（大气物理学与大气环境专业论文）广州市气溶胶质量谱与水溶性成分谱分析.pdf

摘要 对2 0 0 6 年9 月至2 0 0 7 年1 月在广州市各采样点采集的气溶胶样品进行分析， 得到分级的质量浓度、水溶性离子成分和o c e c 资料。还用到了2 0 0 6 年l o 月 至2 0 0 7 年1 月广州市g r i m m 粒子谱仪资料和2 0 0 6 年9 月至2 0 0 7 年1 月广东省 4 6 6 个自动站风向风速资料，以及来自广东省环境保护公众网的广州市a p i 资料。 利用矢量和、相对化处理、富集度因子和相关分析等分析方法，对广州市气溶胶 质量谱和水溶性离子成分谱进行了分析，取得以下研究结果： ( 1 ) 广州市各测点的气溶胶质量谱基本呈双峰或三峰分布。其中，黄埔工 业区的气溶胶次微米粒子段( o 4 3 - 0 6 5 p m ) 浓度较高，而白云和荔湾芳村则是 巨粒子( 9 0 1 0 0 p m ) 浓度有一个较高的峰值，而越秀则比较平均。但是总体来 看，细粒子( 0 0 9 2 1 哪) 浓度占到了气溶胶总浓度的四成到六成，细粒子 ( 0 0 8 2 i p r o ) 对气溶胶污染的贡献相当大。而与清洁天气相比，污染天气的细 粒态粒子污染更严重。 ( 2 ) 2 0 0 6 年9 月至2 0 0 7 年1 月广州市各采样点的气溶胶水溶性离予成分 中，浓度最高的阴离子是s o l 。和l q 0 3 ，分别占阴离子总量的5 0 。o 8 0 和 1 0 - 4 0 ；浓度最高的阳离子是n h 4 + 和n a + ，分别占阳离子总量的4 0 6 0 和 4 0 一5 0 。 ( 3 ) 广州市气溶胶中最主要的成分是地壳元素占到了总质量5 2 ，其次是 0 c e c 占了总质量的2 9 ，而水溶性成分总量占了1 9 。 ( 4 ) 根据以往文献的资料计算浓度，发现广州地区水溶性成分的阳离子中， 有一个c a 2 + 浓度逐渐降低，n h 4 + 浓度逐渐增大的过程， c a 2 浓度的降低说明了 广州市的粉尘污染已经受到控制，而n h 4 + 浓度的迅速升高值得我们注意。 ( 5 ) 各离子的谱分布多是三峰或是双峰分布。在巨粒子段( 9 0 - 1 0 0 p r o ) 有一个比较明显的峰，和在微米粒子段( o 4 3 , - - 0 6 5 p r o ) 也有一个峰，但是多数 较巨粒子段上的峰弱。而位于大粒子段( 3 3 5 7 肛m ) 上的峰都比较弱或者没有。同 时，不同离子的峰值也不尽相同。 ( 6 ) 对富集度因子进行分析后发现，相对土壤，只有n a + 和n h 4 + 富集度比 较大，s 0 4 2 和k + 有一定富集，而其他离子则无明显富集，来源较多受到土壤粒 子的影响。相对海洋，f _ 的富集度非常大，因为f 绝大部分都不是来源于海洋， 其他离子则无明显富集。c i - n 矿比值远远小于海水比值1 1 2 ，c l 大量被氯损耗 机制严重耗损。n h g s o ? 比值接近l ，说明广州市气溶胶中两者有相似的来源。 而n 0 3 s 0 4 2 比值较低，说明致酸离子以s 0 4 2 为主，n 0 3 作用较弱些。而正负离 子当量和基本平衡，相比之下阳离子多些，这也与c c h 2 耳日有机酸缺测有关。 ( 7 ) 对广州市气溶胶数密度谱分析后发现，污染天气在大粒子的数量与清 洁天气的相比差别不大，而污染天气细粒子有显著增加，即是说，污染天气时气 溶胶浓度升高，其中细粒子浓度增大的贡献率更大，广州市的空气污染更多的受 到细粒子的影响。 关键词：气溶胶；质量谱；水溶性成分谱；数密度谱；广州市 n a n a l y s i so ft h es p e c t r u mo fl n a s sa n dw a t e r d i s s o l u b l e c o m p o n e n t so fa t m o s p h e r i ca e r o s o l so v e rg u a n g z h o u m a j o r ：a t m o s p h e r i cp h y s i e sa n da t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t n a m e ：x i ad a n g s u p e r v i s o r ：w ud u i ( p r o f e s s o r ) f a ns h a o j i a ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) a b s t r a c t 1 1 砖d a t ao fs p e c t r u mo fm a s sa n dw a t e rd i s s o l u b l ei o nc o m p o n e n t sa n d0 c ，e