徐州市大气细颗粒物化学组分季节变化及来源解析

摘要

细颗粒物(PM2.5)是大气气溶胶中对人类生活和健康危害最大的污染物质，其浓度的增长与城市灰霾的形成具有直接联系。PM2.5的污染组分极其复杂，目前公认碳质气溶胶和水溶性离子是其主要组成部分，通过研究二者在不同季节的污染特征来对比不同季节影响空气质量的主导因子，并对主导因子利用同位素方法进行来源解析，希望定量得到造成城市霾的各种污染源的贡献。本文选择长江三角洲中心城市之一徐州作为研究对象，选择依据为徐州的空气质量多年来处于江苏省的最后梯队，在全国各城市尤其是污染较严重的地区空气质量明显好转的背景下，徐州市的大气PM2.5浓度不降反升，说明徐州的空气污染问题亟待解决，不仅对徐州本地人民的生活质量提高有重要意义，也会减少徐州的气团对邻近城市的大气质量的影响。 本研究采集2016年四个季节的大气PM2.5样品，对其中的有机碳、元素碳及水溶性有机碳和水溶性无机离子浓度的季节变化特征及其与PM2.5的相关关系等进行分析，并利用后向轨迹模型分析外来气团传输对徐州空气质量的影响。在来源解析方面，应用主成分分析模型分析PM2.5中的离子组分的可能来源，并利用贝叶斯模型对大气中的含氮组分进行定量来源解析。得到的主要结论为: (1)徐州市的PM2.5浓度水平在全国范围处于较高水平，2016年平均质量浓度为115.8±67.4μg·m-3，是国家年均浓度二级标准（35μg·m-3）的3倍。其中冬季和秋季的污染最严重，根据国家《环境空气质量标准(GB3095-2012)》二级日均值标准（75μg·m-3），发生灰霾的天数占总采样天数分别为90％和100％，表明对于冬季大气PM2.5污染研究的重要性。气象条件对PM2.5累积的有利影响主要表现为低温、低湿，来自东南和西北的风也会带来大量的污染物质。 (2)有机碳(OC)、元素碳(EC)浓度与PM2.5的变化趋势基本一致，季节变化特征为冬季＞（春季，秋季）＞夏季。OC与EC与PM2.5、OC与EC在各季节具有良好的相关性尤其是冬季和秋季，说明PM2.5浓度增大很大程度取决于含碳组分浓度并且OC与EC的来源较稳定。 (3)水溶性有机碳(WSOC)可以作为二次有机气溶胶的理想表征物质，季节平均质量浓度在冬季最高（9.9±5.4μgC·m-3），其次是春季和秋季，夏季最低为冬季的1/3。通过WSOC/EC与RH、O3的相关性分析得出冬季高湿度促进WSOC的二次生成，而在秋季光化学反应是造成WSOC生成的主要原因。 (4)二次无机离子（SO42-、NO3-与NH4+，SNA）是水溶性离子的主要组分，占总水溶性离子(TWSIIs)质量浓度的84％，SNA占TWSIIs和PM2.5的比例均随污染程度的增加而增加，表明二次无机离子对大气污染的重要贡献。不同季节主导的污染离子不同，冬季硝酸盐占主导地位，夏季硫酸盐占主导地位，春季和秋季硝酸盐的浓度略高于硫酸盐。 (5)通过因子分析结果得出，冬季徐州的污染主要来自二次转化，其次是生物质燃烧;夏季的污染主要来自化石燃料和农业排放物的二次转化，其次是海盐和矿物粉尘;春季和秋季的来源相似，主要受生物质燃烧和二次转化的影响，矿物粉尘也有贡献。对冬季大气含氮组分定量分析结果显示，化石燃料产生的NOx排放是造成城市PM2.5污染的主要原因，因此控制煤燃烧和交通运输产生的N排放是治理徐州大气污染和减少霾发生的关键。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 中国大气细颗粒物(PM2．5)污染现状及严峻形势

1．1．2 PM2．5中的化学组成及其健康效应和环境效应

1．2 研究现状

1．2．1 PM2．5国内外研究进展

1．2．2 水溶性离子研究进展

1．2．3 有机碳、元素碳的研究进展

1．3 研究内容与技术路线

第二章 实验设计与研究方法

2．1 样品采集

2．1．1 采样点概况

2．1．2 采样时问及方法

2．2 样品检测

2．2．1 PM2．5质量浓度计算

2．2．2 有机碳、元素碳分析

2．2．3 水溶性离子分析

2．2．4 稳定氮同位素值测定

2．3 研究方法

2．3．1 后向轨迹模型

2．3．2 SIAR模型

第三章 大气细颗粒物(PM2．5)浓度变化特征

3．1 徐州与中国其他五个主要城市PM2．5浓度2014-2018年变化趋势

3．2 PM2．5浓度季节变化特征

3．3 不同污染程度下PM2．5浓度对比

3．4 气象条件对PM2．5浓度变化的影响

3．5 本章小结

第四章 大气细颗粒物(PM2．5)中碳质组分特征

4．1 有机碳、无机碳浓度变化特征

4．2 有机碳、元素碳与PM2．5浓度的关系

4．3 二次有机气溶胶的形成及特征

4．4 本章小结

第五章 水溶性离子理化特征

5．1 水溶性无机离子季节变化特征

5．2 不同污染情况下各离子浓度对比

5．3 二次无机离子的形成与存在形式

5．3．1 二次无机离子的形成机理

5．3．2 二次无机离子的存在形式

5．4 离子组分来源解析

5．4．1各离子与PM2．5的相关性分析

5．4．2 主成分分析及后向轨迹计算

5．5 大气中含氮组分的定量解析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 本研究创新点

6．3 展望

参考文献

个人简介

致谢