基于在线观测系统对上海市夏季雾霾中水溶离子的研究外文翻译资料

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基于在线观测系统对上海市夏季雾霾中水溶离子的研究

摘要：2009年5月27日至6月16日，采用在线气溶胶和气体监测分析仪(MARGA)对上海市PM10中主要水溶性无机离子(WS)进行了1小时分辨率的测定。在观测期间，遇到了能见度小于10公里，且PM₁₀小时平均浓度超过150g/m³的雾霾天气，根据WS离子和污染气体的不同形成机制，将雾霾事件分为生物质燃烧引起的、复杂的和次生的气溶胶污染。在生物质燃烧引起的污染期间，特别是在从生物质羽毛燃烧时期，K 最大浓度约是干净天的19倍，并且K 与Cl^- 表现出强烈的正相关。由于硫酸根和硝酸根的二次生产显著提高，其中SO₂和NO₂的前驱气体在已经存在的KCl粒子表面转化为SO₄^2-和NO₃^-，这种复杂的污染是由直接从生物质燃烧源运输的气溶胶和已知的与局部排放有关的次生气溶胶共同作用的结果。在大气氧化能力较高并且条件较为稳定的情况下，城市大气中大量的SO₂和NO₂等人为气体会氧化硫酸盐和硝酸盐气溶胶，造成二次污染。

关键词：气溶胶，霾，水溶性粒子，生物质燃烧。

1. 引言

气溶胶在地球大气中无处不在，影响着气候系统(IPCC, 2007)和人类健康(世卫组织，2004)。雾霾粒子在环境空气中造成严重的大气能见度通过吸收和散射光降解(EPA, 2006)。美国环保署于2006年颁布了国家环境空气质量标准， PM_2.5日平均浓度达到35g/m³ (EPA, 2004) 被用作污染天数的指标。在中国PM₁₀日平均浓度在150g/m³以上PM_2.5浓度在65 g/m³以上作为污染天数的指标。

在过去的几十年里，随着中国经济的不断发展，大量的污染物不可避免地排放到大气中(Tie等， 2006)。大家都知道雾霾污染事件经常发生在冬季，尤其是严重的时候

在中国北方城市举办的活动中，也有很多作品调查这些冬季雾霾事件(Yao等， 2002; Sun等， 2006; Fu等., 2008)。对于中国南方的城市来说，最近越来越多的证据表明，雾霾污染也是出现在夏季(Wang等，2006a; Pathak等, 2009)。对公众来说，最显著的气候变化是20世纪60年代至80年代大气能见度下降35%，太阳总辐射每十年下降约4.6% (Li 等，2007)。大城市的污水现在被视为全球重要的大气污染物来源(Crounse等，2009)。尽管存在本地污染物，但在季风系统的影响下，上海还可能成为远距离运输过程中大量人为和自然排放的受体(Wang等，2006) 因此，粉尘、工业和生物质燃烧污染物的共存，使该地区雾霾污染的形成机制更加复杂。

了解雾霾形成的一个关键是定量表征气溶胶成分和微量气体，它们受大气化学过程的影响，表现出剧烈的变化时空变化。水溶性粒子占城市大气颗粒物质量的三分之一，对地球辐射平衡起着重要作用，直接通过散射入射太阳辐射，间接通过吸收水蒸气改变云的性质(Andrews 等，2000；Chow等，2006；Seinfeld等，2006;Hillamo 等, 1998)。水溶性离子通常也与粒子的形成、生长和进化过程有关，并能发挥作用作为表征颗粒表面化学反应的良好指标(Wang等，2006)。许多研究集中在气溶胶中WS离子的季节变化、粒径分布、迁移和源解析(Hu等，2002；Chow等，2004;Zhang等，2003)。虽然通过对上海大气气溶胶日浓度的分析，已有少量研究表明硫酸盐和硝酸盐对上海大气气溶胶重污染事件的形成有重要作用由于WS离子和气态前体的变化，这些研究局限于理解气溶胶在高时间变化的霾事件期间的演化(Wang 等，2006；Sun等，2006；Fu等，2008)。事实上，越来越多的证据表明，一些雾霾污染只持续较短的几个小时，没有方便的气象条件。到目前为止，由于缺乏高时间分辨率的气溶胶测量，这方面的研究还很少。