co f a e r o s o ls a m p l e sc o l l e c t e di ng u a n g z h o uf r o ms e p , 2 0 0 6t oj a n , 2 0 0 7h a sb e e n a n a l y z e d n 硷d a t ao fg r i m md u s tm o n i t o rf r o mo c t 2 0 0 6t oj a n , 2 0 0 7 ；t h ed a t ao f w i n d ( s i x = e da n dd i r e c t i o n ) o f 4 6 6a t m o s p h e r i cs t a t i o n so v e rg u a n g d o n gp r o v i n c ea n d t h ed a t ao fa p io fg u a n g z h o uf r o me n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o no fg u a n g d o n g p r o v i n c e ( h t t p ：w w w g d e p b g o v c n ) h a v ea l s ob e e nu s e di nt h ep a p e r b yu s i n gv e c t o r s u m , r e l a t i v e l yd i s p o s e ，e n r i c h m e n tf a c t o r , r e l a t i v i t ya n d o t h e ra n n l y t i c a im e t h o d s , t h e s p e c t r u i no fm a s sa n dw a t e rd i s s o l u b l ec o m p o n e n t so v e rg u a n g z l l o uh a v eb e e n a n a l y z e d n 砖m a i nc o n c h a s i o i i sa r ea sf o l o w i n g ： f i r s t l y , t h es p e c t r u mo fm a s so fa e r o s o io v e rg u a n g z h e uh a st h r e eo rt w op e a k s 1 1 圮c o n c e n t r a t i o no ff i n e - m o d ep a r t i c l e si nh u a n g p ui sh i g h , a n dt h ec o n c e n t r a t i o no f h u g ep a r t i c l e si nb a i y u na n dl i w a n f a n g c u ni sh i g h ，b u tt h ec o n c e n t r a t i o no f a e r o s u li n y u e ，【i ui se v e n n e s s g e n e r a l l y , t h ec o n c e n t r a t i o no ff i n e - m o d ep a r t i c l e si ng u a n g z h o u o c c u p i e s4 0 ，6 0 o ft h et o t a lc o n c e n t r a t i o na n dh a sab i gc o n t r i b n t i o no nt h ea i r p o l l u t i o n , a n di ti sm o r eo b v i o u s l yi np o l l u t i o nd a y st h a nc l e a nd a y s s e c o n d l y , t h es 0 4 2 - a n dn 0 3 。a r et h em a j o rt w oa n i o n s ，r e s p e c t i v e l yo c c u p y i n g 5 0 8 0 a n d1 0 4 0 o f t o t a lc o n c e n t r a t i o no f t h ea n i o na n dt h en h 4 十a n dn a 十a r e t h em a j o rt w oc a r l o a s r e s p e c t i v e l yo c c u p y i n g4 0 - 6 0 a n d4 0 - 5 0 o ft o t a i c o n c e n t r a t i o no f t h ec a