不同天气类型广东大气超级站细粒子污染特征初步研究

2012年5月至7月期间,以广东大气超级监测站为观测平台,利用单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）和其他多种环境监测仪器对大气污染现象进行高时间分辨的长期连续观测。以能见度和相对湿度为参考,将天气类型划分为2次灰霾、1次暴雨和多次晴朗天气过程。观测结果表明, SPAMS捕获的颗粒物数浓度与PM2.5和PM1的相关性（R2）分别达到0.538和0.448,呈现出一定的相关性。大气颗粒物浓度在不同天气条件下,浓度变化较大,其中,灰霾天气下, PM2.5和PM1浓度最大小时均值分别达到0.132 ng/m3和0.094 ng/m3。观测结果表明,粒径处于600～800 nm的细颗粒物对该区域的灰霾形成过程起了最为关键的作用。该地区的大气颗粒物类型主要可分为7种：元素碳（EC）、有机碳（OC）、元素-有机碳混合（ECOC）、大分子有机碳（HMOC）、海盐（Na-K）、富钾颗粒（K-rich）和富铅颗粒（Pb-rich）。灰霾天气,各类型颗粒物数量浓度均有一定程度的增加,其中以EC和K-rich的增加最为明显。分析表明,第一次灰霾主要是由于大气光化学反应起到主导作用,而生物质燃烧又增大了灰霾程度；第二次灰霾过程,生物质燃烧产生的影响更大。

在线单颗粒气溶胶质谱在大气重金属铅污染事故中的应用研究

重金属铅由于其对人体健康的影响而广受关注。利用在线单颗粒气溶胶质谱仪对2012年发生在华南地区的一次金属铅污染事故中的含铅颗粒物的质谱特征、粒径分布及排放规律进行了分析。监测发现A、B两个监测点位的含铅颗粒物比例多在夜间或凌晨达到高峰,高峰时刻含铅颗粒物数浓度占比最高可达67%,对比广州市区、鹤山超级站的含铅颗粒物浓度占比,可知该地区含铅颗粒物的污染程度较高。两监测点位的含铅颗粒物质谱特征及粒径分布情况非常相似,可能存在相同的排放源或具有相同的形成机制。质谱中都均含有明显的铅、元素碳、硫、硫酸盐等信号,可能来自于燃煤源的排放。通过进一步对比分析燃煤烟气排放的含铅颗粒物质谱特征,判断其为燃煤源排放。

岭南亚热带森林冠层大气挥发性有机物污染特征及区域人为源的影响

大气中挥发性有机物(VOC)对空气质量、气候变化和人体健康均有重要影响。我国南方亚热带森林地区大气VOC浓度易受区域人为源排放影响。为定量探究其影响,于2019年8—9月在鼎湖山和车八岭自然保护区森林站点,通过无人机机载设备采集并分析了午后和晚上林冠层上方不同垂直高度的大气VOC和臭氧浓度,结合WRF-GC模型模拟和情景分析定量评价了区域人为源排放对林区大气环境的影响。结果表明:林区大气植物源VOC(BVOC)浓度低,人为源VOC(AVOC)浓度相对较高;车八岭AVOC浓度低于鼎湖山,BVOC浓度则高于鼎湖山,受区域人为源排放的影响较鼎湖山小;[甲基丙烯醛(MACR)+甲基乙烯基酮(MVK)]/异戊二烯比值高,说明2个站点BVOC大气转化均较快;2个站点不同采样高度上AVOC物种浓度差异均不显著,车八岭BVOC物种浓度差异也不显著,但鼎湖山异戊二烯和α-蒎烯在25和100 m处浓度差别较大,垂直湍流扩散可解释这一差异。此外,WRF-GC模型对鼎湖山林区大气污染物地表浓度的模拟效果较好。在关闭区域人为源情景下,鼎湖山异戊二烯日均模拟浓度增加4倍,臭氧浓度降低3倍,说明我国南部亚热带森林大气受区域人为源排放影响,BVOC向其氧化产物的转化加快,可能促进植物源二次有机气溶胶(SOA)的生成,而臭氧浓度超过植物耐受阈值,长期暴露会引起林区植被损伤。

