南京大气颗粒物化学组分的粒径分布和来源解析

大气颗粒物中化学组分的粒径分布与其来源、形成过程、环境及健康效应密切相关。而过去对不同季节颗粒物的粒径分布特征,以及不同来源对粗、细颗粒物的贡献的研究相对较少。于2022年12月(冬季)和2023年8月(夏季)在南京采集了大气分粒径颗粒物样品,分析了粗颗粒物(PM_(2.1-10))和细颗粒物(PM_(2.1))中碳质组分和主要水溶性无机离子的粒径分布和季节变化,运用正定矩阵因子分解模型(Positive Matrix Factorization,PMF)进行PM_(2.1-10)和PM_(2.1)的源解析。结果表明,在粒径分布特征上,冬夏两季有机碳(OC)、元素碳(EC)、水溶性有机碳(WSOC)的平均浓度呈双峰型分布。SO_(4)^(2-)和NO_(3)^(-)的季节平均浓度均为双峰型分布。NH_(4)^(+)主要分布在细颗粒物中,季节平均浓度呈单峰型分布,冬夏季均在0.43-0.65μm出现峰值。在季节变化上,颗粒物中除Na^(+)和SO_(4)^(2-)外的主要化学组分浓度均在冬季高于夏季。冬夏两季Ca^(2+)、Mg^(2+)主要集中在粗颗粒物中。根据PMF模型解析结果,南京大气颗粒物主要有4类来源贡献,即交通源、二次生成、生物质燃烧和扬尘源。PM_(2.1)主要来自二次生成和生物质燃烧源,冬夏季分别贡献了65.7%和61.0%,其中冬季生物质燃烧和二次硝酸盐的贡献占主导地位,而夏季主要来自二次硫酸盐的贡献。冬季PM_(2.1-10)主要来自交通源(41.8%),夏季则主要来自生物质燃烧和硝酸盐的二次生成贡献(43.9%)。研究探讨了大气颗粒物的化学组分的粒径分布特征、季节差异及来源,可为制定有针对性的大气污染防控措施提供科学依据。

2000年春季沙尘暴过境大气微粒的元素组成及Ca/Al比值特徵

2000年春季大陆内蒙古地区发生多次沙尘暴,强度之大及影响范围之广为近年来罕见,本文主要报告3月下旬在台湾中部量测大气悬浮微粒之结果,并针对此案例分析大陆沙尘对本地PM10物化性质的影响,采样时程从3月26日开始至31日,地点选择梧栖、崇伦、彰化、草屯和南投测站,每天分日夜於各测站采集粗粒(2.5μm<d<10μm)及细粒(d<2.5μm)样本,并分析悬浮微粒之微量元素、水溶性阴阳离子、有机碳及元素碳。分析的结果再与1999年12月11日至16日(非沙尘期间)量测结果比较,3月29日白天大陆沙尘影响中部地区最为严重,沙尘暴期间各测站量测的粗粒质量占PM10之比例为70～78%,而非沙尘期间粗粒所占比例仅有41～46%,沙尘暴期间带来大量含矿物元素Ca、Mg、Al、Fe及Mn,其浓度分别为非尘期间4.9、4.7、4.1、2.4及1.9倍,而细粒浓度及来自燃烧或工业排放相关的元素大致与非尘暴期间的浓度相近。此外,沙尘过境期间各测站矿物元素变化一致,表示来自单纯一种污染源,且Ca/Al比值几乎呈定值约在0.6～0.8之间。

在用机动车基于台架试验CO_(2)排放因子研究

本研究选取14辆中国目前常用的在用轻型和重型机动车,利用底盘测功机,分别在WLTC(世界轻型车测试程序)和C-WTVC(中国重型商用车辆瞬态循环)工况的冷启动程序下,测试CO_(2)排放因子,同时研究了相应的油耗,并比较不同的影响因素.结果表明:机动车CO_(2)排放因子受到排量、冷热启动、燃料和驾驶路段的影响;机动车在城市路段冷启动条件下油耗最高,导致CO_(2)排放因子更高,比全工况冷启动和城市路段热启动条件下分别高出了26.6%~199.7%和8.3%~35.5%;高排量重型柴油货车在市区油耗更高,导致CO_(2)排放因子大幅增加,因此禁止大排量重型柴油货车进入市区能有效控制CO_(2)排放;使用液化石油气替代燃油会降低机动车CO_(2)的排放,液化石油气公交车和出租车在城市路段的CO_(2)排放分别降低37.2%和12.1%,而高速路段则分别降低51.8%和20.3%;当前更为符合道路实际的WLTC工况依旧会对中国实际道路轻型机动车CO_(2)排放因子和油耗分别产生31%~46%和17.7%~26.8%的低估.为了得到更为准确的排放因子数据,我国须加快工况的本土化改良.

