南京地区细颗粒物污染特征及灰霾事件成因研究

摘要

颗粒物是我国最主要大气污染物之一。颗粒物污染能够改变区域辐射平衡、降低能见度、危害人体健康，并促进大气非均相化学反应生成其他污染物。由于局地人为排放和区域传输协同效应的影响，近几年长三角城市群时常发生气溶胶灰霾污染事件，严重影响了当地居民的生活及工作环境。
　　本研究在位于长三角西部的区域背景站SORPES(地球系统区域过程综合观测基地)，在2013年12月1日至2014年11月30日间，对大气中常规污染气体、气溶胶散射/吸收系数及PM2.5质量浓度进行了长期在线连续观测，研究总结了南京地区细颗粒物污染及能见度特征。在常规观测之外，又针对气溶胶灰霾污染进行了两次强化观测实验，从气象和化学角度探讨了夏、冬季节南京地区灰霾的形成机制。
　　长期观测结果表明，南京SORPES站点O3、SO2、NO、NO2及NOy平均浓度分别为27.9 ppbv、6.1ppbv、6.2ppbv、29.7ppbv和37.3ppbv。在整个观测期间，PM2.5日均浓度超过国家二级标准限值的天数高达36％，PM2.5平均浓度为72.5μg/m3，并呈现“W”型季节变化特征。数据分析表明，6月份强烈的光化学反应和高浓度O3是夏季峰值的主要成因;而冬季峰值则与低温和低降水量等气象因素以及更高浓度的SO2、 NOx等前体污染物有关。高浓度PM2.5对光的散射，使得南京也面临严重的灰霾污染威胁。观测结果表明，南京冬季和夏季的灰霾发生率较高，其中夏季灰霾天主要集中在6月份和冬季灰霾天则主要集中在12月份。灰霾污染条件下，大气中PM2.5及气态污染物浓度高出其在非灰霾天含量约25％-50％。
　　2013年12月和2014年6月在南京SORPES站点分别进了两次强化观测实验，针对在此期间出现的不同强灰霾事件进行研究分析。天气形势研究结果表明，夏季灰霾期间陆地高温低压环境相对容易引起污染物的对流扩散，南京地区容易受到自东部沿海长三角城市群传输而来的高浓度污染物的影响;冬季灰霾期间陆地低温高压环境更有利于污染物的积聚，来自北方的陆地气团会携带华北地区污染物传输至南京地区并积累至极高浓度。冬、夏两季除了受携带污染物气团长距离传输至南京引发灰霾事件外，因局地及周边区域气团内部污染物的二次生成导致的灰霾污染个例也在两次强化观测期间发生。夏季两次灰霾污染个例中，SO42-是PM2.5中的首要污染物，SO42-分别占到26.1％和23.1％，其次NO3-占比分别为17.9％和21.6％。白天NO3-和SO42-主要来自于光化学驱动的气相氧化，但是由于白天高温低湿导致NH4NO3热解NO3-浓度降低;并且夏季因受秸秆燃烧污染物影响，SO42-在白天有更高的生成率。冬季个例中，NO3-是PM2.5中的首要水溶性离子污染物。冬季两次持续灰霾事件中，NO3-分别占到26.1％和23.1％，其次SO42-占比分别为17.9％和21.6％。白天气相氧化过程对冬季灰霾中NO3-和SO42-的形成有较大的贡献，而夜间金属离子的催化氧化以及NO2的液相氧化可能是夜间硫酸盐液相非均相形成的重要途径。

目录

声明

摘要

符号及缩写说明

第一章 绪论

1．1 细颗粒物研究综述

1．1．1 大气细颗粒物及其危害

1．1．2 大气细粒子的化学成分及来源

1．2 灰霾

1．2．1 大气灰霾污染概述及其危害

1．2．1 灰霾国外研究进展

1．2．2 灰霾国内研究现状

1．3 研究的主要内容及意义

第二章 实验与研究方法

2．1 实验概况

2．1．1 观测站点和时间

2．1．2 在线观测分析仪器

2．2 研究方法

2．1．1 拉格朗日粒子扩散模式

2．1．2 聚类分析

第三章 南京地区气溶胶污染及其对能见度的影响

3．1 PM2.5及气态前体物总体污染特征

3．1．1 PM2.5及气态前体物季节变化特征

3．1．2 PM2.5及其前体物日变化特征

3．1．3 PM2.5与其前体物的相关性研究

3．2 影响南京地区气流轨迹簇分析

3．3 PM2.5对大气能见度的影响

3．3．1 PM2.5与消光系数的关系

3．3．2 南京地区能见度及灰霾现状

3．3 本章小结

第四章 南京2013年冬季灰霆重污染过程研究

4．1 2013年12月份总体污染特征

4．2 灰霾事件期间气象因素分析

4．2．1 灰霾事件期间位势高度场及粒子扩散模拟

4．2．2 灰霾事件期间边界层温度、湿度

4．3 灰霾期间主要化学成分分析

4．3．1 灰霾期间硫酸盐和硝酸盐相关性

4．3．2 硫酸盐的二次生成

4．3．3 硝酸盐的二次生成

4．4 本章小结

第五章 南京2014年夏季灰曩重污染过程研究

5．1 2014年6月份总体污染特征

5．2 灰霾事件期间气象因素分析

5．2．1 灰霾事件期间位势高度场及风场

5．2．2 灰霾事件期间边界层温度、湿度

5．3 灰霾期间主要化学成分分析

5．3．1 灰霾期间硫酸盐和硝酸盐相关性

5．3．2 硫酸盐的二次生成

5．3．3 硝酸盐的二次生成

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 小结

6．1．1 南京地区PM2.5及能见度特征的主要结论

6．1．2 南京地区灰霾的化学及气象成因研究的主要结论

6．2 创新点

6．3 不足与展望

参考文献

致谢