中国大气气溶胶粒谱分布研究进展

大气气溶胶粒子浓度和粒径分布受不同环境和气象条件制约,分析其分布特征对研究大气环境具有重要意义。该文综合论述了近20年来中国大气气溶胶的谱分布研究进展,重点讨论了背景大气气溶胶、城市型气溶胶、海洋型气溶胶和沙尘气溶胶谱分布特征及相应的对数正态分布谱分布函数参数值,介绍了气溶胶谱分布垂直分布特征,并简述了气溶胶谱分布对大气能见度、人体健康及其对新粒子形成的影响,为大气环境相关研究以及各种气候模式提供参考。     

青岛近海不同污染过程下大气颗粒态氮磷浓度分布特征

2018年3月~2019年10月在青岛近海连续采集了大气气溶胶样品,测定出样品中溶解无机氮（DIN）、溶解无机磷（DIP）、溶解态总氮（DTN）、溶解态总磷（DTP）、总氮（TN）和总磷（TP）的浓度分别为（7.13±6.59）μg·m^-3、（17.42±9.88）ng·m^-3、（8.34±7.03）μg·m^-3、（25.59±13.67）ng·m^-3、（10.68±10.59）μg·m^-3和（76.34±51.79）ng·m^-3.结果表明,受排放源强度、气团来源和气象条件等因素影响,采样期间气溶胶中不同形态氮磷浓度变化范围较大,DIN、DTN和TN呈现秋季浓度最高,春季和冬季次之,夏季浓度最低的季节变化特征;DIP、DTP浓度与氮组分具有相似的季节变化,表现为秋季高,夏季低,而TP浓度在春季最高,夏季最低.霾天气溶胶中不同形态氮磷浓度较晴天对照天均显著增加,DIN、DTN和TN较对照天分别提高了4.3、3.8和4.5倍,而DIP、DTP和TP较对照天分别提高了1.9、1.9和1.2倍,但不同时期霾天样品的氮组分浓度增长幅度相差较大,其中采暖期与非采暖期霾天气溶胶中DIN/DTN的值分别为（92.65±4.09）%和（80.52±8.42）%,较对照天分别提高了8.87%和4.83%;而采暖期与非采暖期霾天气溶胶中DTN/TN值分别为（73.41±12.18）%和（80.36±4.72）%,较对照天分别降低了13.35%和5.92%.霾天气溶胶中DIP占DTP的比重较对照天仅提高了1.47%,但变化较为复杂,随霾天不同而有较大差异;受气团来源、相对湿度和大气酸化过程等因素影响,气溶胶中DTP/TP的值较对照天提高了10.58%.受沙尘事件影响的气溶胶中DIN、DTN和TN的浓度较对照天分别提高了2.5、2.6和2.6倍,DIP、DTP和TP的浓度较对照天分别提高了4.0、2.8和7.2倍.     

2004年春季北京一次沙尘暴的理化特性分析

2004-03-27～2004-03-29北京发生沙尘暴天气期间,监测了气溶胶TSP、PM10和PM2.5的浓度,利用撞击式采样器采集了8级膜样品,并用ICP-MS分析了气溶胶中元素的含量,同时监测了地面辐射和风速的变化.结果显示,此次沙尘暴导致TSP浓度比平时增加3～4倍,PM10浓度增加2～3倍,PM2.5浓度有所降低.研究还表明:地壳元素Na、Mg、Al、Mn和Fe主要分布在粗粒子上.而污染元素Zn、Pb主要分布在细粒子上,污染元素主要是本地源.沙尘暴对总辐射有明显的影响,导致地面总辐射衰减了37.8%.受大风影响粗粒子浓度增加显著,细粒子浓度明显减少.     

