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气溶胶理化特征研究进展及建议
作者:   时间:2014年03月20日 【字号: 】【打印本页】【关闭】

作者:赵普生,研究员,北京城市气象工程技术研究中心

随着经济发展和城市化进程加速,区域性大气污染源的结构发生了巨大变化,汽车尾气及挥发性有机化合物(VOCS)的排放量迅速增加,从而产生大量细粒子,近年来逐渐增多的持续性雾霾天气和重污染过程受到了全社会的广泛关注,如北京城区多年平均霾天数超过100天(Zhao et al., 2011; 赵普生等, 2012)。北京城区PM2.5的年均浓度基本在80μg/m3以上(He et al., 2001; Sun et al., 2004; Zhao et al., 2009),根据中国气象局北京城市气象研究所近几年GRIMM自动监测记录发现,PM1.0的平均浓度占到PM2.5的80%以上,说明北京市PM2.5中绝大多数为粒径小于1.0μm的细粒子。

大气中的气溶胶尤其是粒径小于1μm的细粒子对大气能见度、辐射强迫、云物理、人体健康等方面均造成重大影响。气溶胶的物理化学特征主要包括粒径分布和化学组分,这是气溶胶的最基本属性,有关气溶胶的观测研究也都围绕这两方面开展,获得细粒子的理化特征是开展气溶胶形成机理、来源解析、对能见度影响、辐射强迫、云物理、人体健康等相关研究的重要基础。

气溶胶的消光作用中,吸收主要由其中的黑碳(或元素碳)所引起,而气溶胶尤其是积聚模态气溶胶(~0.08-1.0μm)对光线的散射,在消光中占主导地位。2006年美国的IMPROVE报告中指出硫酸盐、硝酸盐和有机气溶胶等的散射作用在多个IMPROVE站点中占到总消光的90%以上(DeBell et al., 2006),国内的部分研究中气溶胶的散射系数占消光系数的比例也超过85%(Yan et al., 2008; Garland et al., 2009; Ma et al., 2011)。气溶胶通过对光线散射和吸收直接影响辐射强迫,同时还通过影响云的形成和降水过程而影响地气系统的反照率,即间接影响辐射强迫。气溶胶尤其是细粒子会对人体健康造成明显损害,导致与心和肺功能障碍有关的疾病,气溶胶上载带多种有机化合物,尤其是多环芳烃和亚硝胺类化合物,会对人体产生“三致”作用(致癌、致畸、致突变)(Vedal, 1997; Pope and Dockery, 2006; Mauderly and Chow, 2008)。且研究表明,人体健康损害与细粒子数浓度的联系比与质量浓度的联系更为密切(Peters et al., 1997; Penttinen et al., 2001)。利用大气化学模式对气溶胶物理化学特征及其对雾霾、辐射等方面的影响进行模拟预测时,需要对当地气溶胶物理化学特征的具体变化特点和影响因素进行研究,进而为模型的机制机理部分提供合理可靠的本地化参数。

此外,在进行大气气溶胶来源分析时,不论是根据大气化学模式分析污染迁移转化过程,还是利用受体模式分析不同来源的贡献和分担,都需要气溶胶的物理化学特征数据,尤其利用受体模型进行来源解析时,需要尽可能详尽和高分辨率的气溶胶化学成分谱资料。

  一、气溶胶理化特征观测方法及相关研究进展

气溶胶的质量浓度、粒径分布及化学组分等理化特征是开展其他相关研究的基础,对气溶胶理化特征的了解是与相关观测设备的发展相辅相成的。气溶胶理化特征观测的传统方法是利用滤膜采集环境气溶胶,利用重量法计算气溶胶质量浓度,并进而分析其中的化学组分。目前,为了及时准确获得环境中气溶胶的理化特征,目前观测设备逐渐向高时间分辨率、高灵敏度、自动化、实时在线方向发展。

在粒径分布方面,以往主要依靠气溶胶空气动力学特征,利用多级碰撞采样器(Cascade impactor)采集不同粒径等级的气溶胶,此种方法时间分辨率低,所分粒径等级较少,对于气溶胶中一些不稳定的组分,由于凝聚、挥发、分解等过程,利用滤膜采集的气溶胶与环境中也会有一定偏差。但如果分析不同粒径范围气溶胶中的多种化学组分,目前利用多级采样器采集然后进行实验室分析的手段还无法替代。

