（环境科学专业论文）郑州市春季大气气溶胶性质研究.pdf

河南大学研究生硕士学位论文 a b s t r a c t ： p a r t i c u l a t em a t t e rw i t ha e r o d y n a m i cd i a m e t e rl e s st h a n1 0 u m ( p m l 0 ) a n d2 5 u r n ( 1 m 25 ) a e r o s o ls a m p l e sw e r ec o l l e c t e da tz h e n g z h o um a y2 0 0 6 t h eq u a n t i t yc o n t a i n e do f p m 2 5i np m l oa n da s ph a v e b em e a s u r e d ：s 0 2a n dn o x h a v eb e e nm e a s u r et o o a l o n gw i t ht h eh i g h te l e v a t e s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fs 0 2i n c r e a s e w h i l lt h ec o n c e n t r a t i o no fp m l oa n dp i v l 25d e c r e a s e s t h ec o n c e n t r a t i o no fn o xh a s n o t h i n gt od ow i m t h eh i g h t t h ec o n c e m o d o n so f 2 5d e m e n t si n c l u d i n ga g ，a 1 ，a s ，b a 、b e ，c a ，c d ，c o ， c u ，i r e ，k ，m g ，m n 、m o ，n a ，n i ，p b ，s b ，s e 、s n ，s r 、t i ，t i ，v a n d z n w e r e d e t e r m i n e db ym e & n so f i c p - a e s t h eh e i g h tv a r i a t i o n sw e r ed i s c u s s e d t h ep h a s eo fs a m p l e sh a sb e e na n a l y z e sb ym e a n so fx r d t h er e s u l t ss h o w a g r o s st h ec a l c i u mc r y s t a l sa r et h em a i n , m o s ta r ec r y s t a lc r u s ti t s e l f t h ec r y s t a lp h a s e w i t ht h el o c a t i o na n dh e i g h to f n os i g n i f i c a n tr e l a t i o n s h i p s o u r c e so fe l e m e n t sw e r ei d e n t i f i e db yc a l c u l a t i n gt h ee n r i c h m e n tf a c t o r sr e l a t i v e t oa i ( e l u la n db yc o r r e l a t i o na n a l y s i s a n t h r o p o g e n i es o u r c e sa n dn a t u r a ls o u r c e s h a v eb e e ns e p a r a t e d c d , a s p b w a sf o u n da n t h r o p o g e n i ce m i s s i o n sa tt h es o , e r i e u s i n gf a c t o ra n a l y s i so fe l e m e n t ss o u r c e si nt h ei n i t i a ls o u r c ea p p o r t i o n m e n to fi t s c l a s s i f i e da sc a t e g o r y5 ，t h i sr i g h tt ot r a c es o u r t 冶so fp o l l u t i o np r o v i d ei m p o r t a n t r e f e r e n c e k e y w o r d ：a e r o s o l ；c h e m i c a le l e m e n t ；e n r i c h m e n tf a c t o r ；f a c t o ra n a l y s i s ；h e i g h t 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大擘提出硕士学位肆，请。