我国典型城市和高山地区碳质气溶胶及单颗粒混合状态研究

【摘要】气溶胶广泛存在于大气中,而碳质气溶胶是大气气溶胶的主要成分之一。研究表明碳质气溶胶对人体健康、大气能见度、全球气候变化、以及地球辐射平衡等有着重要的影响。本研究通过在我国典型城市和高山地区开展大气气溶胶强化观测,利用多种监测手段和数据分析方法如在线连续观测、透射电镜技术、后向气流轨迹和聚类分析等对大气气溶胶进行了系统的研究,获得了我国典型地区大气气溶胶特别是碳质气溶胶的污染特征和理化性质,并着重研究了大气有机气溶胶来源、形成机制及单颗粒混合状态。通过在济南和香港进行大气气溶胶进行强化观测,获得了济南和香港碳质气溶胶的浓度水平和季节变化特征。为研究短时间内对污染物排放进行大规模控制措施对空气质量的改善作用,我们对比了北京2007年奥运会同期(2007年8月)、2008年奥运会期间(2008年8月)和2009年奥运会同期(2009年8月)的大气气溶胶及其组分的质量浓度,结果表明短时间大规模的污染减排措施有利于北京空气质量的改善,并且减排措施带来的效果具有一定的持续性；对比了2010年广州亚运会前、中、后期香港和广州的大气气溶胶和碳质气溶胶质量浓度,结果表明对广州及其周边地区的污染物排放的控制,不仅降低了广州地区气溶胶的浓度水平,同时对区域空气质量的改善也有促进作用。通过对比我国南方和北方城市的碳质气溶胶的污染特征表明,北方城市较南方城市有比较高的碳质气溶胶浓度及OC/EC比值,尤其在冬季,可能跟燃煤排放有关系；南方城市通常具有较低的碳质气溶胶浓度及OC/EC比值,说明机动车排放是南方城市碳质气溶胶的重要来源。为了解我国南方高山地区碳质气溶胶的来源和转化过程,于我国湖南衡山高山站开展了现场观测。研究证实了有机气溶胶的液相以及颗粒相表面的非均相生成过程。利用后向气流轨迹方法分析了衡山采样期间的长距离输送规律,结果表明衡山春季观测期间的气流主要来自珠三角、华北及华东地区,衡山地区空气质量受到了来自这些地区高浓度污染物的跨界输送的影响。另外,结合碳质气溶胶和钾离子浓度、后向气流轨迹分析及卫星火点图证实了衡山春季受到来自东南亚的生物质燃烧排放的影响。为研究香港地区有机气溶胶光化学老化生成过程和生成速率,对香港夏季和秋季的碳质气溶胶污染特征进行了分析。结果发现香港东涌夏季和秋季SOC和奇氧化合物(OX=O3+NO2)的相关性良好,说明大气光化学反应过程对SOC生成有重要贡献。定量地研究了夏季和秋季不同城市烟羽中大气光化学反应生成的SOC速率,结果表明夏季来自珠三角城市烟羽的SOC生成速率为3.86μgm-3ppmv-1h-1,秋季来自珠三角和香港混合烟羽的SOC生成速率变化范围为1.31-1.46μgm-3ppmv-1h-1,以及秋季来自香港本地烟羽的SOC生成速率为1.82μgm-3ppmv-1h-1。通过与全球其他城市及其下风向的观测比较,如墨西哥城、加州地区、美国东部和南部城市圈等,香港夏季的SOA生成速率处于这些观测的生成速率上限,而秋季的SOA生成速率大体处于这些观测的生成速率下限。为研究我国典型地区典型天气条件下气溶胶单颗粒的混合状态,利用透射电镜对济南霾过程和香港光化学老化过程中气溶胶样品进行了形貌和混合状态的分析。通过对济南灰霾天,雾天和清洁天的气溶胶单颗粒分析得出分别有91%、97%和86%的颗粒物中含有硫酸铵(AS),并且分别有71.0%、56%和58%的颗粒物是内部混合的。灰霾天的AS-soot(20%)和AS-soot/OM/flyash(20%)的所占比例比清洁天AS-soot(13%)和AS-soot/OM/flyash(12%)的比例高,说明在灰霾天高浓度气溶胶的条件下,碰并是一个重要混合机制。雾天、清洁天和灰霾天单颗粒样品的TEM结果对比显示,雾天收集的单颗粒外围在采样膜上都留有清晰可见的“印记”。