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大气颗粒物是指分散在大气中的固态或液态颗粒状物质,是环境大气的主要组成部分,其中亚微米颗粒物(PM1)是粒径小于1μm的气溶胶粒子,具有显著的气候、环境和健康效应,其污染特征成为近年来国内外研究的重点。珠江三角洲和长江三角洲是我国的经济发达城市群,近年来随着经济的迅猛发展和城市化进程的加快,两地区的大气环境质量显著下降,颗粒物污染也日益加重,开展大气颗粒物尤其是PM1的污染特征的研究具有重要意义。传统的离线膜采样方法多针对PM10和PM2.5,且获取数据的时间分辨率较低,不利于捕获大气中快速变化的污染过程,气溶胶质谱(AMS)可以实时监测大气颗粒物的浓度数据和粒径分布数据,甚至可以得出单个颗粒物的全部质谱信息,因此成为目前研究的热点。
本研究选取珠江三角洲和长江三角洲的典型城市——深圳、上海以及长江三角洲的典型城市外郊地区——嘉兴七星镇作为研究基地,利用先进的在线监测仪器高分辨率飞行时间气溶胶质谱(HR-ToF-AMS)对三个地区的大气颗粒物中的NR-PM1主要化学组分有机物、SO42-、NO3-、NH4+和Cl-进行连续观测,获得这些组分的质量浓度和粒径分布的实时在线数据,并结合实时黑碳数据和气象数据讨论分析三个城市的PM1主要化学组分的污染特征,为大气颗粒物的研究及防治措施的制定提供科学依据。
深圳观测结果显示,春、夏、秋、冬季PM1主要化学组分质量浓度加和的平均值分别为34.8μg m-3、34.3μg m-3、45.3μg m-3以及45.0μg m-3,秋冬季污染较春夏季严重。有机物和SO42-是PM1的主要污染物,两者相加可占60%以上,是引起PM1污染的主要原因。PM1各污染组分的日变化趋势不尽相同,与其各自的来源特征相符。在全年各个时段,NR-PM1主要化学组分的粒径分布均呈单峰形态,各组分的粒径分布峰值位于450-600 nm之间。有机物的峰形较其他组分宽,且向小粒径倾斜,说明局地源贡献显著。气象因素对PM1的污染特征有重要影响,尤其是边界层高度、风向风速的影响显著。
上海世博会观测期间PM1各组分质量浓度和的平均值为37.6μg m-3,且世博会期间各组分的质量浓度均较世博会开幕前有所降低。PM1的化学组成以有机物和SO42-为主,与深圳PM1化学组成情况较为一致。世博会期间不同组分日变化的浓度水平较世博会开幕前显著降低,且日变化曲线较平缓,说明有利的气象条件和世博会期间的污染防治措施对污染物浓度的降低起到较好效果。NR-PM1各组分的粒径分布均呈单峰形态,且峰值位于450 nm左右,有机物的峰形较其他组分宽,峰值较低,主要受局地源的影响。
嘉兴夏季和冬季PM1各组分质量浓度和的平均值分别为32.9μg m-3和41.9μg m-3,冬季污染水平稍高于夏季。PM1的平均化学组成以有机物、SO42-和NO3-为主,且C1-的比例较深圳和上海高,可能与本地特殊燃烧源有关。PM1各组分的日变化浓度水平在冬季显著高于夏季,且日变化曲线的波动幅度明显于夏季。夏、冬季NR-PM1各组分的粒径分布均呈单峰形态,夏季各组分的粒径分布的峰值主要在600 nm左右,冬季则位于450-500 nm之间。有机物的峰形较其他组分宽,且向小粒径倾斜,说明局地源贡献显著。
将深圳、上海、嘉兴的PM1污染特征和北京、开平地区的监测结果进行对比。PM1在深圳、上海、北京、嘉兴和开平观测点的浓度平均值分别为39.9μg m-3、37.6μg m-3、66.1μg m-3、37.4μg m-3和33.0μg m-3,北京的PM1浓度水平明显高于其他地区,污染最严重。从PM1的质量浓度水平、日变化特征和平均粒径分布等方面对深圳、上海和北京三个城市进行了对比分析,探讨了我国城市地区PM1污染的共性特征;同时对嘉兴和开平地区进行了对比分析,探讨了我国城市郊区PM1污染的共性特征。