区域大气细粒子污染特征及快速来源解析

在广东大气超级站使用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS)等仪器开展综合观测,2013年12月共监测到两个污染过程,主要的化学成分为元素碳(EC),占总颗粒数的56.8%,其次为有机碳(OC)和重金属(HM),分别占总颗粒数的12.7%和10.1%.两个污染过程中,不同颗粒类别的变化趋势有差异,说明两个污染过程的污染特征有所不同.污染来源分析发现,监测期间主要受到机动车尾气源和燃煤源的影响,二者分别占24.8%和22%;其次为工业工艺源和生物质燃烧,分别占16.4%和10.3%.第一个污染过程中,工业工艺源是首要污染源,而随着颗粒物浓度的增高,燃煤和二次无机气溶胶的比例明显增加,说明此污染过程中受一次污染源(燃煤源和工业工艺源)和二次光化学反应的复合影响.而第二个污染过程中,机动车尾气为首要污染源,其次是燃煤和工业工艺源,整个过程中各源的比例较为稳定,说明该次污染过程主要由不利气象条件导致的污染物累积形成.

鹤山大气超级站旱季单颗粒气溶胶化学特征研究

利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱等仪器在鹤山大气超级站开展综合观测,结合ART-2a自适应共振神经网络聚类算法,将2013年11月4日~2013年12月30日期间监测到的1637330个细颗粒分成9类：EC-Fresh颗粒、EC-Nitrate/Sulfate颗粒、K-EC颗粒、Ca-EC颗粒、ECOC颗粒、OC-Levoglucosan颗粒、OC-Nitrate/Sulfate颗粒、K-Nitrate/Sulfate颗粒和Metal-rich颗粒.结果表明：该大气超级站所在地区旱季霾日有利于与水溶性二次无机组分混合的EC-Nitrate/Sulfate颗粒、K-Nitrate/Sulfate颗粒的累积;晴朗天更有利于二次有机组分在气溶胶颗粒中生成,雨天受当地排放源的影响显著,含有较高EC-Fresh和K-EC颗粒.相关性的研究发现,EC-Nitrate/Sulfate颗粒与能见度有良好的相关性,它们对霾的形成有至关重要的作用.

东莞地区冬季大气边界层结构对PM_(2.5)影响的观测研究

利用2013年12月在东莞地区开展大气边界层观测试验得到的垂直风温资料和逐时PM2.5质量浓度资料,研究了东莞地区大气边界层结构对PM2.5质量浓度的影响的。结果表明:在大陆冷高压控制下,东莞地区的边界层结构演化非常典型,而东莞地区冬季PM2.5污染事件通常由冷气团南下的天气形势引起。在PM2.5污染过程中,日平均边界层高度往往不足600 m,较低的大气边界层高度使得PM2.5持续累积,夜间稳定边界层高度约为100 m使得夜间出现PM2.5质量浓度峰值。东莞地区的垂直风场存在显著的三层结构,较小的底层风速有利于PM2.5聚集在边界层内难以扩散,而高度较低的小风中层使得PM2.5污染物进一步被压缩在大气底层,加剧了地表的PM2.5污染程度。在冬季大陆冷高压控制下,在PM2.5污染过程中,东莞逆温结构多发,低空逆温层底约在700m,而且厚度和强度都较大,夜间常见贴地逆温,且厚度约为100 m,持续稳定存在的较低的逆温层导致的稳定层结是造成PM2.5污染的重要原因。

