珠江三角洲新垦地区气溶胶形成与增长特性研究

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由于气候及健康影响,大气新颗粒的形成增长正受到越来越多的关注。近年来全球各地不同环境条件下的一些连续或加强观测试验期间在地面、船上及飞机平台上观测到许多纳米颗粒的形成增长事件。上个世纪90年代以来新开发的一些能测量纳米颗粒粒径分布及参与核化气相前体物的仪器促进了气溶胶形成增长研究的新发现。由观测的气溶胶谱分布可以推导出气溶胶的形成增长属性,也开发了一些气溶胶动力学模式对气溶胶形成增长进行研究。 珠江三角洲地区在我国经济和社会发展中具有十分重要的地位,近年来随着人口和经济的快速发展,该地区出现严重的光化学烟雾和气溶胶污染。基于珠江三角洲空气质量综合观测实验(PRD2004,2004年10月4日到11月5日)期间对新垦地区气溶胶谱分布及相关气相物种浓度的连续观测数据,本文研究了珠江三角洲新垦地区的气溶胶形成与增长特征。 观测期间新垦地区大气颗粒物数浓度、表面积浓度和体积浓度总体平均分别为16312±8003cm-3、972.2±397.7μm2cm-3和63.4±24.6μm3cm-3。颗粒物数浓度几何平均直径约64nm,高于国外有关城市地区的报道。虽然由于较低的超细颗粒数浓度,使得颗粒总数浓度比世界其它一些地区都要低,但积聚模态颗粒数浓度则要明显高于其它发达国家,高浓度积聚模态颗粒是新垦颗粒污染的主要特征。 新垦地区气溶胶谱分布呈现对数正态分布并具有明显日变化。在气溶胶谱分布日变化过程中模态几何平均直径增长通常滞后于数浓度增加,整个一日变化中超细颗粒始终占有相当大的比例,但与国外相比要低。 实验期间观测到新颗粒形成事件,事件的发生频率约为37%,其中50%为区域事件,余下50%为短期事件。事件中3nm颗粒形成速率为7.2~9.4cm-3s-1,增长速率为6.8~13.8nmh-1。气溶胶凝结汇在0.018~0.166s-1,总体平均为0.054s-1,1nm硼颗粒的碰并汇值在8.46×10-3~7.83×10-2s-1,总体平均为2.54×10-2s-1,凝结汇和碰并汇与世界其它污染严重的地区相当。 应用一个拟稳态模式模拟中午最大气态硫酸浓度在4.53×107到2.17×108moleculescm-3之间,相应的源速率在2.37×106到1.16×107moleculescm-3s-1。由观测的增长速率估算出参与颗粒增长的总可凝结蒸气浓度为1.32×108到2.80×108moleculescm-3,相应的源速率为7.26×106~1.64×107moleculescm-3s-1。单纯靠硫酸蒸气凝结并不能使新颗粒增长到可探测大小,还需要其它一些低挥发性的蒸气参与,这些蒸气可能是低挥发有机物。然而硫酸仍在气溶胶增长过程中扮演十分重要的角色,对颗粒增长的贡献为12.4~65.2%。 开发一个气溶胶动力学模式,考虑三元核化机理,对新垦地区气溶胶模拟与观测结果的一致性以及对气相氨浓度的敏感性模拟分析显示三元H2SO4-NH3-H2O核化是新垦地区新颗粒形成的可能核化机理。对几次核化事件发生时的大气条件分析表明,新垦地区核化事件通常发生在天气晴朗的上午,一般在8:30-10:00之间开始观测到事件发生,发生时光化学作用较强,OH自由基与硫酸浓度较高,事件发生时温度通常在23-28℃之间,相对湿度在50%以下,风速一般在3米以下,风向一般为北到东北风,事件发生时通常观测到SO2浓度升高。另外其它一些因素比如可凝结气相物种如低挥发有机蒸气也可能对事件发生有影响。
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