北京冬季雾霾天气下颗粒物及其化学组分的粒径分布特征研究

第３５卷第２期２０１５年２月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３５，Ｎｏ．２Ｆｅｂ．，２０１５

基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ．４１０７５０９３）；环保公益性行业科研专项（Ｎｏ．２０１２０９００７）；环境模拟与污染控制国家重点联合实验室开放基金（Ｎｏ．１２Ｋ０１ＥＳＰＣＴ）；南京信息工程大学江苏省环境科学与工程优势学科平台、江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室开放基金（Ｎｏ．ＫＨＫ１２０１），高等学校博士学科点专项科研基金（Ｎｏ．２０１１１１０２１２００４３）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．４１０７５０９３），ｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２０１２０９００７），

ｔｈｅＳｐｅｃｉａｌＦｕｎｄｏｆＳｔａｔｅＫｅｙＪｏｉｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ（Ｎｏ．１２Ｋ０１ＥＳＰＣＴ），ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＰｌａｔｆｏｒｍｆｏｒＳｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙＳｕｂｊｅｃｔｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｎｏ．ＫＨＫ１２０１），ＳｐｅｃｉａｌｉｚｅｄＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｆｏｒｔｈｅＤｏｃｔｏｒａｌＰｒｏｇｒａｍｏｆＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎ（Ｎｏ．２０１１１１０２１２００４３）

作者简介：常清（１９８５—），女，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｏｌｌｙｑｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ；∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｘｉｎｇｈｕａ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎＢｉｏｇｒａｐｈｙ：ＣＨＡＮＧＱｉｎｇ（１９８５—），ｆｅｍａｌｅ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｏｌｌｙｑｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ；∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｘｉｎｇｈｕａ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ

ＤＯＩ：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１４．０７２５常清，杨复沫，李兴华，等．２０１５．北京冬季雾霾天气下颗粒物及其化学组分的粒径分布特征研究［Ｊ］．环境科学学报，３５（２）：３６３⁃３７０ＣｈａｎｇＱ，ＹａｎｇＦＭ，ＬｉＸＨ，ｅｔａｌ．２０１５．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍａｓｓａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｓｐｅｃｉｅｓｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｍａｔｔｅｒｄｕｒｉｎｇｈａｚｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅ

ｗｉｎｔｅｒｉｎＢｅｉｊｉｎｇ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３５（２）：３６３⁃３７０

北京冬季雾霾天气下颗粒物及其化学组分的粒径分

布特征研究

常清１，杨复沫２，李兴华１，∗，曹阳１，王欢博２，田密２１．北京航空航天大学化学与环境学院，北京１００１９１２．中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆４００７１４

收稿日期：２０１４⁃０４⁃２７ 修回日期：２０１４⁃０５⁃０４ 录用日期：２０１４⁃０５⁃０４

摘要：为认识雾霾天气下颗粒物及其化学组分的粒径分布特征，利用１３级低压撞击采样器采集北京城区冬季一次典型雾霾天气下的大气颗粒物，采用离子色谱和元素碳／有机碳分析仪分析了ＰＭ１０中不同粒径的水溶性离子、元素碳和有机碳组分，获得了颗粒物及其化学成分的粒径分布特征．结果表明，不同天气下颗粒物质量浓度大小为：雾霾＞多云＞雪天＞晴天，４种天气下ＰＭ２．５／ＰＭ１０均大于７４％，说明冬季污染主要是由细颗粒物污染引起．ＳＯ２－４、ＮＯ－３、ＮＨ＋４、Ｃｌ－、Ｃａ２＋是最主要的水溶性离子．ＳＯ２－４、ＮＯ－３、ＮＨ＋４在０．７６μｍ出现单峰；Ｃａ２＋和Ｍｇ２＋在０．３１和５．１３～８．０９μｍ出现双峰，主要分布在粗模态；Ｃｌ－和Ｋ＋在０．７６和５．１３μｍ出现双峰，主要分布在细粒径段．ＯＣ、ＥＣ也富集于细粒子，显单峰结构．随污染程度增加，二次无机离子及碳组分浓度均显著增加，ＳＯ２、ＮＯ２的表观转化率（ＳＯＲ、ＮＯＲ）以及ＯＣ／ＥＣ在灰霾期间都远远高于二级良，可见二次无机源及有机源是污染的主要来源．在空气流动性差的灰霾持续期，机动车尾气排放的ＥＣ等一次污染物贡献增加．分析ＮＯ－３／ＳＯ２－４的粒径分布发现，机动车尾气对爱根核模态及凝结模态的亚微米模态（＜１μｍ）贡献大于固定源，机动车尾气排放对大气污染的贡献已十分凸显．此外，燃煤污染的区域输送对污染的形成也有重要贡献，重污染期间土壤扬尘的贡献较小．关键词：颗粒物；化学组成；粒径分布；雾霾天气