电镜的能谱分析显示这些“印记”部位含有碳元素,这是由于气溶胶颗粒在雾天吸湿潮解时吸附了大量的有机物；相比于雾天的颗粒,清洁天仅有少量的该类型颗粒。灰霾天收集的部分颗粒的形貌特征类似于雾天的颗粒,而灰霾天的相对湿度较低,通常在50-60%之间,引起这个现象的可能原因是由于硫酸铵颗粒表面混合一定量的可溶性有机组分,在低湿度条件下便可吸附大气中水。TEM分析结果表明香港大气中的有机物几乎都与硫酸盐内部混合在一起。光化学污染事件期间比清洁天的有机外壳厚,说明光化学老化过程生成了大量的二次有机气溶胶,并且发现大气光化学反应促进了气溶胶粒径的增长。通过对济南城区和工业区大气气溶胶中的微量金属分析,发现工业区站点的微量金属质量浓度是城市站点的1.7倍,表明工业排放对微量金属的浓度水平有显著的贡献。相关性分析和主成分分析结果表明,Cu、Fe、Mn、Pb和Zn主要来自机动车和钢铁冶炼排放；As、Pb和Cr主要来源于燃煤排放；Ba、Al和Ti主要来自于土壤源和道路扬尘；Ni和Sr具有自然源和人为源的混合来源。膜采样和透射电镜分析结果表明,济南大气气溶胶中具有较高浓度微量金属,并且这些微量金属绝大部分与硫酸盐和有机物内部混合在一起,因此,当评估微量金属对人体健康影响时,不仅要考虑其质量浓度水平还要考虑其混合状态。
【作者】周声圳；
【导师】王韬；王文兴；
【作者基本信息】山东大学，环境科学，2014，博士
【关键词】碳质气溶胶；霾；二次有机气溶胶；长距离输送；混合状态；

【参考文献】
[1]陈为飞.近海风机塔架风浪荷载分析[D].浙江大学,2010.
[2]靖相顺.危险品运输车辆监控系统设计[D].山东大学,机械电子工程,2013,硕士.
[3]吴瑶,罗雄麟.多率系统Kalman滤波算法的鲁棒性分析[J].自动化学报,2012,02:156-174.
[4]翟璠.运用高中物理教材栏目开展物理学史教育的实践[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[5]唐华.德隆并购整合的策略[D].对外经济贸易大学,工商管理,2004,硕士.
[6]包峰.程序化交易模型的开发与优化[D].华东师范大学,概率论与数理统计,2013,硕士.
[7]黄明来.雷公藤红素降低糖尿病小鼠血糖的机制研究[D].湖北工业大学,生物化工,2013,硕士.
[8]刘姝娟.低温法兰密封结构的密封性能特性研究[D].浙江大学,制冷及低温工程,2013,硕士.
[9]杨光华.高潜水位采煤塌陷耕地报损因子确定及报损率测算研究[D].中国矿业大学（北京）,土地资源管理,2014,博士.
[10]李振华.转化生长因子对体外扩增调节性T细胞HLA-DR表达的影响[D].华东师范大学,生物医学,2013,硕士.
[11]阮丹柯.水性油墨用苯乙烯—丙烯酸树脂的合成及应用[D].浙江大学,2005.
[12]肖圣尧.清末民初江苏小学教育研究[D].扬州大学,中国近现代史,2011,硕士.
[13]高岩,娄志娥.一类混杂系统的生存控制设计[J].控制与决策,2009,02:254-258.
[14]李覃思.新时期邓小平工业化思想研究[D].西北大学,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[15]李真真.冠心病患者外周血单个核细胞表面CD44mRNA表达与血浆IL-6的相关性研究[D].福建医科大学,内科学,2014,硕士.
[16]魏宗磊.中英农业学术论文结论部分的对比分析[D].重庆大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[17]刘利娜.《贵妇画像》：亨利·詹姆斯的另类超验主义[D].四川外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.
