华北地区大气降尘和地表土壤磁学特征及污染来源

城市大气颗粒物来源是环境污染监测与治理的关键问题.本文应用环境磁学方法研究了内蒙古自治区、河北及北京地区大气自然降尘和地表土壤的磁学特征,并对大气降尘中重金属元素和磁学参数进行多元统计分析.结果表明,降尘和地表土壤中主要载磁矿物为低矫顽力磁铁矿,降尘和土壤中磁性矿物颗粒的浓度和粒径呈现从内蒙古经河北至北京方向随着工业和人口密集程度的增大而逐渐增加的模式,指示了人类活动是降尘中强磁性矿物的主要贡献者.利用拉格朗日混合单粒子轨道模型(Hybird Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory,HYSPLIT)对北京地区大气颗粒物进行溯源和追踪分析,发现沙尘天气的颗粒物主要来自西北或偏西方向,境外源有俄罗斯、蒙古和哈萨克斯坦等国的戈壁或沙漠地区,境内主要来自西部戈壁沙漠地带和内蒙古地区.大量的气团运移轨迹显示,北京市不同季节里颗粒物的搬运轨迹与本次研究的采样路线基本一致,表明华北地区污染物的来源主要来自河北省城市群落之间污染源的排放.     

霾污染天气大气微生物气溶胶特性的研究进展

自从2013年以来,中国霾事件频发,霾污染已经成为全国人民广泛关注的环境问题之一.霾污染的本质是大气细颗粒物污染.大气颗粒物的生物成分(即生物气溶胶)与其化学成分一样,不仅对空气质量和人群健康具有潜在威胁,而且对全球气候变化以及大气物理化学过程也具有间接影响.然而,目前学术界对大气颗粒物的生物成分及其性质的研究相对滞后,尤其是对霾污染天气大气颗粒物中微生物的多样性、丰度及其时空变异特性等基本科学问题认识不足.因此,本文综述了目前霾污染天气大气微生物气溶胶的研究现状,结合我们的研究着重阐述了在不同霾污染程度下生物气溶胶的浓度、粒径分布与群落结构特性,以及空气污染和环境因子对生物气溶胶分布的影响机理等方面存在的问题.最后,给出了未来霾污染过程生物气溶胶研究应主要开展的5个方面的工作展望,以期为深入理解霾天生物气溶胶的来源、变化机理以及评估不同空气质量的健康影响提供参考.     

2002年北京特大沙尘暴的理化特性及其组分来源分析

2002年3月北京发生了有历史记录以来最大的沙尘暴, 总颗粒物浓度高达10.9 mg·m^-3, 高出国家颗粒物污染标准54倍. 主要地壳源元素Ca, Al, Fe, Mg, Na, Ti等高达平日的30~58倍. 污染元素Zn, Cu, Pb, As, Cd, S比平时高出几倍至近十倍. 其中Pb, As, Cd, S在PM2.5中富集系数分别高达12.7, 29.6, 43.5, 28.4, 这些污染物部分来自于沙尘暴长距离传输过程中矿物气溶胶与沿途污染源排放的污染气溶胶的混合. 污染物增加的另一原因是沙尘暴入侵气团和北京当地污染气团之间的交汇叠加. 沙尘暴中PM2.5细粒子占TSP的30%左右, 污染物在PM2.5细粒子中的浓度占TSP总浓度的45%~69%. 各种污染物在沙尘暴过后普遍增加, 证明了沙尘暴带来的大量矿物气溶胶尤其是其中的细粒子有利于污染物的转化和积聚. 在此次特大沙尘暴中再次检测出高浓度Fe(Ⅱ), 为大气和海洋体系中的铁硫耦合反馈机制提供了新证据. 污染物组分的成倍增加和Fe(Ⅱ)的增加, 都说明了沙尘暴是影响全球生态环境变化的重要因素.     

