【《深圳市PM2.5化学组成及变化特征分析案例》5500字（论文）】

深圳市PM2.5化学组成及变化特征分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u6708深圳市PM2.5化学组成及变化特征分析案例 136661.1全市PM2.5平均化学组成 1327461.2深圳市PM2.5化学组成空间分布特征 284381.3深圳市PM2.5化学组成时间分布特征 7320731.4小结 111.1全市PM2.5平均化学组成对深圳市5观测点共455套PM2.5离线膜样品进行分析，获得的污染组分包括碳质组分、水溶性离子、矿物质元素以及痕量元素等。图1.1给出了全区细粒子化学组成全年平均结果，其中：1）有机物=有机碳×1.8；2）矿物质元素包括铝（Al）、钙（Ca）、铁（Fe）、钛（Ti）等；3）痕量元素包括钒（V）、铬（Cr）、锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）、硒（Se）、磷（P）、氟（F）、钼（Mo）、镉（Cd）、钡（Ba）、铊（Tl）、铅（Pb）、钍（Th）、铀（U）等；4）“其他”项为PM2.5总质量（Teflon称重）与所有检测出组分质量和的差值。由图1.1可知2019年深圳市PM2.5年均浓度为24.6μg/m3（3、6、9、12月分别代表春夏秋冬四季，为简化表述，后续称为2019年均值），低于世卫第二阶段标准年均值（25μg/m3），其中日均浓度最高为88.6μg/m3，最低为4.7μg/m3（基于5观测点同日均值）。从观测到的细粒子化学组成来看，如图1.1所示，有机物（OM）是最主要的组分，占总质量的42.4%，表明深圳市大气中有机物污染特征比较显著；其次是硫酸根（SO42⁻）、铵根（NH4+）、硝酸根（NO3⁻）和元素碳（EC）分别占总质量的19.4%、8.5%、7.3%和5.6%；氯离子（Cl⁻）和痕量元素含量都相对较低，皆占0.7%；另外还有9.4%的质量未检测到，如SiO2、少量水分和金属元素的含氧部分等，也源自各种分析方法的测量误差。图1.12019年深圳市PM2.5年均化学组成1.2深圳市PM2.5化学组成空间分布特征表1.1给出了5个代表站点细粒子主要组分及相关污染源标识组分的平均浓度水平，2019年年均PM2.5质量浓度及各组分百分占比的空间分布如图1.2。2019年深圳市PM2.5污染北重南轻、西重东轻，各采样点PM2.5的总质量浓度自东向西分别为19.9μg/m3、21.0μg/m3、27.7μg/m3、21.3μg/m3和29.4μg/m3，龙华和西乡点位的PM2.5年均浓度值仍高于世卫第二阶段标准，西乡点位高于《深圳市打好污染防治攻坚战三年行动方案（2018-2020年）》设定的2020年该区PM2.5目标值（27.7μg/m3）。其余点位已经达到要求。与东部（大鹏、洪湖）相比，深圳市西部区域（西乡、大学城和龙华）PM2.5污染明显较重，PM2.5浓度水平是东部的1.3倍。呈现这种空间分布特征主要有两种原因，其一深圳西部的西乡及北部的龙华等地人口密集，工业分布较多，本地排放导致了PM2.5浓度的增加；其二深圳西部地区更靠近污染较重的广州、而北部地区则靠近东莞和珠江口地区，受到区域传输的影响也更为明显。而东部相对而言靠近海边，工业分布较少，大多为旅游风景区，因此普遍各物种浓度都较低。