不同季节广东鹤山超级站大气颗粒物中有机碳(OC)和元素碳(EC)粒径分布研究

为了解鹤山大气含碳颗粒物的粒径分布特征,于2014年7月和2015年1月,以广东省大气超级监测站为观测平台,采用10级串联撞击式采样器MOUDI采集了鹤山市夏季和冬季的大气颗粒物,用美国Sunset有机碳/元素碳分析仪对其中的有机碳(OC)和元素碳(EC)进行了分析。结果表明,鹤山夏季和冬季PM、OC和EC均主要集中在小于3.2μm的粒径段。其中OC和EC在0.32~1.0μm粒径段浓度最大,夏季分别为(2.26±0.72)μg/m^3和(0.89±0.36)μg/m^3,冬季分别为(10.85±5.49)μg/m^3和(1.47±0.71)μg/m^3。晴天OC浓度明显在各个粒径段都大于雨天,而EC浓度在晴雨天变化不明显。灰霾天气PM、EC和OC在各个粒径段的浓度都大于优良天气。鹤山大气中的OC和EC相关性以及SOC质量浓度在不同天气情况下存在较大差异。

典型二次有机气溶胶危害性及环境监测技术研究进展

二次有机气溶胶(SOA)是细颗粒物中重要组成成分,相比一次有机气溶胶(POA),SOA对环境、气候变化和人体健康有着更大的影响。国内外已经在城市、郊区和背景区域开展了SOA基础观测与研究工作,积累了丰富的基础数据,为掌握SOA演变机理及其影响因素奠定了坚实基础,但是,其研究主要局限于短期观测,对其具体发生条件、变化规律和重要演化过程及形成机理特征并未开展系统的观测与研究。为进一步改善空气质量,亟需长期开展高时间分辨率高物种分辨率的综合观测。

沙尘天气细粒子污染快速来源解析初步研究

指出了对颗粒物化学组成及其来源的研究是识别区域污染形成机制、制定有效控制措施的重要基础。单颗粒气溶胶质谱仪(Single particle aerosol mass spectrometer,SPAMS)已广泛用于分析大气颗粒物,通过采集数以万计的颗粒物,实时在线分析颗粒物的粒径大小、化学组分,是实现快速源解析的有效手段。2016年3月底在郑州市捕捉到一次典型的沙尘天气,共采集到118375个颗粒进行了分析。研究结果表明:该地区的大气颗粒物类型主要可分为8种:元素碳(EC)、混合碳(ECOC)、有机碳(OC)、钠钾(NaK)、富钾颗粒(K)、左旋葡聚糖颗粒(LEV)、矿物质颗粒(SIO)、重金属颗粒(HM)。在污染过程中,各类型颗粒物数量浓度均有一定程度的增加,SIO增加最为明显。分析表明,扬尘源的增加和机动车尾气源占比居高不下是此次沙尘天气的主要因素。

前体物与气象因子对珠江三角洲臭氧污染的影响

利用2012年中国气象局广州番禺大气成分站的O_3、NO_x逐时浓度数据,广州观象台逐时的温度、相对湿度以及风向风速数据,统计分析了2012年O_3前体物(NO_x)以及气象因子对珠江三角洲(以下简称珠三角)地区臭氧浓度的影响.研究发现:O_3和NO_x均表现出单峰结构的月变化特征,且分别于10月和3月达到峰值,为(104.9±68.0)μg/m^3,(131.1±122.1)μg/m^3.O_3的日变化为单峰分布,午后的浓度较高,而NO_x浓度于早晚高峰有增加,且夜间浓度高于白天.NO_x对O_3有显著的滴定作用,O_3浓度随着NO_x浓度的增加呈现指数形式下降.高温低湿条件有利于O_3的形成.与NO_x类似,O_3浓度随着温度和相对湿度的增大以指数形式相应的增大和减小.当珠三角地区受偏西风控制时,下风向地区的O_3浓度最高,而当珠三角地区盛行偏北风时,下风向地区的O_3浓度最低,且该方向所对应的NO_x浓度最高,表明广州城区的NO_x对O_3的滴定作用显著.珠三角地区发生光化学污染的关键性因子主要为20~40μg/m^3的NO_x浓度,高于27°C的气温,低于55%的相对湿度以及受偏西风控制.分析发现10月份O_3的形成主要受VOCs控制,且烯烃的O_3生成潜势贡献最大,为69%,而烷烃和芳香烃的贡献分别为15%、16%.

