夏季三类天气过程中北京市大气颗粒物组成和来源的单颗粒分析.pdf

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1、第九届全国气溶胶会议盛第三届海峡两岸气溶睦技术研讨会 夏季三类天气过程中 北京市大气颗粒物组成和来源的单颗粒分析 李金香1 董树平2 虞统李海军1 冯鹏1 1 北京市环境保护监测中心2 国家分析测试中心 摘要：2 0 0 5 年夏季，在北京市区、南部和北部郊区采集T 2 3 个样品。运用电子扫描电镜x 射线能谱分析技 术获得了其来源信息，以期为合理控制颗粒物排放源提供技术支持。研究中共分析T 3 5 21 个颗粒，发现其 6 0 是有机，碳质颗粒和不规则硅铝酸盐其次是硫钙，燃煤飞灰和舍硫颗粒，比较少的是絮状颗粒、高 钙、高铁以及其他颗粒。三次天气过程中颗粒物的纽成和来源特征各异：北方冷空气影响

2、时，污染物的垂 直混合很强烈，颗粒物质量浓度最低；小于1pt n 和大于5pm 粒子比例相对多，而1 2 5um 相对少：种类组 成上有机碳质颗粒、不规则硅铝酸盐等一次排放来源的种类处于绝对主导地位。西太平洋副高控制时，湿 度较大，1 2 5 1 u n 的粒子数大幅度增加，含硫颗粒和硫钙颗粒大幅增加，说明除了上述一次来源，还有大 量的次生粒子生成。此时，P M ，o 质量南部郊区低于市区。地方性天气过程之中，P M l o 质量浓度最高；O - 1 肛m 和1 - 2 5 岬粒子比例都较高其他类型的颗粒如燃煤飞灰、硫钙颗粒等有所增加，反映了来源的纷繁复杂。 市、郊站点之间差异也很大，市区人类

3、活动产生的粒子种类和来源最多，对于下风向的郊区影响很明显， 所以减少市区来源将对降低北京市的太气颗粒物污染起到重要作用。 关键词：大气颗粒物，天气过程，来源，单颗粒分析 北京市夏季( 6 _ 8 月) 大气颗粒物质量浓度达标率为一年中之最高，达标日比例在8 0 左右；且浓度值分布相对集中，日均值很少超过2 5 0 性t m 一，因此通常被认为污染轻而重视 不够。然而，大气颗粒物污染及其影响非常复杂，除了质量浓度外颗粒物的粒径、表面积、 化学组成等也是重要的指标用于评价其人体健康影响和气候效应( L i g h t y ，2 0 0 0 ) 。2 0 0 8 年奥运会期间，约占2 0 的颗粒物浓

4、度超标日可能由于能见度问题、人体健康危害等造成不 良的国际影响，因此需要细致地研究夏季颗粒物的组成和来源特征，为合理地控制颗粒物排 放源、设定科学的减排效果预期值提供技术支持。 气象条件在很大程度上影响了颗粒物污染特征。夏季影响北京市的天气系统呈现出多 样性：表现为交替受西太平洋副高和北方冷空气的影响；当二者影响减弱时，地方性天气系 统发展。影响大气颗粒物输送、扩散、沉降以及二次粒子生成的风、温、压、湿、降水等气 象要素其变化与特征与上述天气系统的特点和变化相一致。因此，分析各种天气过程中大 气颗粒物的组成和来源特征，对于支持日常污染源管理有实际意义。 北京市大气颗粒物的来源非常复杂。张远航等

5、( 2 0 0 0 ) 研究表明，夏季北京市大气光 化学活性很强，机动车尾气型污染加重。宋宇。唐孝炎等( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 发现夏季硫酸盐等 二次粒子生成非常活跃，而大气颗粒物尤其是细粒子的散射消光作用直接导致了大气能见 度的降低。郝吉明等( 2 0 0 5 ) 指出：扬尘是最大的P M l o 污染源，其次是燃煤、二次颗粒物和 机动车尾气排放：在本地源中，无组织扬尘( 交通、工地、料堆、裸地) 和工业部门浓度分 1 第九届全国气溶荻会议暨第三届海峡两岸气褡胶技术研讨会 担率占7 0 左右。 本研究正是从考察北京市夏季典型天气系统影响的角度出发，分别在市区、南部和北 部郊区