单个大气超细颗粒物源特征的同步辐射光源X射线探针初步研究

研究了单个大气超细颗粒分析靶样的制备方法, 在美国阿贡国家实验室APS同步光源的13-ID-C试验站, 用束斑为2 μm的X射线探针分析了不同污染源超细颗粒物, 得到了单个超细颗粒物的特征X射线谱. 实验结果表明, 来自不同污染源的超细单颗粒具有不同的特征X射线能谱. 这为单颗粒分析方法识别大气超细颗粒物来源提供了依据. 超细含铅颗粒物的分析暗示, 大气颗粒物中的铅污染是多源的, 除燃烧加铅汽油外, 燃煤和钢铁工业也是大气铅污染的排放源. 来自燃煤排放的超细颗粒分析提示, 燃煤超细颗粒物对人体健康具有更大的潜在危害.     

南京持续雾霾天气中亚微米细颗粒物化学组分及光学性质

2013年1月,我国中东部地区发生持续性雾霾污染事件.本研究利用Aerodyne气溶胶化学组分监测仪(ACSM)对南京地区非难熔性亚微米细颗粒物(NR-PM1)化学组分(包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和氯化物)进行实时在线连续监测,结合光声气溶胶消光仪(PAX)表征大气颗粒物的消光性质和黑碳测量仪(Aethalometer)测定黑碳(BC)的浓度.观测期间,有机物、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、氯化物和BC对PM1(NR-PM1+BC)的贡献分别为32.3%,26.0%,17.9%,13.2%,2.8%和7.8%.利用正定矩阵因子分析法(PMF)解析出3类有机气溶胶:烃类有机气溶胶(HOA)、半挥发低氧化态有机气溶胶(SV-OOA)和低挥发高氧化态有机气溶胶(LV-OOA),三者平均浓度分别占总有机气溶胶的27.4%,32.2%和40.4%.可见观测期间二次组分是PM1的主体部分.受本地晚间餐饮源和机动车排放高峰的影响,HOA在晚间时段急剧增加,导致观测期间有机物出现剧烈的变化特征.整体而言,二次气溶胶(硫酸盐、硝酸盐、SV-OOA和LV-OOA)的质量浓度、总质量分数和气溶胶单次散射反照率分别随相对湿度(RH)的增加而升高,表明RH的增加有利于二次气溶胶的不断形成.另外,大气能见度随RH的增加而降低,也随二次组分含量的增加而降低,说明RH与PM1中二次组分对雾霾期间大气能见度产生协同影响.     

大气颗粒物生物化学组分的促炎症效应研究进展

大气污染物暴露与呼吸系统疾病、心脑血管疾病、神经退化性疾病之间的关系,已被大量流行病学和基于动物、细胞的毒理学所确认.促炎症效应是污染物尤其是颗粒物影响健康的重要机制之一.然而,颗粒物通过何种过程引起炎症效应,哪些组分是促炎症效应的关键因子,依然不清楚.多环芳烃、重金属等化学组分对颗粒物促炎症效应的贡献已有大量报道.细菌、真菌、病毒、花粉等微生物及其碎片构成的生物气溶胶,基于其配体特征,在激活免疫系统引起炎症反应方面有独有的"优势".但由于对生物气溶胶进行在线监测分析有较大困难,导致缺乏对其种类、浓度等特征的全面了解,从而限制了对颗粒物中生物组分促炎症效应的认识.本文简单总结了大气颗粒物的促炎症效应,从炎症效应机制、不同组分的炎症效应及生物化学组分协同作用3个方面进行了归纳,并提出了开展大气污染健康效应研究的几点新的研究思路和方向建议.     

北京冬季PM1中有机气溶胶的高分辨率气溶胶质谱观测

有机气溶胶(OA)是大气细粒子中的重要组分,其化学组成和来源的识别对有效控制颗粒物污染水平具有重要意义.利用高分辨率气溶胶飞行质谱对北京2010年冬季亚微米气溶胶(PM1)中OA质量浓度和粒径分布进行了高时间分辨率(5min)的在线测定,以了解其化学特征及来源.结果表明,北京冬季OA的平均浓度为20.9±25.3ug/m3,最小值与最大值分别为1.9和284.6ug/m3.OA的H/C,O/C,N/C的摩尔比分别为1.70,0.17和0.005,相应的OM/OC(有机物和有机碳的质量比)为1.37.OA的粒径分布范围较宽,在积聚模态450nm附近有明显的峰值,而对超细粒子(Dva<100nm)的贡献主要来自燃烧源的一次排放.北京冬季的OA主要分为3类:烃类有机气溶胶(HOA)、烹饪类有机气溶胶(COA)和氧化性有机气溶胶(OOA),分别占OA的26.9%,49.7%和23.4%.HOA和COA分别来自燃烧源和烹饪源排放的一次有机气溶胶(POA),而OOA则对应着"老化"的二次有机气溶胶(SOA).     