2006～2012年珠三角地区空气污染变化特征及影响因素

利用粤港珠江三角洲区域空气监控网络2006~2012年监测结果,分析了珠三角地区SO2、NO2、O3和PM10浓度的年、月变化及空间分布特征,并对产生时空分布变化的原因进行了剖析.结果表明：7年来,珠三角地区SO2、NO2和PM10浓度呈下降趋势,降幅分别为61.7%、17.4%和24.3%,O3浓度呈上升趋势,增幅为12.5%,总体而言,珠三角地区空气质量呈好转趋势;湿季（4~9月）空气质量明显优于干季（10月至翌年3月）,各污染物浓度的月变化均呈双峰型,SO2、NO2和PM10峰值浓度出现在12月和3月,O3峰值浓度出现在10月和5月;SO2、NO2和PM10浓度高值区主要集中在中部的广佛地区,O3浓度在外围郊区呈现高值,各部分地区的污染物浓度变化趋势不一致,中部经济核心区一次污染物浓度下降趋势更为显著.珠三角地区空气质量的变化受多方面因素的影响,经济下行和政府治理是驱动一次污染逐年好转的主要因素,而政府对VOCs排放控制相对薄弱,VOCs排放与气候变化的共同作用可能是导致二次污染（尤其是O3污染）加剧的原因.

单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪在细颗粒物研究中的应用和进展

单颗粒气溶胶质谱技术起源于20世纪70年代,在近二十年得到了快速的发展。单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪具有高时间分辨率,且同时测量大气中单个细颗粒物粒径、多种化学组分和混合状态的特点,在大气细颗粒物监测和科学研究中逐渐得到了广泛应用。本文对单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的发展历程进行了介绍,对目前已商品化的单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪ATOFMS和SPAMS的原理、数据分析方法、结果输出方式以及在环境监测和研究中的主要应用进行了总结,并指出单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的发展方向。

珠江三角洲地区的灰霾天气研究进展

珠江三角洲地区是我国气溶胶污染较严重的地区之一，也是国内较早开展灰霾天气研究的地区，从灰霾标准、科学概念、长期变化趋势、细粒子污染本质、水平输送和垂直扩散能力以及气溶胶的光学特性和物理化学特性方面进行了研究。结果表明，近年来珠江三角洲地区的气溶胶污染日趋严重，气溶胶云一年四季都出现，且长期稳定存在，重污染区位于珠江口以西的珠江三角洲西侧。灰霾天气主要出现在10月至次年4月。灰霾导致能见度恶化。自20世纪80年代初开始，该地区的能见度急剧恶化，灰霾天气显著增加，其中有3次大的波动，分别代表珠江三角洲经济发展相伴随的粗颗粒气溶胶污染、硫酸盐＋粗颗粒气溶胶污染、光化学过程的细粒子＋硫酸盐和粗颗粒气溶胶的复合污染时期。雾和轻雾造成的低能见度的长期变化趋势，没有由于人类活动影响或经济发展影响带来的趋势性变化，其波动主要反映了气候波动固有的年际和年代际变化。珠江三角洲能见度的恶化主要与细粒子关系比较大，PM10有一半年份的年均值超过国家二级标准的年均值浓度限值（70 μg m-3），而细颗粒物（即PM2.5）各年都超过国家二级标准的年均值限值（35 μg m-3），尤其是有些年份年均值浓度超过标准限值的2倍，细粒子浓度甚高。另外，近年细颗粒物占PM10的比重非常高，可达57%～79%，黑碳气溶胶浓度非常高，月均值达到5.0～9.1 μg m-3，黑碳气溶胶污染严重。和20余年前的资料相比较，细粒子在气溶胶中的比重有明显增加，有机碳和硝酸盐、铵盐的占比增加，而硫酸盐占比略有减少，钙占比明显减少。区域气流停滞区的形成是发生严重灰霾天气的主要气象条件，垂直输送能力不足也是加重灰霾天气的气象条件之一。