t i o n s t h i r d l y , t h em a j o rc o m p o n e n to f a e r o s 0 1o v e rg u a n g z h o ui st h ee a r t hc r u s te l e m e n t w h i c ho c c u p i e s5 2 o f t h et o t a lm a s so f a e r o s 0 1 mo c e ca n dw a t e rd i s s o l u b l ei o n c o m p o n e n t so c c u p y2 9 a n d1 9 r e s p e c t i v e l y f o u r t h l y , c o m p a r e dw i t ht h ed a t ai nt h el i t e r a t u r e sb e f o r e ，w ef i n dt h a t t h e c o n c e n t r a t i o no fc a z + i sd e c r e a s i n gb yc o n t r a s tt h ec o n c e n t r a t i o no fu h 4 4 i s i n c r e a s i n g 矗d m1 9 8 8t ot h ep r e s e n t f i f t h l y , t h es p e c t r u mo fw a t e rd i s s o h a b l ei o nh a st h r e eo rt w op e a k s t h e r ei sa v i s i b l ep c a ki nt h eh u g ep a r t i c l e ss e g m e n t ( 9 0 - 1 0 0 r t m ) a n dal o wp e a ki nt h e f i n e m o d es e g m e n t ( 0 6 5 一1 1 m ) t h e r ei sn oo ra i n c o n s p i c u o u sp e a k i nt h e c o a r s e m o d es e g m e n t a n dt h ed i s t r i b u t i o no f d i f f e r e n ti o n si sd i f f e r e n t s i x t h l y , c o m p a r e dt os o i ln a + a n dn 1 - 1 4 + h a v eo b v i o u se n r i c h m e n ta n ds 0 4 2 - a n dk j h a v ee n r i c h m e n tt oac e r t a i ne x t e n t b n to t h e ri o n sh a v en oo b v i o u se n r i c h m e n ta n d l a g ei n f l u e n c e db ys o i lg r e a t l y c o m p a r e dt oo c e a n , o n l yfh a so b v i o u se n r i c h m e n t b e c a u s ef e wfc o n l c s 丘o mo c e a n n 虻r a t i oo fc l 。小a 卞i sm u c hl e 鹃t h a nt h er a t i o n 1 1 2 0 fs e a w a t e r , c 1 ，n a ：ri nt h eo c e a na n ds om u c hc ri sc o n s u m e db yt h ec r c o n s u m i n gm e c h a n i s m 1 1 i er a t i oo f n h 4 + s 0 4 奄a b o u t1 ，s h o w i n gt h a tt h et w oi o n s h a v es i m i l a rs o u r c e b yc o n u - a s f i n gt h er a t i on o f l s 0 4 2 i sl o w e r , s h o w i n gt h a ts o g 。 