6、采集了各个天气过程中的大气颗粒物样品，通过电子扫描电镜x 射线能谱( S E M X E D ) 分析，在单颗粒层面上对大气颗粒物的种类和特点进行比较和分析，从而获得其来 源信息。扫描电镜能谱分析技术是研究单个大气颗粒物的重要手段之一，在识别颗粒物来 源上有其特有的优势，比如球形的燃煤飞灰、絮状的汽车尾气排放物，又如区分有机颗粒( 董 树平，2 0 0 1 ) 。 l 样品采集与分析渭定 1 1 样品采集 采样点位设在北部( 昌平区友谊林) 、市区( 天坛公园) 和南部( 大兴区榆垡) - - 个典型环境， 根据2 4 7 2 h r 空气污染预报，在典型天气过程中分别同时采集大气颗粒物样品。

7、样品的采集 使用了武汉天虹公司生产的颗粒物采样器，工作流量设定为1 6 71 m i n ，采样时间为l l a r 。滤 膜采用0 ，4 u m 孔径的核孔膜。采样目的天气及气象特征如下表l 所列。 表1 采样日的天气与气象特征 地面气象要素特征 样品 采样日天气系统类别 1 _ D 幅皿S “P h P a R H T m a x 数个 7 - 9北方冷空气E S N 2 9 9 8 3 p 8 l ，由于转 3 l3 * 3 湿，傍晚阵雨 7 一1 8 西太平洋副高S ，2 i 0 1 l7 03 22 * 2 7 - 2 l地方性天气 N - S 2 51 0 0 55 53 43 *

8、 3 数据来源：北京市观象台及奥运气象网站( h t t p ：州, e a t h e r 2 0 0 8 o n ) 2 0 0 5 年7 月9 日受冷空气影响，北京市中高层气温明显降低，高层为槽后偏北气流， 地面处于低压后部。样品采集时间为：8 - 9 时、1 2 1 3 时和1 6 一1 7 时。7 月1 8 日西太平洋副 高西伸，控制了北京在内的中国东部地区。天气上表现为持续地受暖高压影响，地面为偏南 风中层和高层为偏东、东南风。在北部和城区于1 4 1 5 时和1 6 1 7 时采集了样品，南部由 于仪器故障样品无效。7 月2 1 日，北京市中高层为暖脊控制吹偏南风。低层地方性风系

9、 发展，夜间吹北风，白天吹南风。样品采集时间与9 日相同。 1 2 分析测定 扫描电镜系统采用了日立公司生产的s 2 7 0 0 型扫描电镜，最高放大倍数为3 0 万倍最 高分辨率为1 0 0 m n 。能谱分析采用的是美I i I E D A X 公司生产的x 荧光能谱分析系统( E D X ) ，可 作微区扫描分析，对原子序数大于1 2 的元素进行分析。 2 第九届全国气溶股会议暨第三届海峡两岸气溶胶技术研讨会 样品的前处理过程如下：( 1 ) 在电镜专用样品台上覆盖上导电双面胶片，然后剪取l c m 2 左右的样品滤膜，固定在双面胶上，( 2 ) 对样品及载片进行离子喷涂处理，使其具有导

10、电性。 每个样品分析的颗粒数目在1 5 0 个左右。文中，根据形貌、组成特点将主要大气颗粒分为9 类，各类粒子的形貌特征、化学组成和来源见表2 。 表2主要大气颗粒物种类及其形貌、纽成和来源特征 2 研究结果 2 1 夏季大气颗粒物的粒径和组成特征综述 研究中共分析了3 5 2 1 个颗粒，发现其中6 0 是有机碳质颗粒和不规则硅铝酸盐：其次 是硫一钙、燃煤飞灰和含硫颗粒比较少的是絮状颖粒、高钙、高铁以及其他颗粒。各类粒 子的粒径分布( 几何直径) 十分有规律：不规则硅铝酸盐、硫一钙、高钙颗粒和絮状颗粒的 粒径分布最为宽泛，1 m 以下至l O p m 以上都占一定比例，但是在1 - 2 5

