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).     

浑善达克沙地沙尘气溶胶的物理化学特性

基于春季内蒙古浑善达克沙地, 针对大气气溶胶进行外场采样和元素分析的资料, 对沙尘气溶胶的物理化学性质进行了分析研究. 结果表明, 观测期间气溶胶平均个数和质量浓度分别为274.8 cm^&#8722;3和0.54 mg/m³, 晴天分别为31.4 cm^&#8722;3和0.07 mg/m³. PM10对沙尘质量浓度起着主导作用. 小粒子占沙尘绝大多数, 沙尘天气半径小于等于4.0 μm的粒子数浓度占到总浓度的93.7%. 沙尘数浓度较大时, 粒子谱分布为双峰, 而较小时却为单峰. Al和Fe等地壳元素主要来自局地土壤源, Pb和S等污染元素主要来自外部污染源, Mo, V和Co来自外部沙尘源. 局地土壤源、远距污染源和外部沙尘源是沙尘气溶胶的主要来源.     

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.     

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.     

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.     

广州大气气溶胶对到达地表紫外辐射的衰减

利用地表紫外辐射(UV,295～385nm)观测、太阳光度计与辐射模式定量评估了广州大气气溶胶对UV的衰减.观测表明UV谱区340nm的气溶胶光学厚度(AOD)年平均值达1.19,气溶胶光学厚度AOD340nm>1.0的年均出现频率达55%,对地表340nm紫外直接辐射的年均衰减率达68%.地表紫外辐射观测与模式评估表明全年大气对UV的平均衰减达75%,干季(10,11,12,1月)的平均衰减达72%;大气气溶胶在干季对UV的平均衰减达62%.表明目前广州城市群大气气溶胶对紫外辐射的衰减十分显著,至少一半以上的紫外辐射被大气气溶胶衰减,如此大幅度的衰减对城市生态系统、物种化学循环尤其是光化学反应过程将有重大的影响.     

慕士塔格冰芯记录的近50年来碳质气溶胶含量变化

应用热分析方法对慕士塔格冰芯中1955~2000年的碳质气溶胶含量进行了分析, 结果显示, 冰芯中有机碳(OC)和元素碳(EC)的含量较高, 其平均值分别达到61.8和32.9 ng·g^-1, 并且呈现强的年际变化, 其波动范围分别为17.7~216.7和6.5~124.6 ng·g^-1. 尽管该冰芯平均32.9 ng·g^-1的EC含量较同时段的阿尔卑斯冰芯EC记录(100~300 ng·g^-1)要低, 但却是格陵兰冰芯记录(2~6 ng·g^-1, 平均2.3 ng·g-^-1)的14倍, 这对该区46 a来雪冰反照率有重要的影响. 该期间慕士塔格冰芯碳质气溶胶含量经历了2个高值期(1955~1965和1974~1989)和2个低值期(1966~1973和1990~1995), 并在近期呈现上升趋势. 通过对该冰芯SO₄^2-含量的分析及与OC/EC含量的比较, 初步断定沉降于该区雪冰中的碳质气溶胶的来源是以化石燃料燃烧排放为主.     

北京市碳黑气溶胶排放清单估算及预测

碳黑气溶胶是含碳燃料不完全燃烧的产物, 能够改变大气辐射性质, 并能危害人体健康. 北京是以煤炭为主要能源的特大城市, 目前正在调整能源结构、减少污染排放以达到绿色奥运的目标. 使用2000年的北京市能源统计数据, 结合碳黑排放因子, 计算北京市的碳黑气溶胶排放清单, 排放总量估算为7.77 Gg. 焦炭、原煤、非商品能源秸秆是北京碳黑排放清单中最重要的排放源. 根据北京奥运能源规划, 预计2008年北京排放碳黑气溶胶2.97 Gg(不包括非商品能源). 如果2008年农村非商品能源的碳黑排放量保持2004年水平不变, 农村非商品能源将是2008年北京碳黑的最大排放源.     

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.     

Heterogeneous chemistry of trace atmospheric gases on atmospheric aerosols:An overview

Due to altering the budget of important trace gases and changing the composition of atmospheric aerosols,heterogeneous reactions between trace gases and liquid/solid aerosols have become an important subject of atmospheric science in recent years.However,the kinetics and mechanism of these reactions have not been well-understood yet.In recent years,we have established an integrated method to study a series of atmospheric heterogeneous reactions under control atmospheric conditions.Using on-line techniques,such as Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform spectroscopy,Raman microspectrometry and Knudsen cell,the heterogeneous reactions of a series of trace gases(NO2,SO2,H2O2,DMS,C2H5 I and Monocarboxylic acids)on mineral oxides and black carbon were investigated.The uptake coefficients and mechanisms at different atmospheric conditions(temperature,relative humidity and reactant concentration)were obtained.In addition,a home-made equipment named rotated wetted-wall reactor was designed for the in situinvestigations of the uptake of volatile organic compounds into the H2SO4 solution and H2SO4/H2O2 mixed solution.In this review,we present the main results obtained in our laboratory studies and propose some challenges that still exist in the heterogeneous reaction studies.     

