南京气溶胶化学成分对能见度的影响

论文总字数：19611字

目 录

1引言 1

1.1研究背景 1

1.2能见度和大气消光系数 1

2实验和方法 2

2.1采样时间与地点 2

2.2采样仪器和方法 3

2.3分析方法 3

3 PM_2.5与能见度的关系 4

3.1颗粒物中的化学成分污染特性 4

3.2 PM_2.5与能见度的关系 6

3.2.1 PM_2.5质量浓度与能见度的关系 6

3.2.2不同能见度范围的颗粒物成分 6

3.2.3颗粒物化学组分与南京能见度的相关性分析 6

3.2.4 PM_2.5化学成分对能见度衰减的影响 7

4南京能见度的气象因子分析 9

5结论 11

参考文献 12

致谢 14

南京气溶胶化学成分对能见度的影响

贺银洁

，China

Abstract: To understand the effects of aerosol chemical compositions on the atmospheric visibility in northern suburb of Nanjing, we used the data of concentration and chemical composition of aerosol, meterorological factors during Jan. 1-31,2015. The present study suggests that the average visibility was (4.98±2.25) km in northern suburb of Nanjing. Using the revised IMPROVE equation, we get the light extinction coefficient of Nanjing was (486.47±275.48) Mm^-1,and we also got the contribution rate of major chemical composition of particles on visibility. The most contributions to the light extinction coefficient were NH₄NO₃,(NH₄)₂SO₄ and organic species, and the annual average contribution was 33.95%,30.86% and 23.05%. In addition, we analysis the meteorological factors that affects the visibility, there was a certain negative correlation between the visibility with the relative humidity, and there also exists the positive correlation between the visibility with the temperature and wind speed. Temperature and wind speed provide a good condition for the spread of aerosol. Reversely, higher relative humidity will promote the formation of particles, causing the decline of visibility.

Key words: Meteorological factor; light extinction coefficient; visibility; chemical composition of PM_2.5

1引言

1.1研究背景

气溶胶是由固体或液体微粒分散并悬浮在气体介质中的胶体分散体系^[1]。气溶胶在全球气候变化中扮演的角色具有非常大的不确定性，对人类的身体健康和生态环境的影响也不容忽视。由于经济社会快速发展，人为产生的气溶胶显著增加^[2]，且是导致城市大气污染的主要因素之一。将大气中粒径在3-10μm的颗粒物分为核膜态、爱根核膜态、积聚模态、和粗粒子模态^[3]。积聚模态气溶胶粒子的粒径与可见光波长相当，是大气消光最强的颗粒物^[4]。较大的相对湿度下，积聚模态粒子具有较强吸湿性，消光作用显著增加^[5]，从而致使能见度显著衰减。大气颗粒物是造成我国空气质量下降的首要污染物，细粒子（一般被表示为PM_2.5）对大气能见度、人体的生命健康都有着很重要的影响，因此近年来国内外都密切关注研究PM_2.5。有研究显示，PM_2.5可以通过呼吸系统进入人体并对人体健康造成影响。其中，呼吸系统以及心血管系统受到的损害最为严重^[6]。美国科学家研究发现，大气中的PM_2.5浓度下降10 μg/m³，人的寿命会相应增长0.61±0.20年^[7]。同时PM_2.5粒子会通过消光作用来致使大气能见度降低，从而影响城市交通运行和人们生活。低能见度事件的频频发生对社会经济的发展和国民的出行都带来非常不利的影响，高速公路上因低能见度天气事件造成的交通事故给人民的生命财产都带来威胁和伤害。影响能见度的因素除了气溶胶的浓度，还有其化学组分。PM_2.5化学成分中硝酸盐（NO₃^-）、硫酸盐(SO₄^2-)、铵盐(NH₄ )以及有机碳(OC)、元素碳(EC)对能见度的影响较大^[8]。近年来，中国有很多城市PM_2.5细粒子污染问题严重，而且有着加剧的趋势。在特定的大气环境条件下，这些污染一旦形成便很难消散，持续一段时间从而形成大范围的严重污染事件，尤其是城镇地区更难消散。

南京作为长三角地区的核心城市之一，城市化和工业化水平较高，近年来能见度日益降低^[9]，空气污染日益加重。而能见度下降不仅危害人体健康，而且也影响着全球气候、交通、动植物的生长等。目前国内外一致认为能见度的降低与空气污染的变化息息相关^[10-11]。因此开展南京地区气溶胶粒子的化学成分和粒子浓度观测，对于探索能见度恶化的原因、寻求改善城市大气能见度的思路与办法、保护城市居民的身心健康都有着很重要的意义，同时也为治理南京地区大气污染和改善大气能见度提供了方向。