文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１５）０２⁃３６３⁃０８ 中图分类号：Ｘ５１３ 文献标识码：ＡＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍａｓｓａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｓｐｅｃｉｅｓｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｍａｔｔｅｒｄｕｒｉｎｇｈａｚｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｗｉｎｔｅｒｉｎＢｅｉｊｉｎｇ

ＣＨＡＮＧＱｉｎｇ１，ＹＡＮＧＦｕｍｏ２，ＬＩＸｉｎｇｈｕａ１，∗，ＣＡＯＹａｎｇ１，ＷＡＮＧＨｕａｎｂｏ２，ＴＩＡＮＭｉ２

１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１２．ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｒｅｅｎａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１４Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２７Ａｐｒｉｌ２０１４； ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ４Ｍａｙ２０１４； ａｃｃｅｐｔｅｄ４Ｍａｙ２０１４

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｓｐｅｃｉｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｍａｔｔｅｒｓ（ＰＭ）ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｈａｚｅｅｖｅｎｔｓ，ｔｈｅＰＭｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙａＤｅｋａｔｉｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｉｍｐａｃｔｏｒｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗｉｎｔｅｒｈａｚｅ／ｆｏｇｅｖｅｎｔｓｉｎＢｅｉｊｉｎｇ．Ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｗａｔｅｒ⁃ｓｏｌｕｂｌｅｉｏｎｓ，ａｎｄｏｒｇａｎｉｃａｎｄｅｌｅｍｅｎｔａｌｃａｒｂｏｎｗｅｒｅｑｕａｎｔｉｆｉｅｄ．ＴｈｅＰＭｍａｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｅａｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．ＴｈｅｒａｔｉｏｏｆＰＭ２．５／ＰＭ１０

ｗａｓｏｖｅｒ７４％ｉｎａｌｌｗｅａｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｍｐｌｙｉｎｇｔｈａｔｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｐｒｅｄｏｍｉｎａｔｅｄｏｖｅｒｔｈｅｓｅｖｅｒｅｈａｚｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．ＳＯ２－４，ＮＯ－３，ＮＨ＋４，Ｃｌ－，ａｎｄＣａ２＋ｗｅｒｅ

ｔｈｅｍｏｓｔａｂｕｎｄａｎｔｗａｔｅｒ⁃ｓｏｌｕｂｌｅｉｏｎｓ．Ｄｉｓｔｉｎｃｔｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｗｅｒｅｆｏｕｎｄｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｏｎｓ．ＳＯ２－４，ＮＯ－３，ａｎｄＮＨ＋４ｐｅａｋｅｄａｔ０．７６μｍ．Ｃａ２＋ａｎｄＭｇ２＋