11、9 m 之间的粒子比例最 多，在4 0 5 0 ，而1 5 9 m 则达到Y 6 5 7 2 因此可以称为“粗大粒子”；有机，碳质颗粒、飞灰 和含硫颗粒粒径谱很窄，9 0 以上粒子直径小于2 5 p m 。而其中6 0 7 0 8 “ 于l l a m ，可称之为“细 小粒子”。高铁颗粒也可归为细小粒子类，只是0 1 和1 2 5 i n n 数量接近。 来源于人类活动产生的颗粒物有机碳质颗粒物、硫一钙颗粒、球形燃煤飞灰、含 硫颗粒、絮状烟尘集合体等，数量之和高于自然来源的颗粒物不规则硅铝酸盐类矿物颗 粒物。图1 是部分粒子在扫描电镜下的微观形貌，粒子尺度比例尺在图中右下角给出。 第九届仝同气

12、溶胶会议暨第三届海峡两岸气溶腔技术研讨会 图L 扫描电镜下单颗粒的形貌特征 2 2 三次典型天气过程中颗粒物的粒径和组成、来源对比 图2 为三次过程中三个站点粒子的粒径谱分布( 图2 a ) 、种类组成( 图2 b ) 。应当指出 的是，本研究中的结果只能代表积聚模态( O 卜2 5 “m ) 和粗模态( 2 5 9 m ) 粒子，未能反 映超细粒子的情况，而且受滤膜孔径和电镜分辨能力所限，对0 5 以下粒子分辨率不佳。 7 弋心 弋 目f 1 2 a 三个采样日各个站点单颗粒尺度谱分布图( 横轴为粒子直径岫，纵轴为数量雨分比，对数坐标) 4 第九雇全国气溶胶舍议暨第三届海峨两岸7 t 溶艘技

13、术研讨台 图2 b 三个采样日各个站点的颗粒物种类分图3 采样日P M ，。质量浓度对比( o g m 4 ，来 自R & P1 4 0 0 T E O M ) 可见三个不圊的天气过程中，无论市区还是远郊大气颗粒物的尺度和组成差别非常明 显。以下按照天气过程分别论述。 2 2 1 北方冷空气影响下大气颗粒钫的组成和来潭特征 这釉天气条件下，北京处于对流不稳定区，污染物的垂直混合报强烈( 寿绍文等，2 0 0 2 ) 。 ( 1 ) 与其他二日相比，7 月9 日粒子的粒径分布特征( 图2 a ) 是：两端多，中间少。即 小于l H m 和大于5 9 i n 粒子比例相对多，而卜2 5 p m 相

14、对少。小于1 p m 粒子比例在4 1 5 7 ， 卜2 5 娜粒子比例只占到2 5 - 3 0 ( 这一比例在其它过程中为3 0 4 5 ) 。 该粒径谱与较清洁大气的J u n g e 分布最为接近( 考虑到本研究方法低估了05 “m 以下粒 子) ，对照该日三个站点P M l 。的质量浓度( 图3 ) ，也证明该日各点的浓度很低，空气较为清 洁。此种天气条件下，背景气溶胶浓度低，人为排放和气粒转化的比较“新”原生粒子，不 容易通过碰并、凝结等过程长大。所以使得该日1 p m 以下粒子比例大，而1 - 2 5 p r o L L 例小。 而大于2 5 1 a m 粒子则由于扰动、通过风力的

15、机械作用由地面向大气输送的，该日大气对流混 合作用较强可能是租粒子，尤其是5 r t m N 上粒子较多的原因。有关气溶胶粒子的产生和 生长过程，如机械扬尘、气粒转化( 成核、碰并、吸附等) 过程的详细内容请参见 F r i e d l a n d e r ( 2 0 0 0 ) 和王明星( 2 0 0 5 ) 。 ( 2 ) 从该日颗粒的种类组成( 图2 b ) 上看，有机碳质颗粒数量非常突出，其次是不 规则硅铝酸盐。其他各类颗粒除硫钙、絮状颗粒稍商外，数量百分比都较低( 在5 以下) 。 第九届全国气溶胶会议置第三届海峡两岸气溶胶技术研讨会 上述四类颗粒物都以一次排放为主，说明在这样的气象