1.2能见度和大气消光系数

能见度(VIS)是指人眼对目标物的可见距离，即视力正常的人，在当时的天气状况中能够把目标物轮廓从背景中辨别出来的最大水平距离。能见度是气象观测中的常规项目。它是反映大气透明度的指标，同时也是地表大气污染的一个标志，无论是在天气预报还是环境检测中都有着实际的观测意义。能见度是一种比较复杂的大气光学现象，受很多因素影响。如视角大小、背景亮度、目标物亮度等，消光指的是辐射在介质中传播时被有关物质吸收散射从而造成辐射能量的减小，所以我们用大气消光系数来衡量大气消光的强度。消光系数用散射和吸收系数之和来定义：

（1）

其中b_ag为气体吸收系数，b_ap为PM_2.5吸收系数，b_sg为气体瑞利散射系数，b_sp 为PM_2.5散射系数，单位均是（km^-1）。气体吸收系数取决于NO₂的浓度。颗粒物的吸收系数由碳质气溶胶（如烟尘、柴油燃烧排放等）以及空气中的矿物灰尘等决定。其中一般认为气体散射即为瑞利散射。其在空气中近似常数，在海平面最高，约为12 Mm^-1，随海拔增高而减小。与这三项相比，在大气消光系数中占主要部分的是颗粒物的散射系数^[12]，其包括瑞利散射和米散射，可以定义一个参数α=2πγ/λ（λ为波长），当αlt;lt;1时，即为入射波波长远大于粒子半径时，这种散射称为瑞利散射，当α~1或者αgt;1时，即为大粒子散射，称作米散射。 1.3国内外关于能见度影响因子的研究进展

由于气溶胶对能见度、大气辐射收支平衡和人体的生命健康等都有着很重要的影响，对于颗粒物的研究也受到越来越多的关注。国外对颗粒物粒径的研究要比国内早，如20世纪五十年代国外爆发的伦敦毒雾和洛杉矶的光化学污染，一度使人民的生命健康受到极大伤害，自此国外陆续开展了气溶胶粒径分布与气溶胶的光学厚度和能见度间的关系的研究。美国于20世纪60年代开展了大型能见度观测研究项目IMPROVE( Intragency Monitoring of Protected Visual Environment)^[13]，在国家公园等30个观测点建立能见度观测系统^[14]，专门对PM_2.5的组成成分和能见度进行观测分析，同时构建了大气消光系数的计算公式^[15][16]。1988年美国宇航局（NASA）建立了气溶胶自动检测网络AERONET（Aerosol Robotic Network），主要是为了获得气溶胶光学和物理属性^[17]。20世纪80年代末国际气象组织建立观测项目GAW（Global Atmosphere Watch Programmer）。其出发点是为了研究气溶胶的时空分布其气象驱动力以及气溶胶对大气质量的影响^[18]，观测项目有气溶胶的化学组成、数密度、质量、消光系数和粒子谱分布等等。1999年，美国制定和通过了区域灰霾法律，制定的目标为65年内将156座公园等的能见度恢复。英国、韩国也对能见度的观测研究开始重视起来^[19-20]。

国内对能见度的关注从20世纪80年代陆续开展，近几年来发展迅速并取得很大进步。北京大学开展了对颗粒物粒径分布的观测同时探讨了新粒子的形成机制^[21]；广州地球化学研究所开展了不同粒径的颗粒物中化学成分的观测^[22-23]。有学者研究发现能见度与颗粒物的光学厚度负相关^[24]；有学者利用能见度和空气质量数据对上海的能见度等级进行划分^[25]。中国气象局热带海洋研究所对广州能见度、气象因子、气溶胶质量浓度和散射系数等进行研究，并且利用MODIS对珠江三角洲地区的大气气溶胶的光学厚度进行了反演^[26-27]，为进一步了解此地带的灰霾天气提供了科学可靠的根据。尚倩等^[28]在对南京地区能见度的研究时发现0.1-2μm间的离子表面积浓度是南京能见度衰减的重要原因。周瑶瑶等^[29]的观测研究表明，霾天有利于NO_x和SO₂向NO₃^-和SO₄^2-转化，特别是NO_x的氧化。这些探索都为推动能见度衰减机理的研究积累了宝贵的经验，推动我国气象行业的研究与发展。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：19611字

相关图片展示：