不同大陆沙尘事件对台湾中部地区大气气胶化学组成的影响

2002年中部地区受大陆沙尘事件的影响共计8个案例,本研究於台中市中兴大学测站量测PM2.5与PM2.5-10化学成分及气胶的粒径分布。大陆沙尘事件期间,PM2.5-10质量浓度平均为44.7μg/m3,为平常22.5μg/m3的2.0倍,而PM2.5质量浓度则为平日的0.8倍。由微粒粒径之分析结果显示,大陆沙尘事件期间所带来的沙尘微粒,主要介於1.8～3.2μm。在化学组成方面,PM2.5-10中之地壳元素Mg、Ti、K、Fe、Al的浓度分别为平日的2.8、2.4、2.3、2.2及1.2倍,海盐气胶Cl-及Na+浓度亦为平日的2.5及2.0倍,NO3-、SO4=、EC及OC之浓度则为平日的1.6、1.4、1.2及1.2倍,显示经远程传输的沙尘微粒主要带来尘土矿物及海盐气胶外,硝酸盐、硫酸盐及碳微粒浓度,在沙尘事件日期间亦有些微的增加。藉由HYSPRIT模式推估72小时逆推气流,分析不同沙尘远程传输路径对中部地区悬浮微粒物理化学特性之影响,结果发现2月11日12日,沙尘源地为内蒙古西侧,气团经由大陆沿海高污染地区传输至台湾,粗微粒中硫酸盐微粒之质量比例分别为5.4%,明显高於大陆沙尘事件日平均值(3.7%)。3月19日及4月19日的两波沙尘暴,沙尘源地均为内蒙古西侧沙漠及甘肃与新疆交界处经由海洋传输至台湾地区,导致PM2.5-10海盐气胶质量比例分别为7及9%。

南京夏季大气臭氧光化学特征与敏感性分析

对流层臭氧(O_(3))主要由氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)经过一系列光化学反应生成,反应过程呈现复杂的非线性关系.为深入了解O_(3)的光化学特征及生成机制,利用2018年夏季大气O_(3)与VOCs的观测数据,结合大气零维框架模拟模型F0AM-MCM,研究O_(3)超标日和非O_(3)超标日的O_(3)光化学特征之间的差异性.观测结果表明,O_(3)超标日期间φ(O_(3))和φ(TVOCs)的平均值分别为47.8×10^(-9)和49.0×10^(-9),为非O_(3)超标日期间O_(3)(26×10^(-9))和TVOCs(30×10^(-9))体积分数的1.8倍和1.6倍.使用F0AM模型,借助EKMA曲线和RIR分析等识别O_(3)敏感性,发现南京市O_(3)超标日和非O_(3)超标日O_(3)的形成均主要受VOCs和NOx的协同控制.F0AM-MCM模拟结果表明,在O_(3)超标日,·OH和HO_(2)的日平均混合比分别是非O_(3)超标日的1.3倍和1.8倍,表明O_(3)超标日期间具有更强的大气氧化能力,且·OH和HO_(2)的形成和损失速率也有明显的增加,表明自由基循环的增强.此外,O_(3)超标日的O_(3)生成速率明显高于非O_(3)超标日,从而导致了O_(3)超标日的O_(3)净生成速率明显高于非O_(3)超标日.以上发现提高了对南京夏季O_(3)超标日大气O_(3)光化学特征的认识.

Important contributions of natural gas combustion to atmosphericnitrate aerosols in China: Insights from stable nitrogen isotopes

Coal has long been used as a major fuel for human activities in China.Significant amounts of SO_(2) and NO_(x) released into the atmosphere undergo chemical reactions to form secondary inorganic aerosols(SIAs),inducing haze formation[1].