全球沙尘气溶胶源汇分布及其变化特征的模拟分析

根据全球沙尘气溶胶气候模式GEM-AQ/EC模拟的1995~2004年的沙尘起沙量和干湿沉降量,分析了沙尘气溶胶源汇的全球时空变化特征.全球沙尘起沙量集中在各个主要沙漠地区,北非对全球沙尘气溶胶贡献最大为66.6%.沙尘气溶胶沉降的高值区分布在沙漠源区及其紧临的下风地区.最大净沙尘气溶胶接收主要分布在沙漠周围地区并形成净接收量大于10t/(km2×a)的位于0°N~60°N之间的北非、欧亚大陆、西太平洋、北印度洋、北美和大西洋的带状分布.在北非、阿拉伯半岛、中亚、东亚和澳大利亚5个主要沙漠地区中,起沙量和沉降量都存在明显的季节变化,除中亚其他4个区域干湿沉降量和起沙的季节变化基本一致;东亚地区沙尘气溶胶起沙量和总沉降量的季节变化最为明显,而北非沙漠起沙量和总沉降量的季节变化最小,其他3个区域的季节变化幅度基本相同.中亚起沙峰值和阿拉伯半岛起沙次峰值出现在夏季,其他区域的峰值均出现在春季.10年间全球陆地年平均起沙量为(1500±94)Mt,保持略微上升趋势.以北非沙漠起沙量年际变化率最低(6.3%), 而以东亚(28.3%)和澳大利亚(45.0%)起沙量年际变化最为明显;全球陆地的沙尘气溶胶沉降量以约9.9Mt/a的速率递减,全球海洋的沙尘气溶胶沉降递增.     

2018年济南市PM2.5叠加沙尘重污染过程分析

为揭示重污染过程中多因素的综合作用,选取济南市2018年11月25日-12月4日一次长时间、高强度PM_2.5污染和沙尘混合的重污染过程,利用气象资料、空气质量监测结果、激光雷达探测资料及水溶性离子在线数据,开展污染特性以及潜在污染源综合分析.结果表明:①研究期间,首要污染物为颗粒物,ρ（PM₁₀）、ρ（PM_2.5）平均值分别为294、141 μg/m3,污染较严重.②根据ρ（PM_2.5）/ρ（PM₁₀）将此次重污染过程分为4个阶段,阶段Ⅰ~Ⅳ总水溶性离子浓度分别为（107.3±35.9）（95.2±34.5）（99.0±18.2）（29.3±9.3）μg/m3,分别占ρ（PM_2.5）的73.8%、56.9%、64.2%和43.2%.SOR（硫氧转化率）分别为0.47、0.42、0.55、0.25,NOR（氮氧转化率）分别为0.42、0.26、0.28、0.13,表明济南市大气中出现了显著的二次转化过程,SOR均大于NOR表明SO₄2-转化程度高于NO₃-.NO₃-/SO₄2-（质量浓度比）分别为2.97、1.75、1.69、1.45,表明此次污染各阶段中氮和硫的来源以移动源为主.③此次重污染过程济南市ρ（PM_2.5）受本地及周边城市传输和两次沙尘过境的综合影响,主要潜在污染源有山东省本地以及江苏省北部、安徽省北部、内蒙古自治区中部和京津冀地区等区域.④近地面均压场、高湿、小风等不利气象因素是导致此次重污染过程的重要因素.研究显示,济南市此次污染过程是不利气象条件、污染物一次积累和二次转化、区域污染传输、沙尘天气等多因素综合作用的结果.      

内陆输送过程中沙尘单颗粒类型及其非均相反应

采用单颗粒分析方法对2004 年2~3 月发生在北京的3 次沙尘暴的样品中沙尘颗粒物的化学成分进行了测定.3 次沙尘暴的反向轨迹图显示,它们主要来自于中国北部、西北部和蒙古的戈壁沙漠地区,且这些沙尘颗粒主要通过高空长距离输送到下游区域.使用带能谱的扫描电镜对481 个沙尘颗粒进行分析,并根据成分特征,把这些沙尘颗粒划分为8 种类型,主要类型有“富Si”、“富Ca”、“富S”、“富Fe”.将北京样品分析结果与呼和浩特、塔克拉玛干和敦煌的结果进行对比,结果显示,长距离输送的沙尘颗粒表面发生了SO₂ 的非均相化学反应,导致部分颗粒局部的表面发生化学修改作用,且“富Ca”的碱性矿物为非均相化学反应提供了更有利的反应界面.     