便携式飞行时间质谱仪用于室内甲苯、二甲苯污染快速溯源分析

采用自行研制的高时间分辨便携式飞行时间质谱(Portable time-of-flight mass spectrometry,P-TOFMS),基于网格布点检测法,在污染和通风自净后的条件下,以高暴露风险的甲苯、二甲苯作为VOCs代表物质,实时、在线监测1394 m2室内空气中的甲苯、二甲苯的浓度分布,并根据高时间分辨数据对污染源进行快速解析。结果表明,1.5 h内即可完成室内40个采样点的全部分析工作;污染条件下室内甲苯和二甲苯的最高浓度为2633和223μg/m3;自然通风24 h后,浓度分别降低至113和173μg/m3;2个模拟污染源及1个背景污染源均被准确识别。P-TOF-MS技术在家居、车间等室内空气VOCs污染源快速识别方面具有广阔的应用前景。

华南地区大气气溶胶中EC和水溶性离子粒径分布特征

利用1988~2010年在华南地区广州、深圳、海口等多地采得的126组样品,初步分析了华南地区不同时段不同地区和水溶性离子成分的浓度变化及其粒径分布特征.结果表明：各站的AEC（等效元素碳）浓度和水溶性无机离子浓度差异较大,Na＋和Cl-基本表现为海岛站点〉海岸站点〉乡村站点〉城市站点,其余主要离子成分和AEC则表现为城市站点〉乡村站点〉海岸站点〉海岛.城市站点、乡村站点、海岸站点和海岛站点AEC质量浓度在不同年段随粒径分布的变化趋势比较一致的,基本呈双峰结构,主峰主要位于0.43~0.65μm,次峰主要位于4.7~5.8μm.根据各离子的粒径分布的相似性可以将各种离子的垂直分布形态分为3类：二次离子（SO4^2-、NO3^-和NH4^＋）呈现明显的三峰分布形态;F-、Ca^2＋、Mg^2＋、Na^＋和Cl^-呈双峰分布形态;K＋和AEC呈单峰分布形态,主峰位于细粒子模态.各成分浓度随高度的变化则呈现不同的变化规律.降水对气溶胶粒子的清除作用是显著的,尤其是粒径大于1μm的颗粒,而1.1~2.1μm的粒子段是降水清除的关键区.局地污染中,AEC质量浓度随粒径的分布呈现出了很明显的＂单峰＂结构,且主要集中在次微米段粒径范围内.

基于单颗粒气溶胶质谱的人体呼出颗粒物粒径分布与化学成分的分析方法研究

人体呼出气中内源性颗粒物和外源性颗粒物的粒径和化学成分信息可为肺部疾病诊断、环境暴露评价等研究提供参考。该文初步考察了单颗粒气溶胶质谱(Single particle aerosol mass spectrometry,SPAMS)同时获取人体呼出气中颗粒物(Exhaled breath particles,EBPs)粒径分布和化学成分的可行性。结果表明,健康成人的EBPs数浓度为227~1 043个/L,获取具有统计意义的粒径分布所需的EBPs检出限为2 500个颗粒物,粒径范围为200~1 000 nm,峰值出现在460 nm。与环境空气颗粒物的粒径分布相比,EBPs更多分布在200~300 nm和440~660 nm,从化学成分来看,这两段粒径范围内的EBPs含有更多的碳元素,不易在体内发生吸湿增长,提高了被呼出的概率。EBPs的化学成分可能反映内源性颗粒物和外源性颗粒物组成,如HSO_4^-、PO_3^-、CN^-、CNO^-和C_xH_yO_z^+(x=1~3,y=1~7,z=1~3)可能与内源性颗粒物中的蛋白含量、磷酸酯酰甘油等成分有关,碳簇峰C_3^-、C_4^-、C^+、C_3^+、C_3H^+和C_4^+推测与外源性颗粒物中的碳元素有关。

