【摘 要】
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自2013年我国政府颁布严格的大气污染防治行动计划以来,我国大气污染状况得到了显著改善,PM2.5浓度呈现整体快速下降趋势,但由于机动车数量不断增加以及缺乏有效的挥发性有机物(VOCs)、氨气等排放管控,NO3-、VOCs和氨气的浓度仍然维持在较高水平,同时,臭氧浓度在诸多地区近年来迅速上升,大气氧化性在显著增强。这种大气污染物浓度和组成的变化也势必会影响我国大气气溶胶尤其是二次气溶胶(SOA)的
【基金项目】
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国家杰出青年科学基金(项目号:41325014); 国家自然科学基金委(项目号:41773117),典型城市大气气固两相水溶性有机物来源与气固分配机制; 科技部重点研发计划(项目号:2017YFC0210005),大气氧化剂及其前体物演变过程与收支平衡; 科技部重点研发计划(2017Y
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自2013年我国政府颁布严格的大气污染防治行动计划以来,我国大气污染状况得到了显著改善,PM2.5浓度呈现整体快速下降趋势,但由于机动车数量不断增加以及缺乏有效的挥发性有机物(VOCs)、氨气等排放管控,NO3-、VOCs和氨气的浓度仍然维持在较高水平,同时,臭氧浓度在诸多地区近年来迅速上升,大气氧化性在显著增强。这种大气污染物浓度和组成的变化也势必会影响我国大气气溶胶尤其是二次气溶胶(SOA)的物理化学和光学等性质。因此,本研究以长三角城市群背景点——崇明岛地区大气为研究对象,开展SOA研究。我们于2018年冬、夏两季在崇明岛开展了大气PM2.5和不同粒径颗粒物样品的采集,运用气相色谱质谱联用仪和气相色谱仪分别定性定量地分析了样品中二元羧酸及相关SOA的分子组成和浓度,并结合后向轨迹聚类分析方法、PSCF潜在源解析模型、线性回归拟合方法和ISORROPIA-Ⅱ热力学平衡模型等方法,探讨了采样期间二元羧酸及相关SOA的季节变化、粒径分布特征、来源和形成机制。主要结论如下:(1)夏季采样期间PM2.5的平均质量浓度为35±22μg m-3,PM2.5中二元羧酸总浓度为359±277 ng m-3,其中草酸(C2)浓度最高,其余依次为丁二酸(C4)、丙二酸(C3)、己二酸(C6)和邻苯二甲酸(Ph);酮羧酸和α-二羰基化合物的浓度分别为31±28 ng m-3和19±18 ng m-3。冬季PM2.5的平均质量浓度为59±41μg m-3,总二元羧酸的浓度为360±233 ng m-3,但冬季C2浓度低于夏季,主要是由于冬季大气光化学氧化能力较弱的缘故。冬季含量第二高的二元羧酸为Ph,约比夏季Ph的平均浓度高出50%,这主要因为:冬季北方燃煤供暖导致排放增强,Ph前体物(如多环芳烃)浓度升高,污染气团长距离传输影响长三角地区所致。(2)夏季观测期间发生了两次持续污染时间超过5天的污染事件(Event Ⅰ和Event Ⅱ),这两次霾污染事件中Event Ⅱ期间总二元羧酸与PM2.5的浓度比值更高,表明相较Event Ⅰ事件,Event Ⅱ期间PM2.5颗粒物中富含更多SOA。夏季清洁期C3/C4及OC/EC比值高于污染期,表明:清洁期大气气溶胶更为老化。冬季采样期间共出现四次典型的霾污染事件。其中,Event Ⅰ期间PM2.5浓度最低,Event ⅠV时期最高。Event Ⅱ时期大气老化程度最弱,该时期WSOC主要来自于一次源直接排放而非二次老化,Event ⅡI时期C6/C9(己二酸与壬二酸浓度比值)和Ph/C9比值与Event ⅠV时期接近,表明这两个霾事件可能受到了相似的人为源污染影响。(3)气团轨迹和分子示踪物分析结果显示:夏季Event Ⅰ为本地生物质燃烧导致的污染事件,C2形成过程主要受气溶胶液相氧化所主导;而Event Ⅱ时期主要受福建、浙江以及上海等南部地区所排放VOCs的长距离传输影响,该次污染事件期间C2等SOA受气相氧化过程所主导。夏季清洁时期,来自东海临近海域船舶排放尾气的光化学氧化是C2等SOA的主要来源。冬季Event Ⅰ时期和Event Ⅱ时期污染来自北方燃煤供暖的长距离传输,而Event ⅡI和Event ⅠV时期则受安徽、江苏等上风向地区生物质燃烧污染物的传输影响。(4)夏季C2主要存在于细粒子(<2.1μm)中,呈单模态分布特征,其它二元羧酸类化合物诸如C3、C4、C9、乙二醛(Gly)、甲基乙二醛(m Gly)、以及酮酸(ωC2和Pyr)则呈现出粗、细粒子双峰分布的特点。与之不同的是,冬季不管是受燃煤排放污染影响的Event Ⅱ,还是生物质燃烧影响的Event ⅠV,二元羧酸类SOA均主要集中在细粒子上,为单模态分布。在Event Ⅱ中,二元羧酸之间的相关性整体更好(R2>0.8),且相对其它粒径段,在1.1-2.1μm的细粒径段上占有明显的优势分布。(5)通过夏季不同粒径气溶胶分析,首次发现:清洁时期受海洋气团主导,船舶尾气污染物传输过程光化学氧化形成的C2可与海盐粒子发生非均相反应,使得C2在粗粒子上富集,导致海盐粒子中65.5%的氯发生了亏损,草酸根取代了海盐中的Cl-,生成草酸钠和HCl,随后HCl通过挥发释放到大气中。由于HCl可在紫外光辐照下进一步光解,释放出氯自由基,因此,上述草酸在海盐粒子上的非均相反应对近海大气的氧化能力具有潜在重要影响。
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