塔克拉玛干地区春季沙尘演变及气候因素分析

利用塔克拉玛干地区18个气象台站的观测资料,分析了该地区1961～2005年春季沙尘暴发生和演变规律,并分析了降水、温度、风速、起沙风(≥5m/s)日数等气象条件的变化特征及其对沙尘暴发生的影响.结果表明,塔克拉玛干地区除轮台、巴楚、塔什库尔干外,其余15个台站的沙尘日数呈现出明显的逐年递减趋势,其中11个台站减少显著.该地区冬季、春季降水和温度呈增加趋势,而春季平均风速则不断减小,起沙风日数也呈现出显著的减小趋势.沙尘源区的平均风速和起沙风日数与沙尘日数的相关系数分别达到0.662和0.674,呈显著的正相关(P<0.01),表明大风是引起沙尘暴的直接原因.沙尘日数与春季和冬季降水相关系数分别为-0.589和-0.274,与春季降水呈显著的负相关(P<0.01),而与冬季降水的相关性不显著,说明春季降水对该地区的沙尘暴有直接的抑制作用,而冬季降水对春季沙尘暴的影响不大;春季和冬季平均平均气温与沙尘日数呈不显著负相关,表明冬、春季节的气温变化对春季沙尘暴的影响有限.     

粘土矿物比率对沙尘源区的指示

为了探讨中国北方沙尘源区矿物组成特征并建立沙尘气溶胶的矿物示踪指标,在亚太地区气溶胶特征实验(ACE-Asia)期间对新疆阿克苏、甘肃敦煌、陕西榆林和内蒙古通辽沙尘气溶胶的矿物组成进行了研究.结果显示,中国主要沙尘源区沙尘气溶胶中高岭石与绿泥石的比率存在明显差异,西部沙尘源区(以阿克苏站点为代表)高岭石与绿泥石的比值较小(平均值为0.3),而北部沙尘源区(以榆林站点为代表)高岭石与绿泥石的比值相对较高(平均值为0.7).沉降区长武尘暴样品的粘土矿物比率和气团轨迹分析证实,在区域范围,高岭石与绿泥石的比值为较好的沙尘源区矿物示踪指标.而亚洲沙尘与撒哈拉沙尘的对比显示,高岭石与绿泥石的比值在全球范围有着沙尘源区指示的意义.     

沙尘对直升机挂架影响的分析及试验验证方法

介绍了直升机寿命周期中遇到的沙尘环境类型和沙尘破坏机理以及影响沙尘作用的主要因素。系统地分析了沙尘对挂架的影响以及在挂架设计中的抗沙尘设计和实际使用过程中的控制和防护,最后给出了实验室沙尘环境模拟试验方法。     

偏振激光雷达在沙尘暴观测中的数据解析

阐述了日本国立环境研究所(NIES)研制的双波长偏振激光雷达的工作原理和主要工作参数,探讨了激光雷达方程在沙尘暴监测中的应用条件,并对激光雷达获取的各种信息进行直观图视化处理.分别用光学强度、后向散射强度、退偏振率、消光系数以及双波长信号比等对沙尘天气的污染特征进行了解析,并对垂直方向沙尘浓度的分布进行了计算.研究表明:退偏振率大于10%时,即可判断为沙尘天气;双波长信号比(P(1 064)/P(532))大于0.4,则表示该期间为沙尘天气;利用消光系数表示气溶胶浓度时,NIES激光雷达观测沙尘气溶胶消光系数超过0.3 km-1(ρ(TSP)约为500　μg/m3),且持续时间超过3　h的沙尘天气现象即可判断为一次沙尘事件.根据激光雷达特有物理量对沙尘气溶胶的不同判定标准,对沙尘事件的强度、持续时间、沙尘云厚度以及沙尘天气的污染特征进行了解析和探讨.