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完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知，廉 变中特别加以说明、标注并口致谢舌勺地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过酌研元成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学住或证书而 使月过的材料。与我一同工作的同事对本虢究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位申请d 人( 学住论文诈考) r 签名：蕴2 堑堕 翻o l 哗，习化日 关于学位论文著作权使用稷教书 本人经河南大学审核批准援予颞砖学位。作为擎住论文的作者，本人完全 了解并同意河南灰擘有关保留c 被期擘啦论文钠要求。即河南大学有权向国家 图书馆、科研信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文( 纸质文 本和电子文本) 以供公众检索、查阅。奉人援扭河南夫学出于宣扬、展览学校 学术发展和进行学术交流等司的，可以景取影印j 缩印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内客的学位论支在解密后适用本授板书) 学位获得者( 学位论文作者) 签名：缨 2 0 明年i ，月f 日 学位论文指导教师釜名：纽鲤 关于葡意中国科学技术信息研究所使用本人 学位论文的授权书 中国科学技术信怎研充所是国象科装讴属的兰豸莒性科扳信息研亍薛明最务 矶褐，是罾累j 圭定自学位论又收藏单也，肩负蓍为国家技术台蠓i 体系提供夏献保 陲盼仨务。狄六十年代! 开始，中国科学技术信晨研冗昕受国冢教育部、国务院车 使办罾寥弘 芎囊部的委薏，对全萤博硕士譬馓、博后研冗工作报告进行全 面的i 芟藏如工及脏务迄今i 馁藏的国内研充芝博衙眭论文己经达到 1 0 0 多万 册。 学位论又是高辞院校和科研阮所科研水平自勺位现，是研艽人员辛勤劳动成果 的结晶。也是社会幸n 人类的共同知识财富。为更好她利用这一重要的信息资源， 为国幂自数育和科研工作服务，= 叵国晷科筱部的大力支持和越采越多的专幂学看 提议下。中国科学技术信恩研冗所承担了开发建设中国学位论文垒支擞据霹 的加工和服务自守任务，通过对学位论文垒文进行数孚化加工处理。建藏垒国最六 的学位论文全文数摆犀，并通过网络进行信昱服务。 本人壳全了謦? k c p 国竽位论：乏垒二乏数据库开发建设目的荤乜使用的相关情况。 霉人学位论文药非保粤论文，觋授投中国科学技术信息研充所鹅盔人i 叠士! 蜃 匠亘墨兰立) 学位论文收录到中国学位论艾垒支数据霹异通过网终 向社舍主轮提供信息服务 本人保留在李弛媒体发表论文昀极利。 论文题蚕； 毕业院校： 毕业对问： 论复类型： 燮生猛拯塑邀垫塑蛰 璺壶叁堡 婴土堡迎一，一一 博论又口硕论叉、口 蕾后研冗报告 口同等学力讫艾口 授权人签手：免删 b 襄；2 0 0 7 ：；0 6 胃- 5 河南大学研究生硕士学位论文 前言 气溶胶粒子是悬浮在大气中的直径l o o u m 以下的固体或液体粒子。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。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。 大气中气溶胶粒子增加的直接效应是影响大气水循环和辐射平衡，这两种过 程都会引起气候变化。一方面，气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射，改变地气系 统的能量收支，直接影响气候变化；一般来说气溶胶粒子能吸收，散射太阳辐射和 地气长波辐射，但对太阳辐射的影响较大，因而过去认为气溶胶增加对气候的影 响主要表现为使贴地层降温；另一方面，气溶胶粒子还作为云的凝结核( c o 改变 云的光学特性和生命期。间接影响气候。气溶胶粒子增加对水循环的影响，般也 表现为使云滴数量增加，其气候效应也是使贴地层降温。近期一些模式研究表明， 人类活动造成的气溶胶粒子增加的气候变冷效应可以大部分抵消人类活动造成的 温室气体增加引起的气候变暖效应。气溶胶对辐射的影响取决于其时间和空间分 布，它自身的光学特征和物理化学性质，以及下垫面的光学性质，而气溶胶的分布， 物理化学性质及贴地层状况这些因子都有极大的时间和空间变率，因此客观准确 1 河南大学研究生硕士学位论文 地给出气溶胶的光学特征，化学成分，粒子尺度谱分布及其时空分布等特征是正确 评估气溶胶的气候效应的必要条件。