16、条件下，一次排放源，如扬尘，锅炉 和汽车排放是造成颗粒污染的主要原因。 ( 3 ) 就站点问差异而言，南部站点1 “m 以下粒子最多，而从组分上看，其有机，碳质 颗粒突出。此外，南部点飞灰、硫钙颗粒偏多；北部站点不规则硅铝酸盐明显多于市区和 南部。市区则明显地种类更丰富，存在更多的高钙、含硫、絮状和其他颗粒( 如C r ) 。因此， 北部主要受自然来源的影响，浓度水平很低，代表了城市的背景水平；市区是众多人为来源 粒子的排放源地；南部可能受到了北京城区的影响( P M l o 质量浓度也有着从北向南增加的 趋势) 。 2 2 2 西太平洋副高控制下大气颗粒物的组成和来源特征 ( 1 ) 与7

17、月9 日结果相比，粒径在1 2 5 1 a m 的粒子数大幅度增加。北部和市区该直径 区间数量百分比达到了4 5 ( 9 日为3 0 ) 和4 1 ( 9 日为2 9 ) 。 从表2 可见，1 8 日湿度较大，气压高。南风明显。通过凝结、碰并等物理过程、和吸 湿粒子表面的化学过程，大气气溶胶粒子的尺度可以从纳米级迅速向微米级发展 ( F r i e d l a n d e r 2 0 0 0 ；王明星，2 0 0 5 ) ，使得尺度集中在1 - 2 p m 。这里所见的粒径分布的变 化，说明了= 次粒子的大量生成。对照图3 ，可知此类天气过程中，P M l o 的质量浓度也是比 较高的。 (

18、2 ) 从化学组成上看，含硫颗粒和硫钙颗粒的数目百分比较之9 日大幅增加。 肖瑞等( 2 0 0 4 ) 发现含硫颗粒数目比例高，是北京市夏季大气污染特征。陈建民等 ( 2 0 0 6 ) 在综述大气气溶胶多相反应的文献中，提及了多个研究成果，证明了含硫物种( S 0 2 ， 含硫有机物等) 在颗粒物表面发生多相反应，生成新的气溶胶粒子，其中包括矿尘吸收s 0 2 ， 生成硫酸盐气溶胶，而一些痕量金属元素如F e 、M n 起至l J 催化和氧化作用。该日北京市大气 气溶胶粒子含硫和硫一钙颗粒增多，说明偏南风、湿度较高，颗粒物表面的多相反映非常活 跃，有大量的次生粒子生成。 含硫颗粒的数目百分

19、比在北部站点低于市区站点，而硫钙颗粒高于市区站点。可能是 因为在南风作用下，城市中的颗粒物向北部转移，城市中产生的二氧化硫和含硫颗粒与含钙 颗粒在云中作用下转变成硫，钙颗粒。 ( 3 ) 市区站点有机碳质颗粒比例最高类似于南部站点在冷空气影响下的情形。从 P M 】o 质量浓度来看，南部低于市区。说明此类过程中，南部站点基本不受市区的影响：相 反地，市中心以南的工业锅炉、汽车引擎排放对市区的有机，碳质颗粒贡献突出，当然也不 排除从更大范围内污染输送的影响。， 第九届全国气溶胶会议暨第三届海峡两岸气溶胶技术研讨会 2 2 3 地方性天气过程中大气颗粒物的组成和来源特征 ( 1 ) 粒子尺度分布与

20、受副商控制时比较接近，但0 - 1 9 m 和1 2 5 p m 粒子比例都较高。 P M l o 质量浓度是三个采样目中最高的。 ( 2 ) 从颗粒种类分布上看，有机碳质颗粒比例有所下降，且在3 个站点基本持平。其 他类型的颗粒如燃煤飞灰、硫钙颗粒、含硫颗粒、絮状集合体等有所增加。说明了颗粒来 源的纷繁复杂。由于夜间吹北风，白天吹南风，污染物在山前往复搬运，不断的混合、搅拌， 可能是造成均匀分布的原因。 ( 3 ) 该日最明显的特点是南部与北部和市区明显不同。北部点和市区在组成上较为近 似，说明该点已经受到城市的影响很强。南部含硫颗粒，硫钙颗粒、絮状集合体这些可以 远距离输送的物质最多，可能