气溶胶数浓度粒径分布的实时在线观测,目前主要有基于光学方法的粒子计数仪(optical particle counter, OPC),光学与粒子移动特征相结合的空气动力粒子计数器(aerodynamic particle sizer, APS),粒子载带电荷后在电场中运动特征的差分迁移分析仪(differential mobility analyzer, DMA),粒子吸湿增长后利用光学方法观测的凝聚粒子计数器(condensation particle counter, CPC)等。DMA需要与CPC联合应用形成差分迁移粒度谱仪(DMS)或者扫描迁移粒度谱仪(SMS或SEMS),才能有效观测气溶胶的粒径分布情况。OPC通常用来观测0.1μm以上的粒子,APS观测范围大多为0.5-20μm,DMS或者SMS系统最小观测粒径通常为~0.005μm,但目前最新的DMA和CPC系统可以分析0.003μm以下的纳米级气溶胶。

目前气溶胶中化学组分在线观测设备大多仍处在完善改进阶段,能分析的化学组分种类较少,分粒径等级观测能力欠缺,尚不能取代传统的分级采样。研究中使用较多的主要有气溶胶质谱(aerosol mass spectrometer, AMS),在线离子色谱(如URG-9000系统),黑碳仪(aethalometer)等。利用AMS可以观测气溶胶中不耐热的化学组分(SO42-、NO3-、NH4+和有机物),元素碳(EC)和无机元素等不能进行有效分析(Huang et al., 2010);利用在线离子色谱可以分析气溶胶中的水溶性离子和硝酸、硫酸、盐酸等组分;利用黑碳仪可以分析气溶胶中吸光组分的浓度情况。其他化学组分在线监测,如利用热光法检测有机碳(OC)和元素碳(EC),利用X-ray荧光分析无机元素等,也有相应设备(Park et al., 2006; Yanca et al., 2006),但精度及准确度都相对较低,应用较少。

国外从2000年开始,利用上述设备对细粒子数浓度和新粒子生成过程等方面开展了很多研究,下面几篇文献对国外主要的研究进行了总结概述,对不同地域环境下新粒子生成过程进行了介绍,不同城市间各模态气溶胶的数浓度进行了比较分析(Wu et al., 2008; Yue et al., 2009; Shen et al., 2011; Zhang et al., 2011)。

总之,目前气溶胶粒径分布自动在线观测技术已经基本成熟,能够较为稳定的观测3nm-20μm气溶胶的粒度谱分布,但价格昂贵,维护使用成本高。气溶胶化学组分在线观测设备目前仍然处于发展阶段,在线离子色谱相对成熟一些,其他在线设备在运行稳定性、准确性方面还有不足,标校维护等工作需要较高的技术能力和经验。

  二、我国气溶胶理化特征观测研究

气溶胶尤其是细粒子数浓度和新粒子生成等方面相关研究,总体较少,在国内开展略晚于国外,2004年前后在北京及周边、珠三角和长三角等地有所开展,在已经开展的相关研究中,主要针对数浓度粒径分布、新粒子生成过程、云物理和气溶胶光学等方面。

2004-2008年,北京大学胡敏课题组的Wu et al.(2007, 2008),Yue et al.(2009, 2011),Huang et al (2010)和Guo et al.(2010)等人在北京大学和榆垡等地,利用TDMS、MOUDI采样器等设备对气溶胶数浓度粒径分布,不同粒径范围中水溶性离子等开展了观测研究,并在2008北京奥运期间采用AMS对气溶胶中二次离子和有机物等的浓度进行了在线观测。

2009-2010年,北京大学赵春生课题组的Deng et al.(2011),Liu et al.(2011),Ma et al.(2011, 2012),Yang et al.(2011)和Chen et al.(2011)等人在天津杨村,利用SMS、APS、CCN计数仪、浊度仪、黑碳仪和HH-TDMS等仪器对气溶胶数浓度粒径分布、CCN数浓度、气溶胶吸收和散射系数、气溶胶分粒径吸湿增长等方面开展了观测研究。

