成都市PM2.5水溶性无机离子及气态前体物污染特征分析

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水溶性无机离子是大气细颗粒物(PM2.5)的重要组成,在灰霾污染形成中起到了至关重要的作用,其贡献往往随着污染的加重愈加突出。为深入了解四川盆地大气灰霾污染特征及形成机制,本研究以四川省省会—成都市为研究对象,利用大气气态污染物和气溶胶连续收集与在线分析装置(GAC-IC)对成都市四个季节PM2.5中水溶性无机离子(Na+,K+,NH4+,Mg2+,Ca2+,Cl-,NO3-和SO42-)和气态前体物(HCl,NH3,SO2,HONO和HNO3)进行了连续高时间分辨率的观测,对各类污染物浓度水平、季节变化、形成机制、演化特征及来源等进行了深入分析。此外,鉴于秋、冬季为污染高发期,本研究首先对秋季颗粒物浓度、污染物来源、清洁期-污染期差异、气溶胶形成机制以及颗粒酸碱性进行了深入分析;其次,对冬季进行了污染程度的细化,探讨了关键气象要素在颗粒物污染中的作用,以及硝酸盐形成机制,其主要结果包括:(1)成都市大气PM2.5年平均质量浓度为67.1±48.1μg/m3,超过中国国家环境空气质量标准(GB3095-2012)二级标准(35μg/m3)的0.92倍,成都颗粒物污染问题不容忽视;PM2.5中水溶性无机离子全年平均质量浓度为37.9±39.6μg/m3,水溶性无机离子中离子浓度大小顺序为NO3->SO42->NH4+>Cl->K+>Ca2+>Na+>Mg2+,其中SO42-、NO3-和NH4+是水溶性无机离子中的主要离子,占水溶性无机离子的88.7%。水溶性无机离子季节分析表明,冬季浓度最高,平均浓度可达88.0±64.6μg/m3,随后依次分别为秋季(36.9±29.4μg/m3)、夏季(21.1±14.8μg/m3)和春季(16.7±13.8μg/m3)。(2)成都市秋季雾霾污染的主要原因包括:机动车源和生物质燃烧源的大量贡献;四川盆地内部污染物短距离传输;导致污染物积累和二次无机离子形成的气象条件(高的相对湿度和低的风速)。整个秋季观测时期,总水溶性离子的平均质量浓度为36.9±29.4μg/m3,占PM2.5质量的62.8%。硝酸盐是最主要的离子,占总离子的41.2%,其次是硫酸盐(27.1%)和铵(18.1%),反映出机动车源对成都市PM2.5的重要贡献;无机离子的二次形成和生物质燃烧排放在雾霾污染过程中起着至关重要的作用;在雾霾过程中,硝酸盐占主导地位,并表现出最显著的增长,它可能主要通过均相反应产生,而硫酸盐主要通过非均相反应形成;清洁天和污染天二次无机离子日变化规律差异明显,反映了不同污染条件下二次无机离子的形成特征差异。由于酸性气溶胶的大量增加,污染天大部分颗粒都呈酸性,大多数样品中的铵主要以NH4HSO4和NH4NO3的形式存在。后向轨迹聚类分析表明,秋季空气团主要来自成都东北部,且雾霾污染主要以四川盆地内的短距离传输为主。(3)在冬季,气象条件对颗粒污染影响重大,硝酸盐主要通过气相均相反应形成,其结果主要包括:(1)冬季大部分时间(75.0%)细颗粒物浓度处于较高水平(PM2.5日均浓度≥75μg/m3),41.7%的时间为重污染天(PM2.5日均浓度≥150μg/m3)。PM2.5质量浓度变化幅度较大,且与气象条件变化密切相关。高PM2.5值通常伴随着稳定的天气条件,包括低风速、无序的风向和高相对湿度;气态污染物中,HCl、NO2、NH3和CO浓度随着污染加重明显升高;清洁期-中度污染期-重度污染期中NO3-/SO42-比值分别为1.1、1.9和2.3,机动车源是造成成都市冬季雾霾污染的重要原因,特别是在重污染时期。(2)冬季研究期间(除清洁期),NOR与RH相关性较差(R2=0.03);n-HNO3/(n-HNO3+n-NO2)在高温和低相对湿度条件下,出现较高的值,而低温和高相对湿度条件下,值变化较小,比较稳定,NO2向HNO3转化主要受温度的控制。气体HNO3向NO3-转化在低温高湿条件下是有利的。硝酸盐的形成主要是气相均相反应导致。
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