表1.12019年深圳市5站点PM2.5主要组分及相关污染源标识组分平均浓度水平（μg/m3）西乡大学城龙华洪湖大鹏全市均值OM12.4310.9811.409.917.5810.46EC1.671.631.501.160.931.38SO42⁻5.184.475.174.594.524.78NO3⁻2.511.691.951.721.111.80NH4+2.202.122.331.991.852.10Cl⁻0.190.120.200.180.130.17Na0.3420.1620.2870.2900.2830.271Mg0.0650.0270.0450.0510.0440.046KAl0.3420.3560.2400.0910.4320.2770.3190.2060.2420.2200.3150.230CaVZn0.4780.0040.0840.2170.0030.0690.3110.0030.0970.2750.0040.0600.2020.0030.0470.2970.0030.071PM2.529.4121.2727.6821.0019.8724.64不同区域PM2.5中无机盐类和碳质组分的相对贡献存在一定的差异：自东向西，各采样点PM2.5中的无机盐类（=SO42⁻+NO3⁻+NH4++Cl⁻）含量从38.3%（大鹏）降至34.8%（龙华），而相应的含碳组分（=有机物+元素碳）的含量从42.8%（大鹏）升至54.2%（大学城）。图1.22019年深圳市大气PM2.5化学组成空间分布（1）有机物深圳市大气PM2.5中有机物浓度空间差异显著，西部浓度最高（西乡为12.4μg/m3），的西乡站点是污染最轻的大鹏站点的1.6倍。从相对含量来看（图1.2），深圳西部地区站点PM2.5中有机物的含量明显高于东部。PM2.5中的有机物种类繁多，既有一次源的直接排放，也有大气前体物的二次转化。上述的有机物的空间分布特征表明，深圳大气PM2.5中有机物不仅受到本地排放的影响，还受到区域传输影响。（2）元素碳图1.3显示，各站点PM2.5中元素碳组分略有差异，浓度水平总体也呈现西重东轻特征，空间分布特征与有机物类似。相对位置处于西部的3站点（西乡、大学城和龙华）元素碳浓度水平相对较高且水平相当，西乡点最高为1.7μg/m3，约为东部滨海背景站（大鹏站点）的1.8倍。这些元素碳组分源自一次燃烧源的排放，表明深圳市西部3站点受本地一次燃烧排放产生的元素碳影响更大。（3）SO42⁻根据图1.2中PM2.5组分相对贡献，SO42⁻的相对贡献在深圳市五点中较有差异，在17.6%-22.7%之间，但图1.3的绝对浓度显示，深圳市大气PM2.5中SO42⁻组分在各点位差异较小，总体上污染水平比较接近，最高浓度西乡点比最低浓度大学城点仅高15%；。上述SO42⁻的污染空间分布特征证明了深圳市大气PM2.5中SO42⁻区域传输特征。（4）NH4+深圳市大气PM2.5中NH4+组分差异不太明显（图1.3）。大气颗粒物中NH4+组分主要以与SO42⁻和NO3⁻形式共存，因此其受到本地排放和区域传输的复合影响。（5）NO3⁻图1.3显示，深圳市大气PM2.5中NO3⁻组分浓度空间分布差异较为显著。西乡浓度最高（2.5μg/m3），比最低浓度大鹏（1.1μg/m3）高出1.3倍，空间分布与有机物相似；由图1.2可知，由于NO3⁻与PM2.5的变化趋势比较一致，各点位相对含量差别不大。NO3⁻主要来源于机动车尾气排放的氮氧化物的二次转化，表明西乡点位受到局部的机动车的影响，而大鹏区污染排源较少，可能受区域传输影响较大。（6）K元素图1.3显示，K元素在各点的绝对浓度较低，空间差异不明显。浓度最高的龙华站点是浓度最低的大鹏点的1.8倍，西乡点的K元素浓度也较高。K元素的主要贡献者是生物质燃烧，摆明深圳市北部龙华和西部西乡等地可能受露天焚烧秸秆或生物质燃料锅炉等排放影响更为显著，但总体而言空间差异不大，具有一定的远距离传输特征。（7）Cl⁻图1.3显示，Cl⁻的绝对浓度也较低，但同样有着显著的空间差异。在五站点中，大鹏、大学城点Cl⁻浓度较低，西乡、龙华和洪湖Cl⁻浓度较高。