i st h ed o m i n a t i n ga c i d i ci o n mc a t i o n sa g eb a s i c a l l yb a l a n c e db yt h ea n i o n s ：t h e t o t a lc o n c e n t r a t i o no f c a t i o ni sl i t t l em o r et h a nt h a to f a n i o n s p a r t l yb e c a u s et h ec 0 3 4 a n do r g a n i ca c i da r en o tm e a s u r e d s e v e n t h l y ，t h eq u a n t i t yd e n s i t yo fc o a r s e m o d ep a r t i c l e si np o l l u t i o nd a y si s a s m u c ha st h a ti nt h ec l e a nd a y s , b u tt h eq u a n t i t yo f f r e e - m o d ep a r t i c l e si n c r e a s e sn d r e o b v i o u s l yi np o l l u t i o nd a y st h a nc l e a nd a y s 撇i st os a y , w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f a e r o s o li n c r e a s e ，t h ef i n e - m o d ep a r t i c l e sh a v em o r ec o n t r i b u t i o nt h a nc o a r s e - m o d e p a r t i c l e s n 蝣a i rp o l l u t i o ni ng u a n g z h o ui si n f l u e n c e db yf i n e m o d ep a r t i c l e st oa g r e a tm o r e e x t e n t k e y w o r d s ：g u a n g z h o u ；a e r o s o l ；s p e c t r u mo fm a s s ；s p e c t r u mo fw a t e rd i s s o l u b l e c o m p o n e n t ；s p e c t r u mo f q u a n t i t yd e n s i t y i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 v i i 学位论文作者签名：夏务 日期：渺7 年# 月8 日 第一章引言 广州市气溶胶质量谱与水溶性成分谱分析 第一章引言 1 1 研究目的和意义 气溶胶粒子是悬浮在大气中的直径1 0 3 1 0 1l lm 的固体或液体粒子，其质 量仅占整个大气质量的十亿分之一，但其对大气辐射传输和水循环均有重要的 影响。大气中的气溶胶粒子的自然来源主要是海洋、土壤和生物圈以及火山等。 气溶胶对气候变化、云的形成、能见度的改变、环境质量变化、大气微量成分的 循环及人类健康有着重要影响。工业化以来，人类活动直接向大气排放大量粒子 和污染气体。污染气体通过非均相化学反应亦转化形成气溶胶粒子。 大气气溶胶的气候效应越来越引起人们的重视1 1 】。大气气溶胶中包括有冰核 与凝结核，它们对云和降水过程的发展起举足轻重的作用。另外，大气气溶胶又 是大气中有害物质迁移清除的重要中间环节，尤其在雨水酸化过程中扮演重要角 色。大气气溶胶中的大部分均可被人体呼吸道吸入，尤其是亚微米粒子将分别沉 积于上、下呼吸道与肺泡中，对人体造成危害。沿海地区吸湿性盐类气溶胶会对 工业设施造成腐蚀损害。尤其是近年来关于气候变化的热门话题中，气溶胶本身 及通过云雨过程参与全球辐射平衡的研究日趋活跃。综上所述，对大气气溶胶的 研究从多方面越来越引起人们的注意1 2 ，”。 广州市是广东省的省会，是全省的经济、政治和文化中心。2 0 0 5 年，广州 市国民生产总值达到5 1 1 5 7 5 万亿元，人均国民生产总值达到6 8 7 5 1 元，居全省 第二。但是随着经济发展的，环境问题也日趋严重。灰霾天数增加( 图l - d ，能 见度恶化( 图1 - 2 ) ，空气污染指数居高不下，如何解决严重的空气污染问题，已 经成为急需解决的问题。 第一章引言 3 0 2 5 霹2 0 蠢1 5 议1 0 5 0 5 4 - i - i6 4 - 卜1 7 l l刳一卜l蚋一卜l一卜1 日期 图i - i 广州灰霾日1 9 5 4 年至2 0 0 4 年的变化趋势( 能见度 l o k m 。r i - i n 主要是集中的细粒子 段，在细粒子上的峰非常明显，这说明了s 0 4 。的来源主要是受到人类活动韵影 响。f 也主要是双峰分布，没有特别突出的峰，说明其没有一个主要的来源。c 1 - 则是在细粒子上的浓度要高于其他粒径范围，在细粒子段之外的峰很弱。