上海市大气气溶胶光学与化学性质研究

摘要

大气气溶胶是大气层的重要组成部分，对全球气候、区域空气污染及人体健康有很大影响。目前，我国大面积范围内高浓度PM2.5（粒径小于2.5μm的颗粒物）污染已经成为公众关注的热点，但是人们还不能准确理解PM2.5来源以及它们对大气能见度的影响。本文拟使用一系列高时间分辨率的分析仪器，如气溶胶飞行时间质谱仪(Aerosol Time-Of-Flight Mass Spectrometer，ATOFMS)、光腔衰荡光谱仪（Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS）、浊度仪(Nephelometer)、在线气溶胶及气体组分分析仪(Monitor for AeRosols and Gases，MARGA)等，对上海城区大气气溶胶的化学组分和光学性质进行研究，试图分析出上海城区气溶胶的主要来源、基本的光学性质以及化学组分和颗粒物混合态对气溶胶光学性质的影响。作为有机碳气溶胶的重要组成，有机胺气溶胶也被重点研究。通过分析三段时期内颗粒物的化学和光学性质，我们发现:
　　(1)上海城区本地源排放的颗粒物平均粒径较小，而且颗粒物酸度高，但从上海西北地区移来的气团携带有大量细粒子和污染气体，这些污染气团能导致本地气溶胶粒径增加、颗粒物酸度降低。在颗粒物的类型分布上，本地排放的颗粒物以新鲜颗粒物为主，而从上海西北部传输过来的颗粒物已经深度老化，在化学组成上具体表现为，颗粒物上的铵和硝酸大量增加。
　　(2)高浓度的气溶胶含量能导致气溶胶的总消光系数显著增加，但气溶胶的化学组分以及颗粒物混合态能影响气溶胶的消光能力。深度老化的颗粒物含有大量铵盐、硝酸盐和硫酸盐等散光物质，能大大增加气溶胶的散光能力，而颗粒相中有机碳组分的增加可能会降低颗粒物的散光效率;源自机动车尾气排放的元素碳有机碳类（elemental carbon/organic carbon）颗粒物中的元素碳(elementalcarbon)信号的昼夜变化规律与气溶胶单次反照率(single scattering albedo，SSA)反相关;干净天气条件下，高分子量有机碳类(high mass organic carbon)颗粒物含如芳烃和硝化芳烃等含有吸光能力的物质，与SSA呈反相关关系，而在污染条件下，颗粒物中大量的散光物质则影响了这类颗粒物的吸光能力。
　　(3)高时间分辨率的观测结果表明，颗粒物的类型、化学组分以及混合态在时刻变化着，其能够帮助我们在确保颗粒类型恒定的情况下，利用颗粒物的质量消光效率来准确地评估大气颗粒物的光学性质。
　　(4)温度、相对湿度以及颗粒物酸度是影响有机胺颗粒物占比的重要因素，低温、高相对湿度以及强颗粒物酸度条件可以促进气态有机胺进入到颗粒相。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 大气气溶胶简介

1．2 大气气溶胶来源

1．3 大气气溶胶与霾

1．4 影响大气能见度的因素

1．4．1 大气颗粒物光学性质的定量描述

1．4．2 粒径分布对颗粒物光学性质的影响

1．4．3 化学组分对大气颗粒物光学性质的影响

1．4．4 颗粒物混合态对气溶胶光学性质的影响

1．5 大气气溶胶化学与光学性质的研究手段

1．5．1 在线单颗粒气溶胶质谱技术

1．5．2 光腔衰荡光谱技术

1．5．3 国内外研究进展

1．6 本文研究内容及意义

第2章 实验内容及设计

2．1 气溶胶飞行时间质谱(ATOFMS)

2．1．1 进样区

2．1．2 空气动力学粒径的测量区

2．1．3 飞行时间质谱区

2．1．4 数据处理

2．2 气溶胶光学性质的测量方法

2．3 大气采样以及实验设计

第3章 气溶胶化学性质分析

3．1 引言

3．2 2009年12月22日至28日颗粒物类型分析

3．2．1 颗粒物分类结果

3．2．2 颗粒类型的时间变化

3．3 2011年10月13日至15日颗粒物化学性质分析

3．3．1 颗粒物分类结果

3．3．2 颗粒类型的时间变化

3．3．3 可溶性离子的时间变化

3．3．4 颗粒物酸度分析

3．4 本章小结

第4章 气溶胶光学性质分析

4．1 引言

4．2 2009年12月22-28日气溶胶光学性质分析

4．3 2011年10月13-15日气溶胶光学性质分析

4．4 本章小结

第5章 影响气溶胶光学性质的因素

5．1 引言

5．2 2009年12月22-28日

5．2．1 颗粒物数浓度与光学性质的关系

5．2．2 化学组分对气溶胶光学性质的影响

5．2．3 颗粒物类型对气溶胶吸光性质的贡献

5．3 2011年10月13-15日

5．3．1 PM1浓度对光学系数的贡献

5．3．2 化学组分对光学性质的影响

5．3．3 单颗粒分析与总量分析

5．4 本章小结

第6章 单颗粒中有机胺分析

6．1 引言

6．2 结果与讨论

6．2．1 有机胺颗粒物的识别和分类

6．2．2 季节差异

6．2．3 有机胺颗粒物数比例峰值特点分析

6．3 本章小结

第7章 结论与展望

参考文献

硕士期间论文发表情况

项目资助

致谢

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