本文介绍了上海地区气溶胶和气态前驱体中主要的水溶性无机离子，并对其进行了1-h分辨率的连续测量。该数据集具有较高的时间分辨率，有助于描述雾霾污染的更多细节。目的是报道雾霾气溶胶的理化性质，揭示其在雾霾污染期间的演变和转化，为污染预测和区域空气质量改善提供依据。

1. 数据与方法

观察地点(31.3 °N， 121.5 °E)位于上海复旦大学第四教学楼楼顶，距地面约20米高。由于住宅、交通和建筑排放的混合影响，该地块代表了城市区域。观测时间为2009年5月27日至6月16日，仪器采用一种用于气溶胶监测的ADI 2080型在线分析仪气体(MARGA, Applikon Analytical B.V.)。 MARGA仪器由取样和分析箱组成，由荷兰能源研究中心开发和确认(Jongejan等， 1997)。采样箱由湿式旋转剥蚀器(WRD)和蒸汽喷射式气溶胶收集器(SJAC)组成，与传统的采样方法(如滤清器法)相比，湿式旋转剥蚀器和蒸汽喷射式气溶胶收集器(SJAC)是可接受的有效、可靠的气溶胶吸收和收集工具(采样效率99%)(Chow和Watson, 1998;(Khlystov等，1995)。MARGA操作方法遵循制造商提供的手册。河南检测系统能够测量气溶胶的主要WS无机离子的质量浓度(NO₃^-、SO₄^2-、NH₄ 、Cl^-、Ca² 、K 、Na 和Mg² )和痕量气体(NH₃、HNO₂、HNO₃、HCL和SO₂)，时间分辨率为一小时。为了跟踪每次采样的保留时间和检测器响应的变化，在整个观察期间，使用溴离子色谱和锂离子色谱的内部校准方法连续控制MARGA。内部校准可以保证离子种类的识别和相应浓度的测量成功。此外,抽样方法之间的相互比对实验河南filter-pack等和最常见的抽样方法在各种网站Rondocirc;nia, Brazil and Beltsville, Maryland等。同步采样的可溶性气体和气溶胶的化合物显示的整体测量的不确定性环境混合配给通常保持在15%以下，酸性痕量气体和气溶胶阴离子平均探测范围值le;0.015ppb，对 NH₃和NH₄ 为le;0.118ppb。

其他气体，如NO₂和O₃是用Thermo电子公司的两台仪器(Thermo仪器，型号49i测量O₃，型号42i测量NO- NO_X)测量的。Thermo MODEL 42i分别测定了NO和NOx的浓度，本研究中NO₂的浓度是通过从NOx中减去NO的测量浓度得到的。现场运行前后，对标准气体进行检查，确保各仪器性能的可靠性。

本研究中使用的消防产品可从安装在NASA Terra和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的遥感检索中获得(http://maps.geog.umd.edu/firms/)。Justice等人(2002)详细描述了Web Fire Mapper网站。Giglio等人(2003) 简要介绍了用于MODIS主动火灾探测的算法。

上海环境监测中心要求PM₁₀的日平均浓度和小时平均浓度。每小时气象因素包括相对湿度(RH)、风方向、能见度均由上海宝山气象局提供。

1. 结果与讨论

3.1霾污染事件

在我国，由于大气中含有大量的气溶胶颗粒、气态污染物和蒸汽在大气中扩散，雾霾通常被视为一种大气污染现象或特殊天气，大气能见度小于10公里，相对湿度低于90%的球体(Sun 等，2006)。这里的雾霾事件被称为持续雾霾污染，持续时间至少为4小时或更长。在能见度和相对湿度的基础上，如图1a所示，上海在野外活动中经历了7次雾霾事件(图1所示为序列)。表1详细列出了每次雾霾事件的开始时间、结束时间和持续时间。虽然6月9日的大气能见度大多低于10公里，但由于降水的原因被排除在雾霾事件之外。