Zhang et al.(2011)等在2008年奥运期间,在中国气象局内利用SMS和AMS,对NPF过程出现中气溶胶数-质量浓度的粒径分布特点及主要化学组分尤其是二次气溶胶的变化进行了分析,并分析了NPF出现的时间特点,气象及污染物背景条件等。Gao et al.(2012)等在2008年夏季,在中国环科院对气溶胶数浓度粒径分布的总体和日变化特征,以及NPF过程中数浓度的变化特点等进行了分析。

2004年秋季,Liu et al.(2008)等人在广东新垦利用TDMS和APS系统,对气溶胶的数浓度粒径分布进行了观测研究,分析了四个模态的数浓度特征,此外对数浓度日变化特征和NPF过程中的各种物理参数的变化进行了讨论。2006年夏季,Yue et al.(2010),Rose et al.(2010, 2011)和Xiao et al.(2011)等人在广州的城区和后园两个点,利用SMS、TDMS、APS、AMS、CCN计数仪和MOUDI等采样观测仪器,对气溶胶数浓度粒径分布,其中主要离子组分、有机物,及CCN数浓度等进行了系统观测研究。

2005年夏季,Gao et al.(2009)等在上海郊区利用SMS对气溶胶的数浓度总体及日变化特征进行了分析,并分析了NPF过程中新生成粒子的数浓度特征及相应反应性气体的浓度特征。

2005-2007年,Kivekäs et al.(2009)等在青海瓦里关利用DMS,对气溶胶数浓度粒径分布进行观测,分析了其季节变化和区域输送的影响,及核模态与爱根核模态气溶胶的日变化特征。2008-2009年,Shen et al.(2011)等在上甸子本底站利用TDMS,研究了气溶胶数浓度粒径分布的季节、日变化特征,对NPF过程出现的季节特点及气溶胶主要物理参数进行了分析。

目前,我国气溶胶理化特征观测研究发展极不均衡,细粒子理化研究不足。绝大部分地区刚开展PM2.5质量浓度的在线观测,化学组分研究缺乏,细粒子数浓度和分级化学组分资料更是空白,北京、上海和广州等地,PM2.5化学组分相关研究开展较为广泛,但大多基本是基于膜采样的,缺乏足够的时间分辨率和分粒径信息,对于气溶胶生成转化过程中物理化学变化情况和光学特征无法很好进行分析,利用采集到PM2.5的化学组成进行来源分析,在时效性和代表性方面也有很大的局限性。总之,细粒子精细化理化特征的相关研究仍然不足,气溶胶形成转化机理没有全面理清。

  三、首都地区发展该领域的相关建议

PM2.5质量浓度的在线观测目前在北京已经全面展开,环保局、气象局有大量站点铺开,这些监测数据对于污染评估、防治及相关业务服务非常重要,目前重点是加强不同部门和行业间的数据共享。

基于PM2.5膜采样及实验室化学分析的相关研究已经开展了大量研究,基本结论已经较为清晰,研究方法创新空间很小。北京地区大气污染发展变化速度很快,往往数个小时内污染水平就会发生巨大变化,所以应该进一步开展气溶胶物理化学特征以及二次气溶胶前体物的精细化在线监测研究,提高对首都地区气溶胶生成转化机制和来源的认识水平。

在较短时间尺度内,对于大气污染的发展变化,气象条件起到了决定性作用,一方面决定了污染物的传输和扩散,更重要的是直接影响二次污染物的生成转化。目前北京地区PM2.5中,二次组分占到了60%左右,在重污染过程中所占比例更高,所以必须结合温度、湿度、光照、风速等气象条件,综合分析气象条件对大气污染过程的影响条件和具体程度,结合气象条件和天气过程特点,针对性地开展气溶胶精细化理化特征观测研究。

目前北京地区大气污染的区域化特征越来越突出,区域性水平输送和垂直输送过程使得北京大气污染的来源和贡献非常复杂,需要加强区域化污染过程分析,分析不同类型的传输变化规律,所以要在更大区域内整体分析气溶胶及其前体物的变化特点。

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