长三角背景点大气颗粒物中水溶性无机离子污染特征、来源与形成机制

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近年来随着各级政府治污减排措施的强力推进,长三角地区空气质量得到显著改善。但是作为我国人口最为密集、工业化和城市化最为发达的区域,长三角地区空气质量依然不容乐观,以高浓度PM2.5和O3为主要特征的区域灰霾和光化学重污染事件时有发生。当前有关长三角地区大气污染的研究主要集中在城市地区如上海、南京和杭州等,而对周边背景点的研究报道相对较少,区域污染来源与形成机制尚未完全理解。本研究以长三角背景点—上海市崇明岛大气为对象,于2018年冬夏两季采集PM2.5和粒径分级颗粒物样品,采用离子色谱分析其水溶性无机离子,探讨不同污染状况下水溶性无机离子的化学组成、昼夜变化和粒径分布特征;利用ISORROPIA-II热力学平衡模型计算气溶胶的酸度,分析其酸度特征和影响因素。在此基础之上,针对典型污染事件,区分其类型并探讨其成因,运用PSCF(潜在源贡献)方法判别污染物排放源区,通过PCA(主成分分析)方法分析PM2.5中水溶性无机离子的来源,同时结合PMF(正交矩阵因子)模型定量解析其来源。根据上述研究,得出以下主要结论:(1)夏季采样期间PM2.5平均为33.33±21.18μg/m3,低于国家标准一级日均限值35μg/m3,表明:崇明岛夏季整体上空气质量良好;冬季采样期间PM2.5约为夏季的1.8倍,大气整体呈中度污染态势。夏季水溶性无机离子占PM2.5的42.4%,与冬季相近,表明水溶性无机离子是长三角背景地区冬夏季大气PM2.5中的主要成分。冬夏两季污染期SNA(二次无机离子)的质量浓度均为清洁期的4倍以上,表明:二次颗粒物累积是崇明岛PM2.5超标的主要原因。(2)夏季SO42-是最主要的离子,占水溶性无机离子浓度的43.6%,其次为NO3-和NH4+,分别占26.7%和18.6%,冬季NO3-浓度最高,占水溶性无机离子浓度的47.1%,其次是SO42-(22.5%)和NH4+(20.8%)。冬季SNA相对组成昼夜相近;与此相对照,夏季白天SO42-浓度最高,而夜晚尤其是污染期夜晚NO3-浓度和占比均显著增加,主要是夏季白天高温导致硝酸铵挥发所致。(3)[NO3-]/[SO42-]摩尔比值显示:夏季除污染期的夜晚移动源污染增多,其余时段以固定源污染为主导,而冬季整个观测期间均以移动源污染为主导。[NH4+]/[SO42-]摩尔比值显示:夏季清洁期呈贫铵状态,过渡期和污染期呈富铵状态,过渡期SNA主要以NH4HSO4和NH4NO3形式存在,而污染期则主要是以(NH42SO4和NH4NO3形式存在。冬季三个时期均处于富铵状态,清洁期白天SNA主要以NH4HSO4和NH4NO3的形式存在;而在清洁期的夜晚及过渡期和污染期,SNA主要以(NH42SO4和NH4NO3形式存在。(4)ISORROPIA-II热力学平衡模型计算结果显示:夏季气溶胶的pH值(3.16)低于冬季(4.52)。冬季气溶胶液态水含量LWC(244±439μg/m3)约为夏季的6倍,冬夏两季的LWC均呈现随RH的升高而指数增长的趋势。冬季高含量的LWC稀释了气溶胶液相的H+,导致其酸度低于夏季。(5)源解析结果显示:冬夏两季采样期间PM2.5中水溶性无机离子均为四个来源:化石燃料燃烧产生的二次源、生物质燃烧源、扬尘源及海洋源。二次源在冬夏两季的贡献中均占主导(50%以上),其次为生物质燃烧源(夏季为22.5%,冬季为34.5%)。通过PSCF分析和离子相关性分析发现:夏季的典型灰霾事件中EP1(事件1)为局地生物质燃烧型污染,EP2(事件2)为区域传输型污染;冬季的灰霾事件中,EP1(事件1)和EP2(事件2)为华北平原长距离传输型污染,EP3(事件3)和EP4(事件4)为长三角内陆短距离传输型污染。源解析结果进一步表明:夏季两次污染事件期间,气态污染物的二次转化对PM2.5的贡献最为显著,其次为生物质燃烧源贡献,而EP2中,海盐源对PM2.5贡献显著且远超出EP1期间。冬季的四次污染事件中,EP1、EP2和EP3期间二次源贡献均占主导,其次为生物质燃烧源贡献;与之相反,EP4中生物质燃烧源贡献占主导,其次为二次源。(6)颗粒物粒径分布特征显示:细粒径段上(<2.1μm),夏季水溶性无机离子浓度平均为16.61±5.77μg/m3,约为冬季的一半;夏季粗粒径段上(>2.1μm)无机离子浓度为7.16±1.46μg/m3,也是冬季的一半左右。细粒径段上,夏季SO42-是最主要的离子,占水溶性无机离子浓度的46.4%,其次为NO3-(21.2%)和NH4+(21.0%);冬季NO3-浓度最高,占比为47.0%,其次是SO42-(21.0%)和NH4+(15.4%)。粗粒径段上,冬夏两季NO3-均是占比最高的离子。(7)不同物种的粒径分布特征显示:冬夏两季NH4+均呈细模态上的单峰分布,SO42-和K+均呈细模态为主粗模态为辅的双峰分布,Na+、Cl-和Ca2+均呈粗模态为主的双峰分布;不同的是,夏季过渡期和污染期NO3-呈细模态为主粗模态为辅的双峰分布,而清洁期则是呈粗模态上的单峰分布,冬季NO3-呈细模态上的单峰分布。线性回归分析发现:夏季海洋气团占主导的清洁期,粗粒径上的NO3-仅与Na+呈正线性强相关,而Cl-与Na+无相关性,此外,Cl-与Na+的摩尔比也远低于海水中的比值,表明:夏季清洁期崇明岛粗颗粒物上NO3-主要是通过海盐表面的非均相反应而生成,Cl-亏损率平均为65.5%。
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