南京北郊降水无机离子和有机酸的化学特征及来源分析

连续收集2016年12月至2017年11月期间的南京降水样品,分析主要无机离子和有机酸的化学特征及季节变化,运用正交矩阵因子模型法(PMF)进行源解析.结果表明,南京地区降水pH均值为5.6,离子总浓度雨量加权平均值为297.3μmol·L^-1,阳离子浓度依序为NH4^+>Ca^2+>K^+>Na^+>Mg^2+,阴离子浓度则为NO3^->SO4^2->Cl^->F^-.总有机酸浓度雨量加权平均值为2.86μmol·L^-1,占总阴离子的2.2%.CHO2^-、C2H3O2^-和C2O4^2-是南京降水主要的有机酸,年雨量加权平均值分别是1.35、1.05和0.26μmol·L^-1.离子浓度总体表现出明显的冬春高和夏秋低的季节性变化,而总有机酸浓度夏季最高,春季次之,冬季最低,生长季节高于非生长季节,与较多的植被排放有关.运用甲酸和乙酸的比值(F/A)判定南京降水有机酸的主要来源为植物生长释放,有机物燃烧,机动车排放等直接来源,大气氧化等间接来源较少.南京降水无机离子和有机酸主要有5个来源贡献,海源和二次无机生成、生物质燃烧、陆源和垃圾焚烧、二次有机生成、生物排放和生物源二次生成,分别贡献40.0%、22.2%、22.0%、14.5%及1.3%.

南京城市大气氨-铵的高频演化及其气粒转化机制

本研究于2018年秋季利用在线气体和气溶胶组分监测仪以高时间分辨率连续测定南京市大气中的气体(主要是NH3)与二次无机气溶胶(主要是NH4+、NO3-和SO42-)浓度,借此研究污染和非污染期城市大气NH3和NH4+的演化规律,进而探讨NH3-NH4+气粒转化过程中的化学机制.结果表明,观测期间NH3和NH4+浓度的平均值(±1σ)分别为(15. 3±6. 7)μg·m-3和(11. 3±7. 8)μg·m-3,且日变化在污染和非污染事件中呈现出显著的差异.综合在线观测的NH3和NH4+浓度数据,通过计算潜在源贡献因子,分析了NH3和NH4+的潜在贡献源区在重污染过程受长距离污染传输影响较小,证明城市也是NH3排放的重要热点地区.进一步分析发现,NH3-NH4+的气粒转化是影响NH3和NH4+日变化的主要驱动因子.具体体现在:低温、高湿(温度在7. 5~12. 5℃,湿度在50%~90%)时,NH3和NH4+的气固转化速度较快,NH3与酸性物质反应生成更多的NH4+,使得(NH4)2SO4和NH4NO3的形成从而导致污染事件的加剧.研究结果有助于厘清城市大气NH3的来源和转化机制及其对颗粒物的潜在贡献.

2015~2019年南京北郊碳质气溶胶组成变化

碳质气溶胶是大气细颗粒物的重要组成,对空气质量、人体健康和气候变化有着重要影响.为了探究碳质气溶胶在减排背景下的长期变化,本研究测定了南京北郊5 a(2014年12月17日至2020年1月5日)PM_(2.5)样品的有机碳(OC)和元素碳(EC)浓度.结果表明,ρ(OC)和ρ(EC)5a平均值分别为(10.2±5.3)μg·m^(-3)和(1.6±1.1)μg·m^(-3),其中OC占PM_(2.5)的31.1%,EC占PM_(2.5)的5.2%.OC和EC均呈现出冬高夏低的季节特征.通过非参数的Mann-Kendall检验和Sen's斜率发现,OC和PM_(2.5)的浓度整体呈显著下降趋势[OC:P<0.0001,-0.79μg·(m^(3)·a)^(-1),-0.29%·a^(-1);PM_(2.5):P<0.0001,-4.59μg·(m^(3)·a)^(-1),-1.58%·a^(-1)].EC虽然整体上升,但显著性和变化幅度相对而言并不明显[P=0.02;0.05μg·(m^(3)·a)^(-1),0.02%·a^(-1)].从冬季的长期变化看,OC、EC都呈显著下降[OC:P<0.0001,-2.05μg·(m^(3)·a)-1,-0.74%·a^(-1);EC:P=0.001,-0.15μg·(m^(3)·a)^(-1),-0.05%·a^(-1)],且下降较总体更明显.OC和EC的相关性表明,冬季和夏季的来源较春季和秋季更复杂.根据OC/EC特征比值判断,2015~2019年燃煤源和生物质燃烧源的贡献有所下降,工业源与机动车排放源的影响日益显著,与此对应的是OC的明显下降和EC的轻微回升.OC/EC比值大于2.0,说明研究区域存在二次污染.进一步计算发现SOC变化与OC一致,呈显著下降[P<0.0001,-0.47μg·(m^(3)·a)^(-1),-0.17%·a^(-1)],均值为(5.0±3.5)μg·m^(-3),占OC的49.2%.以上变化说明南京市近年来对空气污染的防控治理效果明显,同时今后的治理可以针对VOCs的排放,以减轻二次污染.

