中国典型城市群上空气态污染物、PM2.5及颗粒物粒径浓度谱分布的航空测量研究

【类型】学位论文

【作者】任丽红 

【关键词】 航空测量 城市群 PM2.5 粒径分布 空气态污染物

【摘要】当前我国大气污染治理面临着巨大的压力和挑战，在煤烟型污染善未得到控制的情况下，以臭氧(O3)和细颗粒物(PM2.5)为特征的区域性复合型大气污染日益严重，以京津冀，珠江三角洲和长江流域三大城市群的污染最为突出。br 目前针对城市群空气污染状况的研究多为地基观测，对高空的污染状况了解较少，且多为独立开展。为了解我国典型城市群大气边界层内及自由对流层下层的污染特征及输送规律，本文基于2002-2007年在珠江三角洲、长江流域及京津冀地区400～2800m高度上的航空测量资料，探讨气态污染物（SO2、NOx及O3）、PM2.5质量浓度及化学组分（9种水溶性离子、23种元素、OC、EC、颗粒物酸度及酸化缓冲能力）及颗粒物粒径浓度谱（5.6～560nm及0.5～15μm）的垂直和区域分布特征，研究了大气边界层和自由对流层的污染特征及输送规律，综合对比探讨典型城市群上空二次气溶胶的形成与来源的异同，研究气流传输路径对O3及颗粒物的影响。主要研究结果如下:br 珠江三角洲地区2004年秋季的空气污染较为严重。大气边界层内的SO2、NOx和O3的最大浓度超过100ppb。O3高浓度值经常出现在城市群的下风向地区，区域传输是O3高污染事件出现的重要因素。城市上空大气边界层内O3与NOx呈反向相关关系，表明O3主要来自于局地的光化学反应生成。清洁城市及自由对流层上的O3与NOx及呈正向相关关系，可能受区域性污染气团或长距离传输的影响。大气边界层内SO2和NOx具有明显的水平变化，主要受地面排放的影响;自由对流层内各种污染的分布比较均匀。br 长江沿线2002年冬季和珠江三角洲2004年秋季的PM2.5最大浓度超过120μg/m3。大气边界层内的PM2.5质量浓度及所有化学成分均大于自由对流下层的浓度值，主要受地面源的影响。所有观测的硫氧化率(SOR)和氮氧化率(NOR)均大于0.1，表明存在气态前体物向SO42-和NO3-转化的光化学氧化过程。大气边界层内的SOR和NOR小于自由对流层下层，主要是由于大气边界层内的SO2和NO2的排放速率大于其向SO42-和NO3-的氧化转化速率。br 长江流域2003年夏季及2004年春末夏初在大气边界层和自由对流层内，SO42-和NH4+主要以NH4HSO4和(NH4)2SO4的形式共存;珠江三角洲2004年秋季则以(NH4)2SO4的形式存在;京津冀地区2006年春季则主要以NH4HSO4的形式存在外，还可能以CaSO4和MgSO4的形式存在。PM2.5的Cl-除了来自海盐外，生物质燃烧也是其重要的来源之一。br 长江流域的3次航次和珠江三角洲2004年秋季PM2.5中的OC最大浓度值可达40μgC/m3。SOC在OC中所占比重较大(约为30％～50％)。沙尘天气不仅携带大量的地壳元素，也会污染元素（SO42-、NO3-、As、Pb、OC等）的浓度值增加。由于沙尘天气太阳辐射减弱，SOC的含量有所降低。br 长江流域和珠江三角洲上空PM2.5酸性较强，酸化缓冲能力为负，非常有利于酸性降水的形成;京津冀春季PM2.5酸性较弱，酸化缓冲能力为正，对酸雨具有抑制作用。PM2.5酸度的垂直分布表现为自由对流层下层的的酸度值小于大气边界层内，而酸化缓冲能力则大于大气边界层。br 长江流域2003年夏季及2004年春末夏初PM2.5中以有机物为主，分别占总质量浓度的64％和58％，可能与南亚地区生物质燃烧有关;珠江三角洲地区2004年秋季以有机物为主，约占37％。京津冀春季由于受沙尘的影响，矿物气溶胶含量增加，约占总质量浓度的44％。对比各个区域的化学组成可以发现，二次无机气溶胶浓度以珠江三角洲2004年秋季和京津冀2006年春季的值最大;OC和EC以长江流域的值最大;海盐粒子和矿物尘以京津冀地区春季的值最大。长江流域和珠江三角洲地区2004年秋季PM2.5中的未鉴别组分与OC估算有机物的误差有关;京津冀地区则可能受矿物尘和有机物估算的综合影响。br 大气边界层与自由对流层内的0.5～10μm范围内的颗粒物数浓度谱分布有所区别。在大气边界层内主要呈单峰分布，70～90％的颗粒物分布在0.5～1.0μm范围内，表明我国大气边界层内的颗粒物主要以细粒子为主，主要受局地源的影响。自由对流层下层则呈不规则的多峰分布，反应了区域污染特征。沙尘天气发生时，由于核化作用的减弱，核模态及爱根核膜态颗粒物数浓度急剧减小。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中国科学院大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】张仁健，张美根

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