污染浓度最高的龙华站点是浓度最低的大学城站点的1.7倍。在细粒子中Cl⁻的主要贡献者是燃煤燃烧，暗示龙华站点受局地燃煤的影响显著。（8）Na、Mg元素图1.3显示，Na、Mg元素的绝对浓度也较低，因此相对贡献各点位相差不大，但绝对浓度同样有着一定的空间差异。在五站点中，Na、Mg元素浓度最高的西乡站点分别是浓度最低的大学城站点的2.1倍和2.4倍。老化海盐的主要示踪物种是Na和Mg元素，空间差异性表明其本地特征。（9）Al元素图1.3显示，Al元素的空间差异性略大于Na和Mg元素，具有一定的局地特征，扬尘源中包含主要的Al、Ca等矿物元素，此空间差异性表明西乡附近受到局地的施工建筑的影响。（10）V元素图1.3显示，深圳市大气PM2.5中V元素组分差异不太明显，整体浓度也较低，V元素主要来自船舶的排放，深圳作为沿海城市，受到一定船舶重油燃烧的影响。（11）Ca元素图1.3显示，Al元素的绝对浓度也有着一定的空间差异，最高点西乡点位的浓度是最低点大鹏点位的2.4倍，Ca的主要来源是是建筑，也受局地排放影响较大。图1.32019年深圳市大气PM2.5主要组分绝对浓度空间分布（12）Zn元素图1.3显示，Zn元素呈现西重东轻，北重南轻的特征，最高点是龙华点位（0.1μg/m3）是最低点大鹏（0.05μg/m3）的2倍，主要由于深圳市的龙华区是工业区，受到较为严重的工业排放的影响，而背景点大鹏工业分布较少，因此浓度也较低。总体来说，深圳市大气PM2.5中的SO42⁻、K元素的受到区域传输影响较大，空间分布较为均匀。OM、NH4+组分受到本地排放和区域传输的复合影响。而EC、NO3⁻、Cl⁻、Na、Mg、Al、Ca和Zn在五个观测点有浓度差异，受局地污染源排放的影响显著。1.3深圳市PM2.5化学组成时间分布特征大学城点位于深圳市区西部，可反映污染偏重市区的PM2.5污染特征。该站点同时作为常年连续观测点，进行隔日PM2.5采样。通过大学城站点的PM2.5主要组分的时间序列分布，来分析深圳大气污染的季节变化特征。如图1.4，可以反映出深圳市大气PM2.5在2019年1月、10月、11月和12月污染比较突出，月平均质量浓度分别为39.3μg/m3、30.0μg/m3、31.4μg/m3和36.2μg/m3；2月至9月污染相对较轻，浓度最低的情况出现在6月份（7.9μg/m3）。秋冬季的平均PM2.5浓度水平是春夏季的2.0倍。深圳市不同季节下的风速、降雨量以及气温等气象的变化对颗粒物的积累、稀释和区域传输等都有重要的影响。表1.2展示了2019年深圳市基本的气象条件，图1.5给出了采样期间具体的风速风向情况，用以分析PM2.5及其主要组分的季节变化特征的成因。2019年深圳大学城超级站平均温度为21.9°C，平均相对湿度为76%，平均风速为1.06m/s，有机物的变化范围比较大在1.5-18.5μg/m3，最高出现在11月，最低出现在6月；元素碳的变化范围在0.7-2.4μg/m3，元素碳浓度最高是1月份是最低浓度6月份的1.4倍，有机物来源主要有两部分，一部分是石油等一次化石燃料的燃烧，还有一部分是VOCs的二次反应生成，而元素碳主要来自一次燃烧源的排放，因此综合来看，一次燃烧源主要呈现春夏低秋冬高的季节变化特征；硫酸盐的变化范围在1.9-7.6μg/m3，最高在10月，最低在6月；硝酸盐的变化范围在0.3-6.6μg/m3，最高在1月，最低在6月，其中在春夏两季其浓度基本都在2μg/m3以下，变化范围较大，主要是因为PM2.5中NO3⁻主要以硝酸铵的形式存在，而硝酸铵受温度影响挥发性较强，不易在颗粒物中保留，因此当夏季温度升高时，硝酸铵的挥发导致NO3⁻浓度的降低，而在冬季则相对来说浓度较高；铵盐变化范围在0.7-4.2μg/m3，最高在1月，最低在6月，其跟硝酸盐类似，在春夏两季浓度很低，主要是硝酸铵在高温条件下易挥发，不易保留在颗粒物中；氯离子的变化范围在0.05-0.4μg/m3，同样是冬季较高，夏季较低的季节特征，这不仅与气象条件有关，人为冬季的排放量增大也对其浓度增加有一定的影响。