西安大气溶胶化学组成与吸湿性能特征

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本研究于2013年3月9~12日春季沙尘期间和2013年12月24日~2014年1月27日冬季雾霾期间,在西安市区分别进行TSP离线采集以及PM2.5化学组分、NH3浓度、CCN分档活化率的在线观测,时间分辨率均为1小时,并检测离线样品的无机离子组成、含碳组分及水溶性组分吸湿性。目的在于分析春季沙尘暴和冬季雾霾期间西安大气颗粒物化学演化特征,探讨硫酸盐、硝酸盐、铵盐及钠盐等主要无机盐的来源、形成机制及其对颗粒物吸湿性能的影响。  冬季雾霾观测期间,PM2.5是影响能见度的主要因素;其中出现重霾天主要是由于除夕凌晨烟花爆竹的大量燃放以及不利于污染物扩散的气象条件造成的,并且还导致重霾天期间CI-、K+、Mg2+浓度突然增加。而PM2.5中的NO3-、SO42-、NH4+主要是通过二次转化形成,并呈现出浓度逐渐上升的趋势。Na+主要是人为燃烧秸秆等燃料供暖所产生,仅在0.64~1.63μg·m-3范围内上下波动,无增加趋势。由于NO2-是中间产物不容易积累成高浓度,且气相中的HNO2非常不稳定,所以检测到的NO2-浓度非常低。而观测期间风速很低,无地面扬尘,且Ca2+主要存在于粗颗粒中,因此PM2.5中Ca2+浓度也非常低。NH3浓度在10.7~47.8μg·m-3范围内上下波动,并且由于NH3主要受人为活动影响,而白天人为活动频繁,晚上人为活动减少,所以NH3呈现出明显的昼夜变化特征,即白天上午浓度达到最高,凌晨左右降到最低。使用ZSR规则以及简化模型分别计算冬季雾霾期PM2.5吸湿参数k的结果显示:重霾天PM2.5吸湿参数(κ=0.36)比轻霾天(κ=0.26)的略高。此外,由于边界层的昼夜变化以及白天的光化学反应,造成吸湿参数k呈现出比较明显的昼夜变化趋势。冬季SMPS与CCN联用的观测结果,表明颗粒物的粒径相较于化学组分对于其活化成为CCN更重要,以及细颗粒的吸湿性比粗颗粒较强。  春季沙尘期间有两次沙尘峰值过境西安,TSP小时浓度最高分别达到7527μg·m-3和3200μg·m-3,同期SO42-分别为180μg·m-3和38μg·m-3。沙尘暴初入西安时NO3-与NH4+浓度较低,其后,二者以1∶1的摩尔比同步渐增,至沙尘过后第48小时达最大值(分别为34μg· m-3和8.7μg·m-3)。沙尘期Na+与SO42-、Cl-的相关系数为.95,NH4+与NO3-的相关系数为0.78,由此推测他们的来源相同,是来源于戈壁上干旱湖泊中的岩盐、芒硝、石膏和钙芒硝等矿物;但NH4+和NO3-主要来源于沙尘颗粒表面的非均相反应,并以NH4NO3的形式存在。由于TSP样品水溶性组分中大部分是无机离子,因此样品水溶性组分显示出一定的吸湿性,整个观测期其吸湿增长因子变化范围为1.27~1.44。
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