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南京市灰霾天气溶胶水溶性离子的分布特征研究

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地球大气的主要组分是各种气体混合物,并含有水汽和颗粒物。由于大气颗粒物组成的复杂性,导致了其粒径范围、化学性质,形态及相态都非常复杂。因为其性质的复杂性,大气颗粒物的来源、大气寿命和时空分布存在极大的变异性。大气霾污染主要是由过量的大气颗粒物结合水汽悬浮在大气中导致的大气能见度降低,空气质量下降的污染现象[1]。大气颗粒物是大气霾污染最重要的组分,由于其形成方式不同被分为一次颗粒物和二次颗粒物[2]。一次颗粒物是指由污染源直接排出的颗粒物,例如燃烧过程直接排出黑炭粒子。二次颗粒物是由气态前体物在适宜的大气条件中经过冷凝等物理变化或复杂的化学反应生成的颗粒物,例如硫酸盐,硝酸盐等[3]。在大尺度范围中,大量增加的大气颗粒物是影响全球气候变化的重要因素,以全球气候变暖为代表,大气颗粒物的增加影响了地球—大气系统的能量平衡,进而对全球气候产生影响[4]。在局地范围内,积聚的大气颗粒物会造成局部特征明显的环境变化[5],例如降低能见度,增加城市降水,甚至会出现雨水酸化或碱化等灾害性天气,给人类社会以及动植物生存带来危害[6]
随着我国经济的快速发展和工业化水平的迅速提高,城市人口及机动车数量的急增,霾污染已成为我国目前面临的最严峻的环境问题之一。水溶性离子作为大气气溶胶中的重要化学组分,对大气的光学性质,大气能见度和地球-大气能量平衡有着直接和间接影响[7]。由于水溶离子理化特征的差异,不同离子在粒径段分配也存在差异;并且,离子粒径分布与气象条件密切相关[8],有研究指出气象因素的差异可以改变离子的形成机制,从而间接影响其粒径分布[9];此外,水溶性离子来源和粒径分布存在明显的季节变化[10]

南京市灰霾天气溶胶水溶性离子的分布特征研究
此次霾过程颗粒物从18日上午10:00开始积累,至20日清晨颗粒物浓度受偏北风以及混合层高度上升的影响有短暂清除。然而,20日上午10:00开始颗粒物又迅速积累,在5个小时内PM10质量浓度增长5倍,且在21日凌晨2:00出现峰值670.2μgm-3。整个霾污染过程持续4d,20~27日4d内PM10质量浓度日均值分别为350.3、498.3、442.0和439.0μgm-3,超过国家二级标准日均值150μgm-31.3~2.3倍。由于28日凌晨有降雪,混合层高度上升且风速增大,霾污染被清除。霾期间PM2.5变化趋势与PM10基本一致,但其占PM10比例保持在60%以上,而在对照期,此比例基本低于45%。这表明此次南京霾污染过程主要物质组成为细颗粒物(PM2.5)。
参照国家《环境空气质量标准》规定,并根据霾过程中颗粒物浓度水平,18~19日2d定义为轻度污染期,20~27日4d定义为重度污染期,28-31这4日空气质量为优良,即对照期。
通过采用SPSS21.0软件进行处理,分析不同时期(轻度污染期、重度污染期、对照期)的溶胶水溶性离子的分布特征。

霾重污染过程4d中仅PM2.5中的NO3-、SO42-和NH4+质量浓度平均总和就达到136.7μgm-3,接近PM10国家二级标准150μgm-3,说明在南京霾污染过程中二次离子污染非常严重。一般可以用硫酸根氧化率(SOR)和硝酸根氧化率(NOR)来表观二次转化的程度。其中SOR=n-SO42-/(n-SO42-+n-SO2),NOR=n-NO3-/(n-NO3-+n-NO2),其中n-SO42-、n-SO2、n-NO3-和n-NO2分别表示硫酸根、二氧化硫、硝酸根和二氧化氮的物质的量。表1列出轻污染期、重污染期以及对照期中SOR和NOR的平均值。



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