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.     

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。     

区域输送对北京夏季臭氧浓度影响的数值模拟研究

奥运期间北京需要良好的空气质量,北京周边地区的大气污染物排放对北京夏季的空气质量有重要影响。利用嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS)模拟了2006年8月份北京及周边地区臭氧的污染情况,并采用质量追踪法分别计算了周边各地区的臭氧污染对北京的贡献率。结果表明,模式系统可合理再现北京及周边地区臭氧的浓度变化情况和输送过程;周边地区的污染输送对北京的臭氧浓度有不同程度的影响,影响较大的地区是天津、张家口、保定和廊坊,其中影响最大的来源是保定,其对北京市区和远郊最大落区的最大贡献率分别达到了28.1%和59.5%;风场是影响周边地区污染输送的主要气象因素。     

平流层气溶胶和臭氧的卫星遥感

本文论述了平流层气溶胶和Ｏ３等微量气体遥感探测的重要意义，介绍了卫星遥感的原理和技术、星载仪器和通道，并结合ＳＡＧＥⅡ讨论了其反演理论和方法等，最后指出，在我国的卫星遥感发展战略中，应及时开展对平流层气溶胶和Ｏ３等微量气体的遥感探测和研究。     

岩石风化碳汇研究的最新进展和展望

自气候变化的岩石风化控制学说提出至今,学界普遍认为,是硅酸盐的化学风化碳汇作用在控制着长时间尺度的气候变化,而在短时间尺度上硅酸盐风化碳汇与碳酸盐风化碳汇也是旗鼓相当的.然而,最新的研究发现,碳酸盐溶解的快速动力学和硅酸盐岩流域中微量碳酸盐矿物的风化在控制该流域溶解无机碳(DIC)浓度和碳汇上的重要性,使得碳酸盐风化碳汇占整个岩石风化碳汇的94%,而硅酸盐风化仅占6%左右.另一方面,水生光合生物对DIC的利用及其形成的有机质(内源有机碳)的埋藏,使得碳酸盐风化碳汇在任何时间尺度气候变化的控制上可能都是重要的.此外,岩石风化碳汇研究的另一重要进展是发现了碳汇随全球变暖和土地利用变化显著增加,即形成了气候变化的负反馈机制.未来应通过岩石风化碳捕获和储存过程及其控制机理的进一步研究,揭示岩石风化碳汇过程及其气候和土地利用调控潜力,以服务于各国应对气候变化的国家政策制定.重点研究:①岩石风化碳汇过程及其物理、化学和生物控制机理;②硅酸盐岩流域中微量碳酸盐矿物的风化在控制流域DIC浓度及其碳汇上的重要性;③陆地水生光合生物利用DIC产生内源有机碳的效率;④气候变化和土地利用调控岩石风化碳汇的潜力.     

近期气候变化研究的一些最新进展

气候变化是当前国际上的热点问题之一,尤其是IPCC-AR4以来的全球气候及其影响如何变化更为引人瞩目.本文综述了近年在Science和Nature等国际杂志上刊登的涉及全球气候变化研究如辐射强迫、温室气体、气溶胶、海水和海平面、温度和降水、南北极地区等的最新研究成果和研究动态,对全球变化及其相关学科的研究以及即将发布的IPCC第五次评估报告具有重要的参考价值.     

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.     

NiO-In2O3薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件及其气敏性

通过溶胶凝胶法(sol-gel)研制了NiO-In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件,并对传感元件的气敏性能进行了研究.实验结果表明,该传感元件对浓度为1×10-4(体积分数)的二甲苯气体具有较好的选择性,在常温下该传感元件能够检测到二甲苯气体的最低浓度是1×10-7(体积分数),所对应的响应及回复时间分别是3和26s,实验相对标准偏差范围是18%±1%.     

新型有机污染物氯代多环芳烃的研究进展

氯代多环芳烃(Cl-PAHs)是城市大气中发现的卤代有机污染物中的一类。作为一种新型有机污染物,Cl-PAHs具有与二噁英相似的毒性作用,并且在各环境介质中广泛存在,对生态环境和人体健康造成潜在的威胁。作者将从Cl-PAHs的毒性作用、形成机理、来源、浓度水平、环境行为等几个方面综述国内外关于Cl-PAHs的研究现状和最新进展。