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大气细粒子化学组分在线监测系统及其实时变化特征

作　者: 刘君峰
导　师: 宋之光
学　校: 中国科学院研究生院（广州地球化学研究所）
专　业: 环境科学
关键词: 大气细粒子 化学组成在线监测系统 离子组分 水溶性有机碳 灰霾 广州
分类号: X831
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


该博士论文基于改进的大气细粒子连续液化采样装置，建立了大气细粒子中水溶性离子组分和水溶性有机碳组分在线监测技术系统；并利用该系统研究了广州地区不同季节大气细粒子中水溶性组分的实时变化特征，同时也对这些化学组分的短时来源和影响因素进行了探讨。此外，该博士论文也对广州地区典型的大气污染现象——灰霾天气的判定标准和形成原因等进行了探讨。主要取得以下几个方面的成果认识：1．通过将大气细粒子连续液化采样装置（PILS）与具有快速分析能力的离子色谱（Ion Chromatography）和便携式有机碳分析仪（Portable Organic Carbon Analyzer）相连接，分别建立了能够实时监测大气细粒子离子组成和水溶性有机碳浓度的在线监测技术系统，即PILS-IC和PILS-TOC系统。该在线监测技术与滤膜法离线分析方法的实验结果比较显示，基于PILS装置的在线监测与基于滤膜法的离线分析对大气细粒子中离子组分收集效率的比值在夏季和冬季分别为1.13和1.01，而对细粒子中WSOC组分收集效率的比值则分别为5.50和1.36。这表明液化采样—在线监测技术对大气细粒子化学组分尤其是WSOC组分的收集效率高于滤膜采样—离线分析方法。2．应用在线监测技术系统对广州不同季节大气细粒子离子组成的研究结果表明：SO42-、NO3-、NH4+是PM2.5中的主导性离子组分，其中夏季和冬季的SO42-分别占所测5种离子总质量浓度的60％和54.6％，这表明硫酸盐在大气细粒子水溶性离子组分中占绝对主导地位。此外，夏季和冬季实验期间，所测5种离子总浓度的夜日比值分别为0.46和1.05，这说明夏季实验期间细粒子离子组分的夜日浓度差异大于冬季。3．对实验期间离子组分浓度实时变化数据的分析表明，夏季实验期间，在晴朗天气中，SO42-、NH4+、NO3-浓度具有白天高、晚间低的日变化规律；NO2-与Cl-质量浓度具有晚间高、白天低的日变化规律，显示光化学作用对SO42-、NH4+、NO3-的生成具有明显促进作用，而对NO2-与Cl-具有消减作用。在阴雨天气条件下，各目标离子没有明显的日变化规律。离子之间的相关性分析表明，NH4+和SO42-离子对的相关性系数为0.85，是夏季离子组分中相关性最好的离子对，并且NH4+/(2*SO42-)平均比值接近1.0（离子浓度单位为umol／L），显示硫酸铵是细粒子中硫酸盐的主要存在形式。冬季实验期间，在非灰霾天气中，各离子具有与夏季晴朗天气中相应离子类似的日变化规律，但日夜浓度的差异远小于夏季晴朗天气；在灰霾天气中，各离子浓度则没有固定的日变化规律。4．对大气细粒子中WSOC浓度的研究表明：夏季实验期间，PM2.5和PM1.0中WSOC平均浓度分别达到29.6μg／m3和25.0μg/m3，显示WSOC组分是夏季大气细粒子的重要组成部分，而冬季实验期间PM2.5中WSOC平均浓度为13.2μg／m3，远低于夏季。夏季和冬季实验期间细粒子中WSOC夜日浓度的比值分别为0.65和0.91，说明夏季实验期间细粒子中WSOC浓度的夜日差异大于冬季。5．对实验期间细粒子WSOC浓度实时变化数据的分析表明，夏季PM2.5和PM1.0中WSOC浓度都具有明显的日变化规律，且与日间气温的变化规律基本一致；相对于夏季，冬季PM2.5中WSOC则没有明显的日变化特征。对实验期间相关气象资料的分析显示，夏季时气象要素中的大气温度与WSOC浓度具有很好的正相关性，表明大气温度日变化或者是引起大气温度日变化的太阳辐射日变化是WSOC浓度日变化的主导因素。此外，风速和风向对WSOC浓度实时变化特征的影响较小，但降雨尤其是较大雨量的降雨对夏季细粒子中WSOC浓度有明显降低作用。冬季实验期间，气象要素中的大气温度与WSOC浓度也有一定的正相关性，但相关系数小于夏季。冬季细粒子中的WSOC日变化特征受多种气象因素同时控制，不利于大气扩散的气象条件能够显著增加细粒子中WSOC浓度，而南下的冷空气能够显著降低细粒子中WSOC浓度。6．基于对广州市区灰霾天气时大气细粒子浓度的实时监测，本博士论文还尝试性提出了以大气细粒子PM2.5日均质量浓度90μg/m3作为大气环境研究中的灰霾判定标准，并结合广州地区的地理气候条件、大气污染等特征，初步分析了广州地区灰霾频繁发生的主要原因。