2016年某重大活动期间杭州市PM_(2.5)组分及来源变化研究

为评估杭州市某重大活动期间管控措施在改善空气质量方面的有效性,利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪分析了杭州市2016年该重大活动期间和2015年同期PM_(2.5)的组成及来源。结果表明:相比2015年同期,2016年监测期间PM_(2.5)中元素碳占比明显降低。从源解析结果上看,受管控措施影响,2016年燃煤、扬尘的贡献率明显降低。相对于管控解除期间,实施管控措施后,各污染源贡献的电离颗粒数均有明显降低。以上结果表明本次管控措施成效显著。

快速气相色谱控制系统的设计与应用

设计了一种用于快速气相色谱（Fast gas chromatography,FGC）的新型控制系统.该控制器主要由色谱柱温度控制系统、自动进样及气路压力控制系统组成.其温度控制范围为30～160℃,升温速度约为3C/s,温度控制精度为±0.5℃,载气压力控制范围为0～0.5 MPa.将本控制器应用于自制快速色谱,并用色谱对由直链正构烷烃（C1～C8）以及甲苯9种物质组成的标准样品进行测试.结果显示,色谱能在100 s内将此9种物质完全分开.

广州秋季灰霾生消过程气溶胶单颗粒组成特征研究

为了解广州地区灰霾天气成因及污染特征,更好地为保障空气质量提供基础数据和科技支撑,利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)研究了广州市秋季(2013年9月26日─10月10日)灰霾生消过程中大气气溶胶单颗粒组成特征。根据空气质量将观测时段划分为优良、轻度污染和重度污染3种类型,并对颗粒物化学组成的变化过程进行分析。研究结果表明,大气颗粒物类型主要可分为8种:元素碳颗粒(EC)、有机碳颗粒(OC)、元素碳有机碳混合颗粒(ECOC)、大分子有机碳颗粒(HOC)、富钾颗粒(K-rich)、左旋葡聚糖颗粒(LEV)、重金属颗粒(HM)和富硅酸盐颗粒(SI),这8种颗粒类型占了监测期间总颗粒的96%。重度污染天气下,从颗粒物平均质谱图来看,颗粒中含有的二次离子(硫酸盐和铵盐)相对于优良天气明显升高;从成分类别来看,富钾颗粒比例从15.1%增加到58.3%,说明来自生物质燃烧一次源的比例大幅增加,结合风速变化推断,灰霾发生的原因主要是由于气象扩散条件不利(平均风速小于3 m·s^(-1)),来自生物质燃烧的颗粒物持续积累,同时二次反应导致气溶胶颗粒更加老化。

广州地区大气能见度与颗粒物关系的初探

采用番禺大气成分站2007—2013年的能见度、颗粒物(PM1、PM2.5、PM10)及番禺气象局站的相对湿度(RH)资料,对颗粒物7年来的变化状况进行了分析。以RH为标准,将能见度和颗粒物数据分为RH≥90%、80%<RH<90%和RH≤80%3个部分,并以相关系数(R2)为判断标准,分别对其之间的相关性进行了分析。结果表明,PM10、PM2.5、PM1多年日平均值分别为56.6、43.0、38.5μg/m3,颗粒物值旱季高于雨季。当RH≤80%时,颗粒物与能见度的相关性最好,R2大小顺序为:PM10(0.47)<PM2.5(0.57)<PM1(0.58);当80%<RH<90%时,颗粒物与能见度的相关性次之,分别为PM10(0.4)<PM2.5(0.46)<PM1(0.49);当RH≥90%时,颗粒物与能见度的相关性较差。