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本文通过对朱张、阿克达拉、临安三个区域大气本底站气溶胶样品的OC、EC、水溶性离子和元素特征的研究,获得了中国西南、西北、东南大气背景区气溶胶的时空分布特征,结合气团轨迹分析对气溶胶的传输路径进行了分析,初步探讨了排放源特征和气象要素对大气污染特征的影响,分析了三个地区气溶胶特征的区域特点及与季风气候的关系。通过上述工作在三个地区大气背景气溶胶的特征及区域传输、来源和影响因素方面取得了一些新的认识,具体如下:
(1)朱张站2004年8月-2005年2月PM10气溶胶中OC、EC平均浓度分别为3.13±0.91μg m-3和0.34±0.18μg m-3,它们可视为中国西南地区及邻近的较大空间范围内的OC和EC的本底浓度水平;OC平均浓度与美国大陆的OC背景值(约3μg m-3,Malm et al.,1994)比较接近。由于植被VOC的释放以及可能的二次有机碳(SOC)的形成等因素,OC浓度从夏秋到冬季呈现逐渐下降的特征:EC浓度秋季最低,夏季由于中国内陆污染物的输送使EC浓度最高,冬季随着区域范围内燃烧源排放的加强EC浓度也有所升高。由于降水的湿清除,OC、EC浓度在降水天气条件下相对较低,大气对流加强对OC和EC也有明显的扩散稀释作用。
(2)朱张站PM10中的SO42-、NH4+、K+主要来自燃煤和生物质燃烧等人为污染源,Na+、Mg2+、Cl-可能与随西南季风输送到本区的海盐气溶胶有关。夏秋季PM10中铵盐主要以NH4HSO4和NH4NO3的形式存在;冬季可能NH4HSO4、(NH4)2SO4和NH4NO3颗粒都对铵盐有一定贡献。
(3)气溶胶传输路径分析表明朱张站主要的污染路径来自四川盆地和云南东南部,在夏秋季节此类输送路径发生频率高;来自南亚阿拉伯海沿岸国家和来自东欧的路径输送距离较远,污染程度较弱;来自孟加拉湾的路径比较清洁。各传输路径对应的污染物浓度较一致,表明气溶胶经过长距离输送和充分混合。
(4) OC和硫酸盐是朱张站PM10的主要组成部分,分别占38%和20%,EC对PM10的贡献率约为4.1%; NO3-和NH4+的贡献较小,分别为5.7%和1.7%;而Na+、Ca2+对PM10的贡献率分别为8.5%和6.1%,大于NO3-和NH4+的贡献。根据Fe的含量估算出的粉尘的贡献约为10%。
(5)阿克达拉站2004年8月-2005年3月大气PM10中OC、EC浓度分别为2.91±1.58μg m-3和0.35±0.31μg m-3;该站OC浓度本底值为2.0μg m-3,EC浓度的本底值为0.15μg m-3,这两个值可能代表了包括新疆北部在内的较大范围的碳气溶胶本底污染特征。PM10中OC浓度平均为2.91μg m-3,与朱张站(3.13μg m-3)和美国大陆的背景值(约3μg m-3,Malm et al.,1994)接近。OC、EC浓度的季节变化较大,冬季由于取暖等人为因素,OC、EC浓度比其它月份明显偏高。
(6)离子平衡分析表明阿克达拉站PM10中可能主要集中了人为污染物转化形成的二次粒子,如硫酸盐、硝酸盐、铵盐等;而TSP中可能还富集了粉尘中的Ca2+、Mg2+、Na+等阳离子。PM10气溶胶中铵盐主要为NH4HSO4和NH4NO3,大气中的H2SO4和硫酸盐没有被完全中和成(NH4)2SO4。
(7)阿克达拉所有气溶胶传输路径中,来自俄罗斯境内的钢铁、煤炭等工业污染源对北疆地区可能影响较大,近源的中蒙边界输送路径也带来较多的污染物。来自西方的四类路径均受到地表扬尘的影响,除来自高纬度地区的路径外,其余各路径气溶胶均有比较稳定的地表扬尘贡献。气溶胶传输路径的季节差异不明显。该站的大气污染特征可能主要与区域尺度排放源的变化有关,而与气溶胶输送路径的变化关系不密切。