1 9 9 9 年欧美科学家发现，在亚洲南部上空经常 笼罩着一层3 公里厚的棕色气溶胶云，并称其为亚洲棕色云，也有人将其称为灰霾， 主要包括：黑碳，粉尘，硫酸盐傲盐，硝酸盐等。并进而提出，原来假定的气溶胶辐射强 迫的冷却效应要作一定的修正尤其认为大气灰霾中的黑碳气溶胶是气候变暖的重 要角色，这就使得气溶胶辐射强迫对气候变化影响的不确定性增加。 据1 9 8 3 年中国3 3 个城市统计，悬浮颗粒五年日平均为6 0 0 u g m 3 ，北方城市 为8 7 0u g m 3 ，南方城市为3 3 0 u g m 3 。1 9 8 8 年中国城市悬浮颗粒物浓度及其分布与 1 9 8 3 年相似( 唐永鉴，1 9 9 2 ) 。在城市大气中，由于汽车尾气和燃煤排放出大量污染 气体，可通过气一粒转化形成二次气溶胶，对城市大气产生显著影响。中国是东 亚气溶胶的主要源区，主要来源于沙漠和干旱地区的风损蚀及随风扬起的过程。 每年春季大量沙尘气溶胶随沙尘暴天气进入到大气中，并且在适宜的大气环流背 景下输送到上千公里以外的地区，并进一步向中国近海和大洋输送，从而危及和 影响人类赖以生存的自然环境。 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。尽管有不少 文献报道了国内若干城市的p m l o 、p m 25 的污染状况，但是对不同高度的气溶胶的 组成以及变化规律却很少有报道。基于研究的目的，我们于2 0 0 6 年5 月在郑州市 5 个地点的地面和近地面层对p m l 0 、p m 2 - 5 s 0 2 、n o x 样品进行了同时采集，对 其中的化学元素、物相结构进行了测定，分析了不同高度气溶胶样品的差异及其 规律；并应用富集因子和因子分析对其来源进行了初步分析。 参考文献 【1 】z u f f l lmj ，d a v i d s o nci ，c a f f r e ypf ，o n d o vjm ，a i r b o n ec o n c e n t r a t i o n sa n dd r y d e p o s i t i o n n u x e so f p a r t i c u l a t es p e c i e s t o s u r r o g a t e s u r f a c e d e p l o y e d i n s o u t h e m l a k em i c h i g a n e n v i r o ns dt e c h n o l ，3 2 ( 1 1 ) ：1 6 2 3 1 6 2 8 【2 】s e u n g - m u ky i ，u s a m as h a h i n , e ta 1 2 0 0 1 ，o v e r a l le l e m e n t a ld r yd e p o s i t i o n 2 塑里盔兰婴茎竺堡圭堂垡堕壅 v e l o c i t i e s m e a s u r e da r o u n dl a k em i c h i g a ma t m o s e n v i r o n , 3 5 ：11 3 3 11 4 0 1 3 】r a j e n d r ad ，p a o d e ，e ta 1 1 9 9 8 ，u r yd e p o s i t i o nf l u xa n di n a s $ s i z ed i s t r i b u t i o no fl o c u a n dz nm e a s u r e di ns o u t h e r nl a k em i c h i g a n d u r i n ga e o l o s e n v i r o ns c i t e e l u 0 1 3 2 ：1 5 2 9 1 5 3 5 【4 】p e t e re c a f f r e y , j o l mm ，e ta 1 1 9 9 8 ，d e t e r m i n a t i o no f s i z e - d e p e n d e n td r y p m f i c l e d c p o s i t i o nv e l o c i t i e sw i t hm u l t i p l ei n t r i n s i ce l e m e n t a lt r a c e r s e n v i r o ns c i t c c h n 0 1 3 2 ：1 6 1 5 1 6 2 2 【5 】5 l o y e - p i l o t md ，m o r e l l i 1 9 9 8 ，f l u c t u a t i o n o fi o n i c c o m p o s i t i o n o f p r e e i p i l a t i o m c o