21、更多地包含了区域污染的信息。 3 结论 通过采集夏季典型污染过程中市区和郊区颗粒物的样品，应用扫描电镜。能谱分析手 段，得到了关于夏季复杂天气条件下，大气颗粒物污染的结论： 在北方冷空气中，大气颗粒中小于1 微米的粒子比例很大，主要是由轻元素( c 、 H 、N 等) 组成的有机( 碳质) 颗粒：较粗的颗粒如5 1 0 微米的粒子也比较多， 主要是地壳源的不规则硅铝酸盐；其他类粒子比例都较少； 在南方副高中。积聚模态的粒子比例增加明显，对应的种类主要是硫钙颗粒和含 硫颗粒，反映了该类过程中活跃的大气反应、二次污染粒子生成： 地方性天气过程中，1 微米以下和l - 2 5 微米尺度上粒子比例多而

22、且相近；各类次 要组成粒子比例与南方副高相近，如较高的硫一钙颗粒、含硫颗粒比例，尤其在南 部的榆垡点，比例屉高；有机( 碳质) 颗粒比例在各点分布均匀。 从站点之间的差异性来看，冷空气影响下，北部主要受自然来源的影响，浓度水平 很低，代表了城市的背景水平；市区人类活动产生的粒子种类和来源最多，对于下风向的 郊区影响很明显，控制市区的来源将对整个市区的大气颗粒物污染起到重要作用；南部点 在地方性天气下与北部和市区明显不同，可能更多地包含了区域污染的信息。 致谢：时建纲和王峥参加了样品采集，特此致谢! 主要参考文献 F r i e d l a n d e rS K ，S m o k e ，D u

23、s t , a n dH a z e - f u n d a m e n t a l so fa e r o s o ld y n a m i c s ( 2 I l de d i t i o n ) O x f o r dU n i v e r s i t y P r e s s ，O x f o r d ，N e wY o r k P p l 8 8 - 2 1 9 , 2 7 5 3 0 3 ，3 5 9 - 3 6 6 ， 7 第九届全国气溶胶会议暨第三届簿峡两岸气溶胶技术研讨会 L i g h t y , JS ；V c r a n t l 、J M a n dS a r o f i

24、 m ，A F f ，2 0 0 0C o m b u s t i o nA e r o s o l s ：f a c t o r sg o v e r n i n gt h e i rs i z ea n d c o m p o s i t i o na n di m p l i c a t i o n st oh u m a nh e a l t h J o u r n a lo ft h eA i r W a s t eM a n a g e m e n tA s s o c i a t i o n ，v o I 5 0 1 5 6 5 1 6 1 8 陈建民，孔令东，2 0 0 6 ，

25、大气气溶胶多相反应对酸沉降的影响。第十三届全国大气环境学术会议论文集， 1 4 1 1 4 9 。哈尔滨，2 0 0 6 9 董掰解，刘涛，孙大勇等2 0 0 1 用扫描电镜识别广州市大气颗粒物主要种娄【玎岩矿剽试，2 0 ( 3 ) ：2 0 2 2 0 7 郝吉明，王丽涛李林，胡京南，余学春，2 0 0 5 北京市能源相关大气污染源的贡献率和调控对策分析中国科学 D 辑( 地球科学) 2 0 0 5 ，3 5 ( 增刊I ) ：1 1 5 1 2 2 马一琳，张远航，2 0 0 0 。北京市大气光化学氧化剂污染研究环境科学研究第1 3 卷第1 期 寿绍文( 主编) ，天气学分柝。气象出版社

26、，2 0 0 2 。北京。1 4 8 1 5 3 宋字，唐孝炎，方晨等。2 0 0 3 。北京市能见度下降与颗粒物污染的关系。环境科学学报，V o l2 3 N o4 。4 6 8 - 4 7 1 宋宇，唐孝炎t j 妊远航等，2 0 0 2 。夏季持续高温天气对北京市大气细粒子( P M 25 ) 的影响。环境科学，voJ 2 3 No 4 。3 3 3 6 壬明星，大气化学( 第二版) 。气象出版社，2 0 0 5 。北京1 6 7 2 0 4 肖锐，刘成德，粱汉东，董树屏，F Adams ，2 0 0 4 。北京市春夏季大气气溶胶的单颗粒分析表征岩矿测试 V 0 1 2 3 , N o 2 。 8