应用高分辨气溶胶质谱在线测定有机气溶胶元素组成

有机气溶胶是大气颗粒物的重要组成部分,其密度、吸湿性和蒸气压等性质都与其元素组成密切相关.本研究应用国际上新建立的高分辨气溶胶质谱法,实现了对我国大气有机气溶胶元素组成的高时间分辨率(10min)的在线测定.结果表明,深圳夏季城市大气PM1有机物中C,H,N,O分别平均占原子数的35.0%,53.8%,0.9%和10.4%,相应的OM/OC(有机物和有机碳的质量比)为1.55;北京夏季城市大气PM1有机物中C,H,N,O分别平均占原子数的34.8%,51.6%,0.8%和12.7%,相应的OM/OC为1.64.OM/OC与O/C呈现出高度相关性,说明OM/OC主要决定于有机气溶胶中的含氧量.深圳和北京夏季O/C总体上表现出白天高、夜间低的日变化规律,且在早中晚分别出现3个短时低值,鲜明地反映出有机气溶胶的一次和二次来源构成比例的变化趋势.今后对有机气溶胶的O/C开展深入研究对于准确掌握我国大气气溶胶的来源和理化性质将起到重要作用.     

雾霾超细颗粒物的健康效应

大气细颗粒物暴露与肺癌和心血管疾病及其死亡率增加的因果关系,已经在过去几十年欧美国家所开展的长期研究中得到确认.但是,细颗粒物是空气动力学直径小于或等于2.5?m的所有颗粒的统称,包括对消光、致霾贡献很大的亚微米颗粒物和纳米级的小颗粒物(100 nm,超细颗粒物).以质量浓度(即颗粒物的重量)测量,细颗粒物中微米尺度颗粒物的浓度最大;但以颗粒物数浓度(即颗粒物的数目)测量,超细颗粒物的浓度最大.与大尺寸的颗粒物相比,超细颗粒物具有不同的吸附能力、表面化学反应能力、分散与团聚能力等.长期以来,由于缺乏有效的研究手段和方法,科学家们只能推测雾霾中的超细颗粒物有可能是雾霾健康损害的主要贡献者.近年来,伴随着纳米科技的迅速发展,纳米毒理学得以兴起并受到广泛关注.尽管大气超细颗粒物的成分、尺寸等远比人造纳米颗粒复杂,但是,纳米毒理学所建立的实验技术和方法学可以在二者的研究中共享.本文根据过去15年发展起来的纳米毒理学的研究方法和获得的知识,从毒理学研究角度针对雾霾超细(纳米级)颗粒物在肺部的沉积和吸收、呼吸系统急性毒性反应、清除、炎症反应等健康效应,以及心血管系统对超细颗粒物的急性毒性反应等进行了分析和讨论,并针对我国雾霾特征提出了开展雾霾超细颗粒物健康效应系统研究的优先方向.     