l l e e t e di nc o r s i c ar e l a t e dt oc h a n g e si nt h eo r i g i n so fi n c o m i n g a e r o s o ls c i 1 9 ( 5 ) ：5 7 7 - 5 8 5 【6 】t r w i njqw i l l i a m sm1 1 9 8 8 ，a c i dr a i n ；c h e m i s t r ya n dt r a n s p o r t e n v i r o n p o l l u t i o n , 5 0 ：2 9 - 5 9 【7 】i p c c c l i a m t ec h a n g e ：s c i e n t i f i cb a s i s2 0 0 1 m c a m b r i d g e ：c a m b r i d g e u n i v p r e s s ，2 0 0 1 2 9 1 3 0 6 【8 】江燕如，高庆先1 9 9 8 ，大气气溶胶对气候与生态系统影响的综合评述环境科 学研究，1 1 ( 5 ) ：1 7 - 2 1 【9 】王玮，汤大纲2 0 0 0 , 中国p m 2 5 污染状况和污染特征的研究坏境科学研 究，1 3 ( i ) ：2 5 2 7 【1 0 】工明星1 9 9 9 ，大气化学，第二版，气象出版社：北京，p 1 6 6 f l l 】唐鉴1 9 9 2 ，大气环境科学，中山大学出版社 j 河南大学研究生硕士学位论文 第一章大气气溶胶概述 1 1 大气气溶胶的物理特性 表征大气气溶胶粒子基本特征的主要参数有：颗粒物浓度、粒子尺度及粒度谱 分布、气溶胶粒子的寿命等。 颗粒物浓度是描述大气气溶胶特性的最基本的重要物理量。表示颗粒物浓度 的方法有好几种，如数浓度、质量浓度、化学成分质量浓度等等。在实际大气中， 气溶胶粒子数浓度的变化范围很大。在自然干净大气中，气溶胶粒子数浓度可小 到几个立方厘米，质量浓度在1 微克, - r 方米以下；而在城市污染大气中气溶胶粒 子的数浓度可达到1 0 5 t - , - y 方厘米，质量浓度可达到几毫克立方米。 大气气溶胶粒子的形状是很复杂的，有接近球形的液体微粒，有片状、柱状、 针状的晶体微粒，有雪花状晶体微粒，还有形状极不规则的固体微粒。对于大气 气溶胶来说，研究的是粒子群的统计特征，因此在度量大气气溶胶粒子大小时可 以采用简单的等效方法，人们根据测定方法和研究目的的不同定义了几种等效直 径，主要有：光学等效直径、空气动力学直径、体积等效直径等。 在自然条件下，大气气溶胶是由许多尺度不同的粒子组成的，称之为多谱气 溶胶。描述多谱气溶胶的最重要的物理量是它的浓度随粒子尺度的分布，即粒度 谱分布。气溶胶粒度谱分布是它在大气中的输送特性、寿命及其光学特性的决定 因素之一。例如北京气溶胶的粒度谱分布( 王明星，1 9 9 9 ) 最明显的特征是在直径 0 3 1 0 微米范围内存在三个峰值浓度。第一个峰值出现在0 3 微米左右，第二个峰 值出现在1 2 微米左右；第三个峰值出现在1 0 微米左右。 大气气溶胶粒子的平均寿命( 或称粒子在大气中的平均统计时间) 定义为气溶 胶在大气中的稳态总质量与粒子的总输入通量之比。与任何其他大气微量成份一 样，寿命的定义只有在准稳态( 即输入通量与输出通量基本相同) 的条件下才能完全 4 河南大学研究生硕士学位论文 进行。一般来说，气溶胶粒子的寿命首先取决于它本身的化学组成和浓度谱分布， 其次是其所处高度和局部气象条件。 1 2 大气气溶胶的组成 由于气溶胶参与大气活动并与成云过程有关，研究气溶胶中微量金属含量及 分布特征，对了解自然界和人类活动中污染物的长距离输送、以及对大气环境和 海洋生态环境的影响具有十分重要的意义。 此外，国内外学者还就几个比较重要的粒径范围内气溶胶粒子中元素的含量 及分布特征分别进行了研究，其中主要研究的粒径范围有： ( 1 ) l o o u m 以下的颗粒，即大气中总悬浮颗粒物( t s p ) ( 2 ) 空气动力学直径小于或等于l o u m 的颗粒物( p m l 0 ) ( 3 ) 空气动力学直径小于或等于2 5 u m 的颗粒物( ( p m z 5 ) 其中p m i o 是人体可吸入粒子，p m 2 5 是能够进入人体肺泡的颗粒物，因此研 究p m l 0 和p m 2 5 中元素的含量具有极其重要的意义。田裘学、田竹梅等( 田裘学等， 2 0 0 1 ) 论述了兰州市1 9 9 3 1 9 9 6 年间，室内外空气污染物，特别是一些非常规监测 指标，如p m l o 、p m 2 ，p m l o 和p m l o 的污染规律和分布特征，结果表明兰州市仍 以尘污染为主，p m l o 在t s p 中平均占3 3 左右，而p m 2 5 占了p m l o 的大部分。