南京工业区秋季大气挥发性有机物污染特征及来源解析

2018年秋季在南京利用大气挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)吸附浓缩在线监测系统(AC-GCMS 1000)对大气VOCs进行连续观测,以了解其化学特征、臭氧生成潜势和污染来源.结果表明,南京秋季大气VOCs体积分数为(64.3±45.6)×10^-9,以烷烃(33.1%)、含氧挥发性有机物(OVOCs)(22.3%)及卤代烃(21.8%)为主.VOCs的昼夜变化呈"双峰型"变化特征,高值主要出现在清晨的06:00~07:00及夜间的18:00~20:00,主要受机动车排放及气象要素的共同影响.秋季南京VOCs的臭氧生成潜势(ozone formation potential,OFP)为267.1μg·m^-3,主要贡献物种是芳香烃类化合物(55.2%)和烯烃类化合物(20.8%).PMF受体模型源解析确定5个VOCs来源,分别是交通排放(34%)、工业排放(19%)、LPG排放(17%)、涂料及有机溶剂挥发(16%)以及生物质燃烧和燃煤排放(14%),因此控制南京工业区秋季大气污染应主要着力于交通及工业排放的治理.

南京北郊黑碳气溶胶分布特征及来源

黑碳(black carbon,BC)是含碳物质燃烧排放所产生的大气颗粒物(particulate matter,PM)中一种重要组分,其对辐射效应表现为对太阳辐射的吸收和散射,影响着地气系统的能量交换.本研究于2019年1~5月在南京北郊利用黑碳仪AE33(aethalometer,magee)测量了黑碳气溶胶浓度数据,对其日夜变化和季节变化进行分析,并筛选出污染天与清洁天,对其特征和来源进行分析.结果显示采样期间黑炭气溶胶的平均浓度为(3.8±2.3)μg·m^-3,冬季浓度为春季的1.3倍.BC浓度呈现明显的日变化,BC高值出现在日间交通高峰时间段,受到交通排放的影响较大.?ngstrom指数α冬春整体差异不大,春季为1.32冬季为1.30,此结果也指出BC排放源以机动车排放为主.此外,针对采样期间污染天与清洁天的BC来源特征进行分析,发现污染天机动车排放源占比为68%~87%,清洁天为72%~86%,清洁天来源小幅波动但均以机动车排放源为主,污染天相对而言存在一定的机动车源减少生物质和煤炭燃烧源增加的情况,取决于污染时段的排放情况,利用BC/CO(0.005)进一步验证了上述源解析结果.通过PSCF和CWT分析可以得到南京北郊大气BC颗粒物以本地来源为主,但冬季可能存在来自东南地区的机动车排放来源,春季可能存在来自西南地区的生物质及煤炭燃烧来源.总体看来南京北郊黑碳气溶胶分布以冬高春低,并存在明显日夜变化,主要来源为本地的机动车排放为主.

南京毒性挥发性有机化合物夏冬季源解析及健康风险评估

本研究于2018年夏季和冬季,在南京使用吸附浓缩在线监测系统(AC-GCMS 1000)对大气中的挥发性有机化合物(VOCs)进行测量,估算其所造成的健康风险并解析VOCs所造成致癌与非致癌风险的污染来源.结果表明,采样期间南京市冬季φ(总VOCs)为105.7×10^(-9),为夏季(34.5×10^(-9))的3.1倍,以烷烃为主要物种.在健康风险方面,冬季毒性VOCs所造成的非致癌风险及致癌风险值分别为9.43和1.0×10^(-4),是夏季非致癌(5.58)与致癌风险(2.69×10^(-5))的1.7和3.8倍,而丙烯醛和1,2-二氯乙烷是非致癌与致癌风险的主要物种.最后,利用PMF模型解析5个VOCs的污染来源,分别是有机涂料溶剂源、生物质燃烧源、车辆排放源、石油化工源和溶剂源2.车辆排放源是造成致癌风险的最大来源(夏季28.2%和冬季48.0%).因此,建议有针对性地控制毒性VOCs及车辆尾气的排放,以减小可能对公众健康产生的危害.