ｂｏｔｈｐｅａｋｅｄａｔ０．３１μｍａｎｄ５．１３～８．０９μｍ，ｂｕｔｗｅｒｅｍａｉｎｌｙｉｎｔｈｅｃｏａｒｓｅｍｏｄｅ．Ｃｌ－ａｎｄＫ＋ｂｏｔｈｐｅａｋｅｄａｔ０．７６μｍａｎｄ５．１３μｍ，ｂｕｔｗｅｒｅｍａｉｎｌｙｉｎｔｈｅｆｉｎｅｍｏｄｅ．ＯＭａｎｄＥＣａｌｓｏｄｏｍｉｎａｔｅｄｉｎｔｈｅｆｉｎｅｍｏｄｅ．Ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｓｅｃｏｎｄａｒｙｉｎｏｒｇａｎｉｃｉｏｎｓａｎｄｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓｍａｔｔｅｒｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｐｐａｒｅｎｔｌｙ环 境 科 学 学 报３５卷ｄｕｒｉｎｇｈａｚｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ＳＯＲ，ＮＯＲ，ａｎｄＯＣ／ＥＣｗｅｒｅｈｉｇｈｅｒｄｕｒｉｎｇｔｈｅｈａｚｅｅｖｅｎｔｓ，ｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｅｃｏｎｄａｒｙｉｎｏｒｇａｎｉｃａｎｄｏｒｇａｎｉｃａｅｒｏｓｏｌｓｐｌａｙｅｄａｄｏｍｉｎａｎｔｒｏｌｅｆｏｒｈａｚｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｈａｚｅｅｘｔｅｎｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｒｉｍａｒｙｅｍｉｓｓｉｏｎｓｆｒｏｍｖｅｈｉｃｌｅｅｘｈａｕｓｔｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｆｏｒｓｕｂｍｉｃｒｏｎａｅｒｏｓｏｌｓ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｒｏｍｍｏｂｉｌｅｓｏｕｒｃｅｓｗａｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｓｔａｔｉｏｎａｒｙｓｏｕｒｃｅｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｒａｔｉｏｏｆＮＯ－３ｔｏＳＯ２－４ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ．Ｒｅｇｉｏｎａｌｔｒａｎｓｐｏｒｔｏｆｃｏａｌ⁃ｂｕｒｎｉｎｇｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｐｌａｙｅｄａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｗｈｉｌｅｄｕｓｔｈａｄｓｍａｌｌｅｆｆｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｍａｔｔｅｒ；ｃｈｅｍｉｃａｌｓｐｅｃｉｅｓ；ｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｆｏｇａｎｄｈａｚｅｅｖｅｎｔ

１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）近几年冬季，北京市乃至华北、华东地区雾霾天气频发，其引发的环境效应和气候效应已成为大气科学与环境科学领域研究的热点（吴兑，２０１２；吴珂等，２０１２）．２０１３年１月，我国中东部地区发生了强度大、时间长、范围广的严重雾霾事件，受到世界范围内的高度关注，是极具研究价值的大气污染案例（王跃思等，２０１３）．Ｚｈａｎｇ等（２０１４）从大气环流和雾霾演变过程分析了此次严重雾霾天气产生的气象条件，结果显示２０１３年１月东亚季风偏弱，５００ｈＰａ高压异常使对流发展受到抑制，对流层中低层异常的南风输送了大量暖湿空气，促使逆温层长期存在，地表风速弱、水平风的垂直梯度小均不利于天气扰动的发生和大气垂直混合，从而为雾霾的发生、发展提供了有利的气象条件；Ｗａｎｇ等（２０１４）认为大气环流异常、冷空气势力弱、扩散条件差是污染形成的外因，一次排放的气态污染物向颗粒态的快速转化是污染加剧和持续的内因，二次无机盐在颗粒物中的比例增大，导致吸湿性显著增强，促进了强霾污染的发生．颗粒物对太阳辐射、能见度、云雾形成、气粒转化和粒子增长过程的影响主要是由气溶胶的粒径及其化学组分决定的（ＳｅｉｎｆｅｌｄａｎｄＰａｎｄｉｓ，１９９８）．颗粒物化学组分的粒径分布特征可以提供颗粒物来源、化学形成和增长机制等重要信息（唐孝炎等，２００６）．研究表明，水溶性离子（Ｋａｎｇｅｔａｌ．，２００４）及含碳物质（ＳｉｓｌｅｒａｎｄＭａｌｍ，１９９４）是雾霾天影响能见度的主要成分．因此本研究针对２０１３年１月北京典型雾霾天气下的颗粒物浓度及化学组分（包括水溶性离子和含碳组分）的粒径分布分析，结合天气变化探究其来源、化学形成和增长机制，以期为北京市控制雾霾污染提供科学依据．２　实验（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ）２．１　样品采集 采样点位于北京市海淀区学院路北京航空航天大学校园内，采样器架设在为民楼顶，距离地面约２５ｍ；采样点向北约８５０ｍ、向东约３５０ｍ，分别是交通主干道北四环和学院路．利用１３级低压撞击器（Ｄｅｋａｔｉ公司，芬兰）采集不同粒径段的颗粒物样品，切割粒径分别为９．８５，６．６４，３．９７，２．３８，１．５９，０􀆰９４，０．６１，０．３８，０．２６，０．１５５，０．０９３，０．０５４μｍ和