BVOCs浓度的时间变化
        四、NMHCs组成的时间变化
    第四节 臭氧生成潜势的时空变化
        一、臭氧生成潜势的空间分布
        二、臭氧生成潜势组成的空间分布
        三、贡献臭氧生成潜势的主要化合物
        四、臭氧生成潜势的时间变化
        五、臭氧生成潜势组成的时间变化
    第五节 本章小结
第四章 中国苯系物的时空分布及来源
    第一节 中国发达沿海地区苯的暴露水平、来源及健康风险
        一、研究背景
        二、苯的本底水平
        三、苯的主要来源
        四、苯的暴露和健康风险评价
    第二节 中国发达沿海地区苯系物的时空分布及来源
        一、研究背景
        二、BTEX的浓度水平
        三、组成的空间差异
        四、气团传输轨迹对BTEX水平和组成的影响
        五、BTEX水平的时间变化
        六、BTEX来源识别
        七、人为源排放清单的评估
    第三节 中国中西部地区城市点苯系物的污染特征及来源
        一、研究背景
        二、BTEX污染水平及组成
        三、与国内外其他城市站点研究的对比
        四、BTEX浓度与组成的季节变化
        五、BTEX来源识别
    第四节 苯系物健康风险评价
        一、健康风险评价方法介绍
        二、苯的致癌风险
        三、BTEX的非致癌风险
    第五节 本章小结
第五章 结论
    第一节 主要结论
    第二节 特色和创新
    第三节 不足之处和后续工作展望
参考文献
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果


本文编号：2862097