深圳市冬季黑碳气溶胶的粒径分布和混合态特征

黑碳(BC)气溶胶的气候效应和环境效应是当今科学界的研究热点. BC 气溶胶的粒径分布及混合态对其光吸收和其他理化性质有很大影响, 但是受仪器分析技术的限制, 目前国内外均鲜有对单个BC 粒子大小及混合态连续观测的研究. 本研究利用新型的单颗粒黑碳光度计(SP2), 对2009 年1~2 月深圳市BC 气溶胶的质量浓度、粒径分布及单颗粒混合态进行连续在线观测. 结果表明: 观测期间BC浓度均值为6.24 μg/m³; 其质量粒径分布呈单峰型, 峰值位于211 nm; 内混态BC(127~264 nm 粒径段内)质量比例为32.4%. 内混态BC 比例随粒径变化趋势与表面积浓度的粒径分布趋势相似, 说明内混态BC 形成与大气中的气-固转化过程密切相关. 外混态BC 浓度与NO_x 高度相关, 并随大气边界层高度变化而呈现白天低、夜间高, 这些特征都说明外混态BC 与本地机动车等燃烧源的新鲜排放密切相关; 内混态BC 浓度的日变化相对平缓, 指示出其来自区域传输的特征. 反向轨迹分析也表明, 内混态BC 比例与气团老化程度有显著的对应关系. 本研究有助于深入认识我国大气BC 气溶胶污染的本质及来源特征, 并为准确评估BC 气溶胶在辐射强迫和气候变化中的作用提供关键的支撑数据.     

沙尘暴颗粒物表面的元素存在形态和组成

对北京沙尘暴期间和北京及沙尘暴源区内蒙古多伦地区常日气溶胶颗粒物进行了X射线光电子能谱(XPS)表面元素化学形态表征. 颗粒物表面铁主要以氧化物、硫酸盐、硅酸盐、FeOOH的形式存在, 还有部分附着、粘附在SiO2, Al2O3颗粒上. 颗粒物表面的硫主要以硫酸盐存在. Al, Si主要以Al2O3, SiO2的形态存在. 最重要的发现是在沙尘暴高峰过后的当天夜里和第二天, 颗粒物表面以二价铁形式存在的FeS和FeSO4高达44.3%和45.6%, 而以三价铁形式存在的Fe2(SO4)3由沙尘暴高峰期间的67.1%降为49.5%和48.0%. S和Fe在颗粒物表面都相对富集. 沙尘暴颗粒物整体样品中的Fe(Ⅱ)占总铁的1.3%~5.3%. 这些数据提供了气溶胶长距离传输中铁-硫耦合机制的重要证据, 进一步证实了沙尘暴对全球环境变化可能的重要影响.     

城市边界层理化结构与大气污染形成机制研究进展

自2013年《大气污染防治行动计划》实施以来,我国空气质量持续改善,但京津冀地区细颗粒物浓度仍远高于国家标准,秋冬季重污染天气仍时有发生.近些年,我国科学家在大气污染的立体探测、成因机制和来源解析、气溶胶和边界层相互作用等研究领域取得重要进展,进一步支撑了我国大气污染的科学防治和重污染天气的有效应对,然而我国当前大气污染仍面临诸多科学难题.本文简要概述了我国近些年在大气污染垂直探测方面的一些研究进展,特别是依托于北京325 m气象塔建设的城市边界层理化结构探测平台,详细论述了北京地区不同季节大气气溶胶化学组分的垂直分布特征及其与边界层物理要素的相互作用,同时基于2014年亚太经合组织峰会(APEC)和2015年纪念抗日战争胜利70周年阅兵前后的垂直观测,阐明了大气污染化学组分对区域源排放控制的响应机制.本文还针对大气细颗粒物中的二次无机组分(硝酸盐和硫酸盐)和二次有机气溶胶的生成机制以及极端霾事件的生消机制的最新研究进展进行了评述,并在最后对大气污染监测、二次无机气溶胶生成机制和有机气溶胶的分子组成和物理化学属性(相态、挥发性和氧化态等)等未来研究给出了一些建议.     

