大气新粒子形成机理的实验室研究与外场观测

摘要

为了研究3nm以下颗粒物的形成与增长机制，以及大气新粒子的形成与增长机制。因此我们从观测和实验室模拟两个方面进行研究。
　　温度以及相对湿度(RH)是气溶胶成核过程中的两个重要的热力学参数，但是基于实验室研究成核过程和温/湿度的研究还不足。这里我们报告实验观察到硫酸气溶胶成核与增长对于温度和RH的依赖性。实验在一根流动管中进行，实验温度范围为:248K至313K，RH范围为:0.8％至79％，硫酸的相对酸度(RA)范围为:6×10-5至0.38(2×107-109cm-3)。实验过程中的杂质成分以及浓度如下:NH3＜23pptv，methylamine＜1.5 pptv，dimethylamine＜0.52 pptv。实验结果表明当硫酸浓度固定时，低温有利于成核过程;但是当RA固定时，低温会阻碍成核过程。同时实验也表明硫酸与水的二元成核在行星边界层的温度和硫酸范围内可以忽略不计。通过以上实验过程，我们推导出一个关于将RA，RH，温度与成核速率关联起来的经验公式。游离硫酸分子受限的碰撞冷凝不能预测在小于3nm尺寸范围内颗粒物的增长率以及其对温度和RH的依赖性。这暗示着对于3nm以下颗粒物的增长要考虑蒸发，硫酸水合物，以及有可能涉及的三元分子等因素。
　　为了研究新粒子在中国污染大气中形成的空间不均匀性，在2015年9月到11月期间，我们选取城市中靠近石化工业的地点和长江三角洲区域背景地区同时采样。在城市地点我们观测到一系列被限制在小范围区域、日平均持续时长6.8小时的新粒子形成(NPF)现象（事件频数:n=5）。5nm粒子成核率(J5)在区域性和局地性新粒子生成事件时，都被发现与硫酸浓度(logJ5 vs.log[H2SO4]斜率接近1)正相关。此外，比起在区域性事件中，在局地性事件中的J5被附近工业排放的挥发性有机化合物增强。分粒径段的气溶动力学计算结果表明，比起区域性的事件，局地性事件以高成核率(J13＞1000 cm-3s-1)、3nm以下颗粒物高生长率（GRsub-3＞20 nm h-1）、大量的核模态粒子(mean peak N5-20:6×104cm-3)为特点。考虑到这些特征，在城市和区域尺度内由人为源造成的局地性新粒子事件也可能对云凝结核(CCN)数浓度有巨大的贡献。此外，两个地点之间同时发生区域性NPF事件（事件数:n=7）的比较结果表明，由于空气质量的差异，在城市地点的单点测量可能低估了区域性NPF强度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．3 研究内容

第二章 实验仪器以及实验方法

2．1 仪器原理介绍

2．1．1 nCNC系统原理及构造介绍

2．1．2 SMPS原理及结构介绍

2．1．3 WPS原理及结构介绍

2．2 仪器布局与气路设置

2．2．1 实验室模拟布局设置

2．2．2 外场观测布局设置

2．3 数据质量控制以及处理方法

2．3．1 管径损失率

2．3．2 nCNC系统校正

2．3．3 SMPS系统校正

2．3．4 数据处理

第三章 3nm以下颗粒物的成核速率以及增长速率的研究

3．1 实验的组织

3．2 成核速率和生长速率的测定

3．3 讨论与分析

3．3．1 增长速率对温度，硫酸与湿度的依赖关系

3．3．2 成核速率对温度，硫酸与湿度的依赖关系

3．4 结论

第四章 长三角地区新粒子生成事件的同步观测

4．1 测量点描述

4．2 仪器及测量方法介绍

4．3 各粒径粒子成核率及增长率的计算

4．4 结果与讨论

4．4．1 两地NPF的分类

4．4．2 局地性事件和城市点可能的源

4．4．3 城市点和区域背景点之间同时区域事件的比较

4．4．4 在局地和区域事件中各粒径成核率和增长率

4．5 结论

第五章 结论及展望

5．1 论文的主要结论

5．2 论文的创新点

5．3 论文的不足与展望

参考文献

作者介绍

致谢