矿物质元素浓度在12月的浓度最高，为0.9μg/m3，最低浓度在4月，为0.2μg/m3，相差了1.5倍，矿物质元素的来源主要是扬尘，由于冬季的平均风度和降水量较低，不利于扬尘的稀释和扩散，因此冬高夏低的季节特征也较为明显。钠和镁元素月际波动无明显规律，海洋源的标识组分是Na和Mg，海洋源的与风力、降水等综合因素有关，因此无明显的季节变化特征。总体而言PM2.5及其主要组分浓度呈现较为明显的季节变化特征，主要是秋冬季高，春夏季较低的特征，且变化范围比较大。从2019年气象条件来看，深圳市夏季盛行西南风，气团主要来自清洁的海面，同时夏季多雨，2019年夏季平均降水量为311.1mm，对污染物有冲刷稀释的作用，以上两种情况均有利于污染物的扩散和稀释；而秋冬季风向逐渐从西南转为东北风，将内陆地区或东部沿海的污染物传输到深圳本地，加上“天气晴朗干燥，风速较低，降雨异常偏少”的气候特点，冬季平均降水量仅有17.1mm，不利于污染物稀释和扩散，冬季温度最低，主要受大陆型冷高压影响，边界层上空也有一定的云层，不利于边界层的发展，边界层高度较低，更加剧了污染物在大气中进行累积形成规模效应。陈婷等人通过分析成都市PM2.5浓度的变化特征与气象因素的相关性，得出PM2.5浓度超标时段，逐时的风速更低，相对湿度更高，温度日较差更大等现象。可见气象因素是影响污染季节变化的重要原因。图1.42019年大学城PM2.5浓度月均变化趋势表1.22019年深圳市基本气象条件月份温度（°C）相对湿度（%）风速（m/s）降雨量（mm）主导风向大气边界层高度（m）2019年1月16.8680.881.5东北偏北6812019年2月20.1721.1441.5东6612019年3月20.6731.10141.6东5882019年4月24.5751.27194.3东6192019年5月25.2861.17340.2东6562019年6月28.5851.12274.1西南6582019年7月29.1811.19251.4西南7052019年8月28.7831.08405.9西南6932019年9月28.1820.94277.3风场均匀7242019年10月24.6730.9364.2东北8132019年11月21.9670.960东北7682019年12月18.1660.964.2东北偏北768数据来源：深圳市气象局，大气边界层高度数据源自深圳大学城超级站图1.5采样期间深圳市各月风速风向玫瑰图图1.62019年大学城PM2.5中主要组分浓度时间变化趋势1.4本章小结本研究在对采集的PM2.5样品进行质量浓度计算后，通过热光碳质分析仪、离子色谱以及ICP-MS仪器对其进行了完整的化学组分分析，得到了完成的PM2.5化学组成构成，结合气象数据以及点位特点，揭示了深圳市PM2.5化学组分的时空变化特征，为进一步进行源识别提供科学依据。（1）2019年深圳市大气全年离线采样观测表明，PM2.5年均浓度为24.6μg/m3，有机物（OM）是最主要的组分，占总质量的42.4%，表明深圳市大气中有机物污染特征比较显著；其次是硫酸根（SO42⁻）、铵根（NH4+）、硝酸根（NO3⁻）和元素碳（EC）分别占总质量的19.4%、8.5%、7.3%和5.6%；氯离子（Cl⁻）和痕量元素含量都相对较低，皆占0.7%；另外还有9.4%的质量未检测到，如SiO2、少量水分和金属元素的含氧部分等，也源自各种分析方法的测量误差。（2）从空间分布来看，PM2.5污染水平总体呈