影响我国霾天气的多尺度过程

频发的霾天气是我国现阶段面临的最主要大气环境问题之一.霾期间高浓度大气细颗粒物(PM_(2.5))是多种物理化学过程综合影响的结果,包括排放、气-粒转化、大气边界层、局地环流、天气与气候等过程.上述过程的时空尺度跨越了几个数量级,在空间尺度上涵盖了纳米尺度至上千千米尺度.多尺度过程本身的复杂性以及不同过程之间的相互影响是目前大气环境领域面临的最严峻挑战,直接影响到对于霾天气形成机制的科学认识、预报技术与数值模式研发,以及相应的大气污染治理.文章综述了在影响我国霾天气的多尺度过程及其与气溶胶的相互作用领域取得的研究进展.研究表明:二次气溶胶已经成为我国大气气溶胶的主要部分,在霾过程后期,液相非均相过程对气-粒转化有重要贡献; PM_(2.5)呈现多时间尺度周期性振荡,包括1, 4～7以及40～60 d等,边界层、天气和气候等多尺度过程是造成上述周期性变化的主因;已有证据表明,我国高气溶胶已经影响到该区域大气光化学、大气边界层,甚至天气和气候过程.气溶胶与上述过程的相互作用进一步影响了气溶胶浓度及其空间分布,但是此问题极为复杂,尚存在很大不确定性.为此,今后需重点加强以下研究:加强包含气溶胶理化性质、大气光化学、气象要素在内的多要素协同观测,重点开展对流层内多要素协同垂直探测;增强跨学科领域研究,尤其是大气物理-大气化学-天气/气候等多学科间的交叉性研究;加强气溶胶与大气化学、边界层、天气气候等过程相互作用的数值模拟研究.     

灰霾与颗粒物吸湿增长

灰霾频发是中国当前遭遇的最严峻的环境挑战之一。以二次离子为主的细颗粒物浓度上升是灰霾频发的主要原因,这反映了中国煤烟和汽车尾气复合型大气污染特征。二次颗粒物在大气中容易潮解和吸湿增长,显著改变颗粒物的折光率和粒径分布。颗粒物的吸湿性主要取决于化学组成,也受粒经效应制约。受风化滞后影响,大气颗粒物很可能在较低湿度下仍然以湿霾形态存在。中国城市大气气溶胶包含近疏水颗粒物、弱吸湿颗粒物和强吸湿颗粒物三种类型,各类型的含量在各城市存在差异。灰霾期间吸湿增长对大气能见度降低的贡献可能达到60%,超过颗粒物本身的消光作用。颗粒物吸湿增长还可以为气态污染物提供非均相转化载体,促进硫酸盐和硝酸盐等细颗粒物的生成,进一步降低大气能见度。     

城市大气可吸入颗粒物对质粒DNA的氧化性损伤

使用质粒DNA评价法(Plasmid DNA assay)研究了在北京市市区、郊区卫星城市南口镇和清洁对照点十三陵水库地区采集的PM₁₀和PM_2.5样品及部分源颗粒物的生物活性. 结果表明, 沙尘暴期间采集的颗粒物对DNA的生物活性小于非沙尘暴期间采集的样品. 不同时间和地点采集的大气颗粒物样品对质粒DNA 的损伤差别很大, 它们的TM50(造成50%的DNA损伤所需的剂量)相差可高达一个数量级, 其原因, 可能是北京市大气颗粒物中矿物质量百分比的变化引起了生物活性较强的细颗粒物相对含量的改变. 同PM₁₀ 相比, 大部分PM_2.5样品的生物活性相对较大. 最后, 对比水溶和总体颗粒物质粒DNA评价的结果得出, 大气颗粒物中的水溶组分是其生物活性的主要来源.     

北京气溶胶中的甲基磺酸

基于硫酸盐气溶胶在全球气候变化的重要作用, 甲基磺酸(MSA)和硫酸盐(SO₄^2&#8722;)二者作为二甲基硫(DMS)的主要氧化产物都是当今大气化学研究的热点. 通常认为DMS大都来自海洋表层浮游生物的排放, 因而把MSA作为大洋或沿海地区非海盐硫酸盐(nss-SO₄^2&#8722;)的示踪物(其比值1︰18). 至今为止绝大多数文献报道的MSA都来自于海洋或沿海气溶胶. 令人惊奇的是在远离海洋的北京, 甚至在沙尘暴期间, 所采集的TSP, PM10, PM2.5气溶胶样品中均检测到了MSA, 平均检出率达60%, 且其浓度显著高于沿海城市或远洋气溶胶中MSA. 相关性分析、因子分析和气象条件分析结果表明, 北京气溶胶中的MSA没有明显的海洋源, 陆地源释放的DMS 和工业废弃物释放的二甲基亚砜(DMSO)可能是MSA的两个主要前体, 低压高温气团和长时间辐照有利于MSA的生成, 陆地的人为污染可能是北京MSA的重要来源. 这一新发现会引起对北京等陆地城市的硫平衡直至全球硫循环机制的再探究.     