[18]李海燕a,井元伟b.基于NSGA-II的具有多目标子学科的协同优化方法[J].控制与决策.
[19]宋亚伟.蛋白酶PH1704别构调控的理论研究[D].吉林大学,药物分析学,2013,硕士.
[20]王玮.商业银行数据信息化建设三部曲[J].中国金融家,2004,07:95-98.
[21]林天.力学刺激对骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化的研究[D].大连医科大学,外科学,2012,硕士.
[22]李洲.扬州市高等职业院校体育课程教学现状调查与对策研究[D].扬州大学,体育教学,2012,硕士.
[23]虞志浩.清初袁江袁耀山水界画艺术探析[D].曲阜师范大学,美术学,2013,硕士.
[24]韩毅.东丽区园林养护计价管理系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[25]王成珠.基于模糊神经网络的明胶中和控制系统研究[D].兰州理工大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[26]柳杨.农村实用人才队伍建设研究[D].华中师范大学,农业推广,2013,硕士.
[27]高扬.自锚式悬索桥施工控制与参数分析[D].长安大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[28]李博,杨丹,张小洪,马丽涛.基于LMI技术的两个神经元的时滞混沌神经网络的耦合延迟同步研究(英文)[J].自动化学报,2007,11:1196-1199.
[29]李方菊.一种轻量级分布式的无线传感器网络多播模型研究[D].南京邮电大学,计算机通信与网间互连技术（专业学位）,2013,硕士.
[30]许阳.基于碳纳米管可饱和吸收体的全光纤1μm全正色散锁模激光器的研究[D].吉林大学,物理电子学,2014,硕士.
[31]王霞.中职学生音乐素质养成研究[D].宁波大学,教育管理（专业学位）,2013,硕士.
[32]徐凌宇,杜庆东,赵海.一种基于互信息的特征跃迁示例学习法[J].计算机研究与发展,2001,06:653-657.
[33]张蜀芳.XAY机场薪酬体系研究[D].西北大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[34]石周.磁共振全身弥散加权成像在胃肠道恶性肿瘤肝转移瘤化疗疗效评估中应用价值[D].广西医科大学,肿瘤学（专业学位）,2013,硕士.
[35]余兆新.42CrMo高强螺栓摩擦系数测量及影响因素研究[D].浙江工业大学,2010.
[36]王茜.“土地换保障”视角下，土地承包经营权置换价格内涵及测算研究[D].南京农业大学,土地资源管理,2013,硕士.
[37]张国辉.玻璃化法与化学萃取制备同种异体肌腱生物学性能的比较[D].河北医科大学,外科学,2013,硕士.
[38]顾文龙.当代风水文化变迁浅析[D].南京理工大学,社会学,2013,硕士.
[39]王崇蕊.电解黑色磷化膜制备及性能研究[D].沈阳理工大学,应用化学,2012,硕士.
[40]商振达.饥饿应激对藏羊AMPK及相关酶活性、糖酵解及肉品品质的影响[D].青海大学,动物营养与饲料科学,2014,硕士.
[41]李鹏.“五四”前后中国现代异域游记研究[D].河北师范大学,中国现当代文学,2013,硕士.
[42]李新利,王慧芳.硅光伏特色专业固体物理课程调整与优化[J].山东化工,2014,11:167-168.
[43]吕海林.多种成品油管输监控系统的研究[D].哈尔滨理工大学,测试计量技术及仪器,2012,硕士.
[44]殷潇予.民营企业营销策略创新问题的研究[D].华东师范大学,世界经济,2003,硕士.
[45]孙启梦.战略导向对国际新创企业绩效的影响机制研究[D].浙江大学,2012.
[46]张录红.寿光市新型农村社会养老保险运行机制研究[D].西北农林科技大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[47]占鹏飞.被征地农民生存方式变化研究[D].新疆农业大学,土地资源管理,2012,硕士.
[48]熊欢.论缺陷产品及其归责原则[J].经济研究导刊,2014,08:287-288.
[49]孙志虎,牟长城,孙龙.采用地统计学方法对落叶松人工纯林表层细根生物量的估计[J].植物生态学报,2006,05:771-779.
[50]王蕊.山东取缔会道门运动研究[D].山东大学,中国近现代史,2013,硕士.