(8)阿克达拉站PM10气溶胶最主要的组分是硫酸盐、OC和粉尘,分别占PM10质量的31%、26%和23%。OC对PM10的贡献率从夏秋季到冬季逐渐减小;冬季EC、硫酸盐、硝酸盐和铵盐对PM10的贡献明显高于其它季节。根据Ca2+对PM10的贡献率可知,干旱的内陆戈壁地区地表扬尘源对大气颗粒物常年具有比较稳定的贡献。
(9)临安站2004年3月-2005年6月PM2.5浓度约为67.9μg m-3,是美国环保署(EPA,U.S. Environmental Protection Agency)推荐的PM2.5浓度年平均值标准(15μg m-3)的4.5倍多,表明中国东南沿海地区大气污染很严重。前人的研究结果表明,临安冬季以细粒子污染为主。采样期PM2.5中SO42-、NO3-、NH4+的浓度分别为19.6±9.7μg m-3、7.6±6.7μg m-3和5.5±3.4μg m-3。
PM2.5及其主要组分SO42-、NO3-、NH4+均表现出冬春季节浓度较高而夏秋季节浓度较低的特点;但PM2.5和NO3-浓度有比较明显的季节变化,而SO42-和NH4+浓度的季节变化不明显。NO3-浓度冬春季较高可能是因为低温和较高的相对湿度有利于硝酸盐的形成;另外冬春季燃烧源排放加强,且经常出现阴霾天气和雾天,大气层结较稳定,这也导致了大气污染的加剧。
(10)临安PM2.5中SO42-、NO3-、NH4+、K+等各组分对PM2.5的贡献相对稳定,可能反映了东南沿海工业区平均的大气气溶胶污染特征。各主要污染物之间很好的相关性说明该区污染物排放源的季节变化不大,显示了区域混合比较均匀的特点。该背景点污染物浓度之间的比值可能代表了东南沿海地区化石燃料燃烧、机动车排放、生物质燃烧及其它各类排放源的混合特征。
(11)对临安站气溶胶传输路径的分析表明:来自东海、太平洋海域和来自南海海域的路径(相当于东亚夏季风的输送路径)比较洁净;主要的污染路径为来自中国内陆的近源路径和源于韩国和日本附近的路径;来自蒙古国及中国北部沙漠区的路径在春季和冬季对中国东南沿海地区的粉尘有一定的贡献。气溶胶传输路径也具有一定的季节变化特征,冬季风盛行的冬春季节,来自亚洲内陆的污染气团对该区影响较大;而夏秋季节随着夏季风增强,来自海上较洁净的气团对本区气溶胶浓度的“稀释”作用加大。PM2.5中的Na+/Ca2+比值仅在大气比较洁净的季节和月份(主要是夏季)出现高值,而在大部分月份Na+/Ca2+的比值都不高,表明除了夏季来自海洋的气团对本区大气成分影响较大外,大部分月份本区主要受陆地气团输送的影响。
(12)临安站SO42-、NO3-、NH4+对PM2.5的贡献率平均分别为29%、11%和8.1%,而水溶性离子组分对PM2.5的贡献率平均为56%,表明水溶性离子对临安站PM2.5的贡献很大。K+离子对PM2.5的平均贡献率为2.5%,在不同季节变化不大,表明生物质燃烧源排放对本区气溶胶有比较稳定的贡献。夏秋季节硫酸盐对PM2.5的贡献明显高于冬春季节,而硝酸盐对PM2.5的贡献明显在冬春季节偏高。由于春季亚洲粉尘的输送增强,Ca2+对PM2.5的贡献偏高;而夏秋季节来自海洋的输送路径发生频率增加,海盐源的Na+对PM2.5贡献增加。前人研究结果表明冬季月份OC约占PM2.5质量的50%,EC约占PM2.5质量的3.8%;冬季月份OC对本区大气PM2.5的贡献也很大,可能与冬季燃煤和生物质燃烧源排放的增加有关。
(13)三个背景点的气溶胶变化特征与附近城市一致,说明观测到的气溶胶特征能代表区域范围内大气成分变化特征,适合作为区域大气本底站进行观测。
(14)季风气候对朱张、阿克达拉和临安站大气气溶胶的特征有重要影响。朱张站夏秋季节随着西南季风的增强,来自孟加拉湾的清洁气团的输送频率增加,同时随之带来的降水也有利于气溶胶的清除;进入秋冬季节随着西风输送路径增加,远源的较为清洁的气团的影响加强。阿克达拉站秋冬季和春季均有比较强的东亚冬季风的影响,地表扬尘源有比较稳定的贡献。