k + 主要 是三峰分布，在巨粒子段( 9 0 - 1 0 0 p r o ) 上的峰略高于其他粒径上的峰c a 2 + 和 m 矿的浓度就较低，主要是三峰分布 3 3 富集度因子 参照吴兑等对富集度因子的计算方法，我们计算了分别以土壤离子成分和 海水离子成分为参照的富集度因子。从表3 - - 3 可以看出，相对土壤，只有n a + 和n h 4 + 富集度比较大，s 0 4 2 。和k 有一定富集。其他离子则无明显富集，来源 较多受到土壤粒子的影响。相对海洋，f 的富集度因子非常大，这是因为f r 绝大 部分都不是来源于海洋，而其他离子则无明显富集。 表3 32 0 0 6 年9 月至2 0 0 7 年1 月广州市各点气溶胶水溶性成分富集度因子( 相对于土壤) 翌三兰查堕竺璺坌 表3 - - 4 2 0 0 6 年9 月至2 0 0 7 年1 月广州市各点气溶胶水溶性成分富集度因子( 相对于海洋) 富集度田子( 相对海洋) f -c l _ s 0 4 z k + c m 矿 黄埔区2 0 0 69 2 03 9 62 20 0 8 3 6 039 4n7 60 0 0 白云区2 0 0 6 ，9 z o 荔湾区芳村2 0 0 6 9 2 0 越秀区2 0 0 6 9 2 0 越秀区2 0 0 6 1 1 4 越秀区2 0 0 6 1 1 1 0 越秀区2 0 0 6 1 1 越秀区2 0 0 6 1 1 1 6 越秀区2 0 0 6 1 2 7 越秀区2 0 0 61 2 9 越秀区2 0 0 61 2 1 6 越秀区2 0 0 7 1 j2 越秀区2 0 0 7 i 3 0 5 6 3 7 90 0 4 5 8 8 0 0 4 2 8 5 9 3包1 2 5 3 7 4 3n 0 7 4 1 6 1 2o 1 3 5 5 9 4 8n 0 5 4 4 6 9 70 0 2 1 8 6 弱o 0 4 1 0 2 9 l0 0 2 1 3 9 6 7 n 0 3 1 8 6 6 4m 0 7 2 4 4 4 50 0 6 3 9 4 5 ，2 2 4 0 4 3 2 2 3 5 9 3 8 6 3 3 1 2 1 ，6 2 1 2 4 2 24 2 4 加 4 5 4 4 2 4 2 1 4 4 7 7 4 8 0 1 _ 0 6 9 1 4 2 0 8 8 1 9 4 2 m 1 3 l l ，1 7 l i2 9 1 8 8 仉6 8 仉4 2 1 0 9 仉1 8 o 髓 09 0 22 5 0 0 3 0 0 2 n 0 0 0 0 1 0 o l no l 0 0 0 0 0 3 n0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 4 各离子成分的比值及中和情况 对各采样点气溶胶样品中的各种水溶性离子间的比值( 当量比) 进行了统计 ( 表3 5 ) 。 白云2 0 0 6 9 2 0 荔湾芳村2 0 0 6 ，9 2 0 越秀2 0 0 6 9 2 0 越秀2 0 0 6 i i 4 越秀2 0 0 6 1 i 1 0 越秀2 0 0 6 i i 1 4 越秀2 0 0 6 1 1 1 6 越秀2 0 0 61 2 7 越秀2 0 0 6 1 2 9 越秀2 0 0 6 1 2 1 6 越秀2 0 0 7i 2 越秀2 0 0 7 1 3 0 0 0 7 5 1 6 6 8 0 ，8 8 9 5 6 3 2 20 1 2 0 7 8 8 0 31 2 4 6 8 2 1 6 1 7 9 0 2 0 ，0 6 8 0 2 0 40 8 7 1 2 1 5 4 9 0 i 1 6 8 2 0 4 79 9 5 4 8 6 91 1 5 0 6 3 5 0 2 2 3 1 1 5 60 8 4 7 0 6 5 3 2 0 1 0 3 5 0 8 6 71 3 0 4 + 8 61 5 4 8 7 2 0 1 2 8 8 9 3 3 07 9 0 3 0 8 5 80 1 6 6 6 4 9 9 38 0 4 6 0 5 79 7 5 1 9 2 0 2 4 0 0 2 5 9 06 4 7 9 4 8 7 70 2 0 3 1 3 3 0 8 1 3 8 9 2 8 61 3 7 7 5 1 4 0 0 8 1 2 0 9 10 7 6 1 8 1 9 9 9 0 1 3 8 8 3 0 0 91 0 5 4 3 0 81 2 0 6 1 6 7 o 0 4 0 9 4 2 60 7 】6 9 4 9 7 9 0 1 2 3 0 4 1 0 21 2 4 8 2 3 31 5 2 0 1 3 8 o 0 7 7 4 3 2 71 0 5 6 9 3 2 3 7 0 4 0 2 9 3 8 4 81 2 1 1 6 2 91 7 6 6 2 5 1 0 0 4 2 7 3 3 4i 4 5 4 3 3 7 6 9。1 7 6 2 4 3 8 16 1 6 9 6 0 11 3 6 4 3 7 5 0 0 4 8 3 6 0 71 4