图1 大气能见度(Vis)、相对湿度(RH)、日平均PM₁₀和小时平均PM₁₀质量浓度的时间序列

图1b为5月27日至6月16日PM₁₀日和小时平均质量浓度的时间序列。整个时段的PM₁₀日平均值6月1日最大值为242g/m³，6月13日最大值为172g/m³，6月14日超过150g/m³。根据国家环境空气质量标准，这三天被确定为“轻度污染”日，占所有雾霾污染日的23.1%。其他日平均PM10浓度小于150g/m³，被认为是空气污染负荷相对较低的“晴天”。然而，这些晴天中仍有一部分属于已识别的雾霾事件的时间跨度(图1)，即日平均PM₁₀不能完全准确表示雾霾污染。值得注意的是，小时平均PM10可以提供更好的线索来检测和跟踪雾霾污染(图1b)。而在霾污染发生过程中，PM₁₀小时平均值为几乎超过150g/m³，实际平均高度为162.22g/m³。因此，可用的每小时气溶胶成分浓度可以在更高的时间分辨率下洞察雾霾污染事件。在接下来的章节中，我们使用气溶胶WS物种每小时的浓度来表征雾霾污染的隐含性质。

3.2气溶胶水溶性粒子

水溶性粒子NO₃^-、SO₄^2-、NH₄ 、Cl^-、Ca² 、K 、Na 和Mg² 是大气粒子的重要组成部分。图2为5月27日至6月16日PM₁₀粒子中WS离子的时间序列。它们的平均浓度与Wang 等，(2006b)和Yao等，(2002)在上海夏季观测到的结果相当。雾霾污染期间，每立方米空气中各WS物质的含量几乎高于晴天，雾天和晴天之间WS离子每小时浓度的剧烈变化约为晴天的2-3倍(表1)。特别是K 和Cl^- 在5月28日午夜达到了高峰，从5月29日晚上到5月30日上午，每小时最高浓度的K (29.38 mg/m³)接近干净天(1.52 mg/m³)的19倍。

Na 、Mg² 和Ca² 主要来自地壳来源如道路灰尘和建筑粉尘等，NO₃^-、SO₄^2-、NH₄ 来源于前体气体二次转化产生(Wang等，2006 b)。K 和Cl^-自生物质燃烧，而气溶胶中的钾被作为生物燃料燃烧和生物质燃烧排放的常用示踪剂(Dibb等，1995；Dabell等，2004；Liu等，2000；Xu等，2009；Duan等，2004)。根据不同来源将气溶胶中的这些离子分为三组：代表地壳(Na 、Mg² 和Ca² )、二次离子(NO₃^-、SO₄^2-、NH₄ )和生物质燃烧(K 和Cl^-)分别的物种。虽然这一分类与Wang等人(2006a,b)的分类略有不同，但通过各组内WS离子的高线性相关性证明了这一分类的可行性和可行性(图2)。

图2 PM₁₀中水溶性离子浓度和结壳、生物质燃烧和次生气溶胶离子组分的时间序列

总WS离子(TWSI)对PM₁₀的贡献平均为55.9%，远高于上海的前期观测(Wang 等， 2006b；Fu等，2008)在雾霾污染期间，PM₁₀中TWSI的质量百分比几乎超过40%。地壳、二次污染和生物质燃烧对PM10的平均贡献率分别为3.2%、49.1%和3.7%。二次污染物种在TWSI中普遍占优势，同样Pathak等人(2009)测量了NO₃^-、SO₄^2-和NH₄ 占PM_2.5 80%以上。由图2d可以看出，地壳物种与PM₁₀的比值变化不大，说明地壳污染对霾污染的形成起着不显著的作用。5月28日午夜至5月30日期间，生物量燃烧物种含量与PM10的比值较高，为生物量燃烧排放流出量的指示值，最高值为40%。

3.3痕量气体

图3 观察期间SO₂、NO₂、O_3lt;

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