全文目录


摘要  5-8
Abstract  8-11
目录  11-14
图索引  14-16
表索引  16-17
第一章 前言  17-34
  1.1 大气细粒子概述  17-21
    1.1.1 相关定义和解释  17-18
    1.1.2 大气细粒子的来源及其环境效应  18-20
    1.1.3 我国大气细粒子污染的现状  20
    1.1.4 细粒子化学组分研究重要性  20-21
  1.2 大气细粒子水溶性化学组成主要研究方法  21-24
    1.2.1 基于经典滤膜采样的离线分析方法  21-22
    1.2.2 在线和半在线分析方法  22-24
    1.2.3 基于质谱技术的颗粒物化学组分在线分析  24
  1.3 论文立项依据及主要研究内容  24-26
    1.3.1 立题依据  24-25
    1.3.2 研究内容及目标  25-26
  参考文献  26-34
第二章 大气细粒子化学组分在线分析系统  34-61
  2.1 大气细粒子连续液化采样装置(PILS)  34-43
    2.1.1 PILS装置原理及结构介绍  34-35
    2.1.2 PILS装置各部件设计  35-43
  2.2 大气细粒子化学组分在线分析系统  43-55
    2.2.1 实验系统构成  43-47
    2.2.2 在线分析系统稳定性和空白检验  47-49
    2.2.3 实验数据整理  49-50
    2.2.4 系统性能分析  50-55
  2.3 大气细粒子化学组分在线分析系统的局限性和发展方向  55-56
    3.3.1 局限性  55
    3.3.2 发展方向  55-56
  2.4 小结  56-57
  参考文献  57-61
第三章 大气细粒子中水溶性离子组分实时变化特征  61-84
  3.1 研究区域、采样地点及研究时间概述  61-64
    3.1.1 研究区域概述  61-63
    3.1.2 采样地点概述  63-64
    3.1.3 研究时间  64
  3.2 夏季实验期间PM_(2.5)中离子组分分布特征  64-73
    3.2.1 夏季实验期间PM_(2.5)中离子组分平均浓度特征  64-65
    3.2.2 夏季实验期间PM_(2.5)中离子组分浓度实时变化特征  65-69
    3.2.3 夏季实验期间PM_(2.5)中离子组分重要比值的分布特征  69-71
    3.2.4 夏季实验期间离子间相关性分析  71-73
  3.3 冬季实验期间PM_(2.5)中离子组分分布特征  73-78
    3.3.1 冬季实验期间PM_(2.5)中离子组分平均浓度分布特征  73-74
    3.3.2 冬季实验期间PM_(2.5)中离子组分浓度实时分布特征  74-76
    3.3.3 冬季实验期间PM_(2.5)中离子组分重要比值的分布特征  76-78
    3.3.4 冬季实验期间离子之间相关性分析  78
  3.4 小结  78-80
  参考文献  80-84
第四章 大气细粒子中水溶性有机碳实时变化特征  84-106
  4.1 夏季大气细粒子中WSOC浓度实时分布特征  84-95
    4.1.1 夏季PM_(2.5)中水溶性有机碳浓度分布特征  84-88
    4.1.2 夏季PM_(1.0)中水溶性有机碳浓度分布特征  88-90
    4.1.3 夏季细粒子中WSOC浓度分布的影响因素  90-95
  4.2 冬季大气细粒子中WSOC实时分布特征  95-101
    4.2.1 冬季细粒子中水溶性有机碳浓度分布特征  95-98
    4.2.2 冬季细粒子中WSOC浓度分布的影响因素  98-101
  4.3 小结  101-103
  参考文献  103-106
第五章 灰霾判定标准及广州地区灰霾成因探讨  106-113
  5.1 灰霾判定标准探讨  106-108
    5.1.1 现有灰霾判别标准的缺陷  106
    5.1.2 PM_(2.5)浓度作为灰霾判别标准的可行性  106-107
    5.1.3 灰霾判别标准的定量  107-108
  5.2 广州地区灰霾形成的主要因素  108-110
    5.2.1 气候因素  108-109
    5.2.2 大气污染因素  109-110
    5.2.3 城市建筑风格因素  110
    5.2.4 城市交通状况影响  110
  5.3 小结  110-112
  参考文献  112-113
第六章 论文主要结论和创新之处  113-116
  6.1 主要结论  113-115
  6.2 主要创新之处  115-116
攻读博士学位期间(待)发表文章目录  116-117
致谢  117

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