魏 复盛、w e w i l s o n 等( 魏复盛等，2 0 0 1 ) 报告r1 9 9 5 1 9 9 6 年在中国的广州、武汉、 兰州、重庆4 大城市8 个采样点p m 2 5 ，p m 2 5 p m l o ，p m l o 的监测结果，结果表明， 1 9 9 5 年p m 2 5 年平均浓度为5 7 1 6 0u g m 3 ，比美国1 9 9 7 年硕布的标准值( 1 5 u g - m 3 ) 高2 9 9 7 倍，p m l o 年均值为9 5 2 7 3u g n l - 3 。除武汉市1 个对照点外，其余7 个监 测点的p m l o 均超过我国空气质量二级标准( 1 0 0 i l g 1 3 ) 2 8 0 * - 1 7 3 。比美国标准 ( 5 0 u g - m 弓) 超过更多，说明污染是相当严重的。用) 丑强分析了p m 2 加p m 2 5 - p m l 口 中4 2 种化学元素，结果表明，燃煤、燃油和其它工业污染的元素a s ，p b ，s e , z i l c o , c i ，b r , s 在这些颗粒物中有明显富集，特别是在p m 25 中的富集倍数达数十倍至数 万倍，对人体健康有很大危害。王眠等( 王氓等，2 0 0 1 ) 从1 9 9 7 年9 月至1 9 9 8 年1 1 河南大学研究生硕士学位论文 月期间，5 次监测大气气溶胶，获得了青岛沿海地区气溶胶( t s p , p m l o ，p m 2 5 ) 的质 量浓度。气溶胶中直径q 5 u m 的细粒子质量浓度约占t s p 总浓度的5 0 ； 1 0 u m 的粒子的质量浓度则占t s p 总浓度的7 5 。对气溶胶中主要可溶性离子的分析表 明：t s p 中可溶性离子的质量浓度占总质量浓度的4 0 以上，其中主要可溶性离子 为s 0 4 2 、n 0 3 jn h 4 + ，这3 个离子的质量浓度约占可溶性离子总浓度的7 0 ，而且 主要存在于细粒子中，表明其主要来自二次气溶胶，冬季气溶胶浓度大大高于其 他季节。王玮、汤大钢( 王玮等，2 0 0 0 ) 近1 0 余年来在中国的城市地区和清洁地区 进行了p m 25 的采集和分析，其中包括p m 2 5 的质量浓度、离子和元素成分、酸度 和酸化缓冲能力及来源解析，研究结果表明，中国大部分地区p m 25 的污染较重， 不论是质量浓度，还是各种主要成分浓度，在t s p 和p m l o 中都占有很高的比重， 而p m ：5 的酸度也远远高于t s p 和p m l o ，特别是近年来p m 2 5 污染还有相对加剧 的趋势。吴国平、胡伟( 吴国平等，1 9 9 9 ) 为研究我国广州、武汉、郑州、重庆4 城 市中p m 25 和p m l o 的污染水平，在这4 个城市分别设一污染点和对照点进行了为 期2 年的p m 2 5 p m l o 和t s p 监测，结果表明，空气中细颗粒物的污染是严重的， 污染点比对照点更甚，对人体危害大的p m 2 5 普遍超过美国新标准的2 8 倍。 1 3 大气气溶胶基本特性的研究 近年来国内外学者对大气气溶胶的基本特性进行了不少研究，包括气溶胶的 辐射特性、粒径分布、沉降速率等。 李放等( 李放等，1 9 9 6 ) 采用地面辐射观测资料，分析气溶胶光学厚度的中长期 变化特征，认为气溶胶光学厚度有春夏季大、秋冬季小的统计规律。胡欢陵等( 胡 欢陵等，1 9 9 1 ) 利用直接取样和积分片方法对大气气溶胶的折射指数虚部进行了大 量的实际测量，给出了中国东部不同类型地区气溶胶的统计特征，李放、尉东胶( 李 放等，1 9 9 5 ；尉东胶等，1 9 9 8 ) 等人还做了有关气溶胶折射指数的研究。邱金桓等f 邱 金桓，1 9 9 5 ：邱金桓等，1 9 9 7 ) 等人应用常规气象观测资料的太阳短波直射和能见 度信自、综合建立了计算大气柱气溶胶光学厚度的方法，计算出北京、上海等1 0 6 河南大学研究生硕士学位论文 个城市1 9 8 0 1 9 9 4 晴天气溶胶的光学厚度，并且进一步分析了这些地区气溶胶光学 厚度的月变化和年变化特征。毛节泰( 毛节泰，1 9 9 7 ) 对中国地区气溶胶的辐射特性 做了系统的研究，建立了一个中国地区在气候模式研究中适用的大气气溶胶模型， 提供不同季节气溶胶的辐射特性。 粒径分布的研究大都采用分级采样器来获得气溶胶的粒径分布，朱市西等( 朱 市西等，1 9 9 0 ) 介绍了气溶胶质量浓度按粒径大小分布的数值拟合方法，列举了用 1 0 级采样器结合p i x e ( 质子x 荧光法) 元素分析获得的北京大气气溶胶中元素质量 浓度按粒径分布的拟合结果，讨论了实验与理论存在偏差的原因，以及数值拟合 求得的分布参数在发生源推断中的应用。r a j e n d r a 等( g a j e n d r a e ta l ，1 9 9 8 ) 在c h i c a g o ， l a k em i c h i g a n , s o u t h - i a v e n 三点测定了夏、秋、冬三季p