环北京春季大气气溶胶分布、来源及其与CCN转化关系的飞机探测

利用2009年春季开展的"环北京云观测试验"(Beijing cloud experiment,BCE)观测的气溶胶和云凝结核(CCN)数据,研究了试验期间大气气溶胶的分布、来源特征及其与云凝结核(CCN)的转化关系.结果表明,高浓度气溶胶基本分布在4500 m以下的区域,量级可以达到103个/cm3.4500 m以上气溶胶呈显著下降趋势,仅为101个/cm3的量级;气溶胶平均直径在0.16~0.19μm之间.4500 m以下气溶胶平均粒子谱呈双(多)峰分布,而在4500 m以上基本为单峰分布.受气溶胶的来源特性差异的影响,在0.3%的过饱和度下,4500 m以下气溶胶转化为CCN比例不到20%,但在4500 m以上可高达近50%.气团移动轨迹显示,4500 m以上的大气高层均受到来自沙尘等较大尺度粒子的影响,飞机观测的高CCN浓度说明这种较大尺度气溶胶粒子可溶性较大.而4500 m以下的低层,由于受到局地或区域地面污染的影响,气溶胶的尺度较小,核化为CCN的过饱和度要求较高,因此气溶胶到CCN的转化率低.本文建立了气溶胶浓度和CCN浓度的拟合关系.     

大气细颗粒物对大气能见度的影响

大气颗粒物污染是造成灰霾的主要原因.本文总结了大气颗粒物影响大气能见度的几个主要因素,即颗粒物的数浓度(或质量浓度)粒径分布、化学组分以及混合状态.我们认为,空气动力学粒径小于1μm的细颗粒物(PM1)是影响大气能见度最关键的大气成分.而要准确理解颗粒物的光学性质还必须结合颗粒物的化学组分及其混合状态来综合分析.     

利用SAGE Ⅱ资料分析皮纳图博火山爆发前后平流层气溶胶的变化特征

理论和观测研究都表明,强火山爆发送入平流层的气溶胶直接和间接地影响全球的气候变化;平流层火山气溶胶对地球-大气系统的遥感也有一定的影响.所以,监测全球范围内平流层气溶胶的分布变化(尤其是火山爆发引起的)是十分重要的.1991年6月15—16日菲律宾皮纳图博(Pinatubo)(15°N,120°E)强火山爆发后,人们使用了多种方法和技术对其产生的平流层火山气溶胶云进行了监测和研究.例如,我国孙金辉等人用激光雷达探测了1991年7月至1992年1月北京地区上空由皮纳图博火山造成的平流层气溶胶浓度的变化;McCormick等和Stowe等分别根据SAGEⅡ和NOAA/11 AVHRR资料研究了早期(约2.5个月)皮纳图博火山气溶胶.     

青藏高原念青唐古拉峰冰川区夏季风期间大气气溶胶元素特征

为了研究夏季风期间青藏高原冰川区的大气气溶胶元素特征及其来源, 于2006年6~10月, 在青藏高原南部念青唐古拉峰扎当冰川垭口(30°28′N, 90°39′E, 5800 m a.s.l.)采集了7个大气总悬浮颗粒物样品, 利用ICP-MS测定了样品中27种元素的含量. 结果表明, 垭口冰川区大气气溶胶的元素浓度, 特别是典型地壳元素的浓度不仅低于同时期该地区较低海拔的气溶胶元素值, 而且远低于青藏高原其他较低海拔地区(如五道梁、瓦里关站等)的值. 因而冰川区的气溶胶代表了青藏高原对流层中上部大气的本底状况. 元素富集因子的研究表明, 与人类活动密切相关的元素(如B, Zn, As, Cd, Pb, Bi)有较高的富集, 由于夏季青藏高原南部大气环境主要受西南夏季风影响, 气团轨迹也显示该时期的气团来自南亚大陆, 因而推断南亚的污染物在夏季风期间影响了青藏高原冰川区的大气环境.