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1、LOGO气溶胶化学气溶胶化学于兴娜于兴娜大气物理学院大气物理学院大气气溶胶的基本特征大气气溶胶的基本特征大气气溶胶的化学组成、来源与贡献大气气溶胶的化学组成、来源与贡献大气气溶胶的辐射强迫大气气溶胶的辐射强迫主要内容主要内容v 定义：定义： 液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成相液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成相对稳定的悬浮体系。对稳定的悬浮体系。 液体或固体微粒（即颗粒物或粒子）是指空气液体或固体微粒（即颗粒物或粒子）是指空气动力学直径为动力学直径为0.003100 m的液滴或固态粒子。的液滴或固态粒子。v形状：形状：很复杂很复杂 液体颗粒物近似于球形，固体颗粒物多不规则，有片液体颗粒物
2、近似于球形，固体颗粒物多不规则，有片状、柱状、雪花状、针状等等。状、柱状、雪花状、针状等等。大气气溶胶的基本特征大气气溶胶的基本特征北京市典型烟北京市典型烟尘集合体的集合体的TEM图像像 （a.a.链状状;b.;b.簇状簇状) )表面光滑的飞灰表面光滑的飞灰表面吸附超表面吸附超细颗粒的粒的飞灰灰 矿物颗粒石英矿物颗粒石英硫酸盐硫酸盐v 粒径：粒径： 1. 光学等效直径光学等效直径： 如果所研究不规则形状的粒子与直径为Dp的球形粒子具有相同的光散射能力，则定义Dp为所研究粒子的光学等效直径。 2. 体积等效直径或几何直径体积等效直径或几何直径： 如果所研究不规则形状的粒子与直径为Dp的球形粒子具
3、有相同的体积，则定义Dp为所研究粒子的体积等效直径。 3. 空气动力学等效直径：空气动力学等效直径： 与所研究的粒子有相同终端降落速率与所研究的粒子有相同终端降落速率,密度为密度为1 g/cm3 的球体直径。的球体直径。v分类：分类： 1.按颗粒物成因分: 分散性气溶胶：指固态或液态物质经粉碎、喷射形成微小粒子分散在大气中形成的气溶胶，如海浪分溅、农药喷洒等。 凝聚性气溶胶：由气体或蒸汽遇冷凝聚成液态或固态微粒而形成的气溶胶。v分类：分类： 2.按颗粒物的物理状态分: 固态：烟、尘 液态：雾 固液混合：霾、烟雾 3.按粒径大小分： 环境部门 大气科学(云降水物理) (一) 环境部门环境部门1.
4、 总总悬悬浮浮颗颗粒粒物物：用用标标准准大大容容量量颗颗粒粒采采样样器器在在滤滤膜膜上上所所收收集集到到的的颗颗粒粒物物的的总总质质量量，通通常常称称为为总总悬悬浮浮颗颗粒粒物物。用用TSP表表示示。其其粒粒径径多在多在100 m以下，尤以以下，尤以10 m以下的为最多。以下的为最多。2. 飘尘飘尘：可在大气中长期漂浮的粒子，其粒径主要是小于可在大气中长期漂浮的粒子，其粒径主要是小于10 m。3. 降降尘尘：能能用用采采样样罐罐采采集集到到的的大大气气颗颗粒粒物物。在在TSP中中直直径径大大于于30 m的的粒粒子子由由于于自自身身的的重重力力作作用用会会很很快快沉沉降降下下来来，这这部部分分颗
5、颗粒粒物物称为降尘。称为降尘。4. 可可吸吸入入粒粒子子：易易于于通通过过呼呼吸吸过过程程而而进进入入呼呼吸吸道道的的粒粒子子。目目前前国国际标准化组织际标准化组织(ISO)建议将其定为建议将其定为Dp10 m。5. 细粒子细粒子：其粒径小于：其粒径小于2.5 m。中国中国环境空气境空气质量量标准中准中PM10的相关的相关标准准取值时间浓度限值（mg/m3）一级标准二级标准三级标准年均值0.040.100.15日均值0.050.150.25美国环保局2019年提出、2019年通过了PM2.5国家环境空气质量标准，规定PM2.5的年均浓度和日均浓度限值分别为15和65 g/m3。地点观测时间质量
6、浓度参考文献北京2019.7-2000.9夏季76He et al. (2019)北京2019.7-2000.9冬季176He et al. (2019)太原2019.12216.7Meng et al. (2019)南京2019149.0王荟等. (2019)上海2019.9-2019.194.64Wang et al. (2019)广州2019.1-2 105.9Cao et al. (2019)青岛2019-200043.6Hu et al. (2019)厦门199340.0Gao et al. (2019)大连201967.5Takami et al. (2019)香港2019.1-2
7、54.5Cao et al. (2019)珠海2019.1-259.3Cao et al. (2019)不同地区不同地区PM2.5的平均质量浓度（的平均质量浓度（g/m3） ( (二二) )按大气科学分为：按大气科学分为： 爱根核爱根核(爱根核模爱根核模)： Dp0.05 m 大核大核(积聚模积聚模) ： 0.05 mDp2 mv粗粒子粗粒子2 m; 细粒子细粒子2 mWhitby提出三模态模型：提出三模态模型：爱根核模（爱根核模（Dp0.05 m）：主要来源于燃烧产生的一次气）：主要来源于燃烧产生的一次气溶胶，以及气体分子通过化学反应均相成核而生成的二次溶胶，以及气体分子通过化学反应均相成核
8、而生成的二次气溶胶粒子。气溶胶粒子。特点：粒径小、数量多、表面积大而不稳定，易相互碰撞特点：粒径小、数量多、表面积大而不稳定，易相互碰撞凝聚成大粒子而转入积聚模（老化）凝聚成大粒子而转入积聚模（老化）,寿命较短（寿命较短（1 hr）。）。 Whitby提出三模态模型：提出三模态模型：积聚模积聚模（0.05 m Dp2 m) )：源于机械过程所造成的扬尘、海盐飞沫、：源于机械过程所造成的扬尘、海盐飞沫、火山灰和风沙等一次气溶胶粒子。火山灰和风沙等一次气溶胶粒子。特点：主要靠干湿沉降去除，寿命较短（特点：主要靠干湿沉降去除，寿命较短（min/小时小时/天）。天）。v相关概念相关概念p一次气溶胶：由
9、排放源直接排放到大气中的颗粒物。一次气溶胶：由排放源直接排放到大气中的颗粒物。p二次气溶胶：通过与气体组分的化学反应生成的颗粒物。二次气溶胶：通过与气体组分的化学反应生成的颗粒物。p均质气溶胶：所有颗粒物的化学组成相同。均质气溶胶：所有颗粒物的化学组成相同。p单谱气溶胶：所有的颗粒物粒径大小相同。单谱气溶胶：所有的颗粒物粒径大小相同。p多谱气溶胶：多种粒径大小的颗粒物。多谱气溶胶：多种粒径大小的颗粒物。大气气溶胶的浓度表示方法大气气溶胶的浓度表示方法数浓度数浓度：个：个/cm3表面积浓度表面积浓度：m2. cm-3体积浓度体积浓度： m3. cm-3质量浓度质量浓度： mg. m-3; g.
10、m-3气溶胶的来源气溶胶的来源大气气溶胶的来源复大气气溶胶的来源复杂，按照，按照产生的生的过程分程分为自然源和人自然源和人为源。源。自然源主要来自于洋面气泡的破裂、土壤的自然源主要来自于洋面气泡的破裂、土壤的风蚀、生物的、生物的孢子花粉以及火山爆子花粉以及火山爆发、森林火灾、森林火灾等。等。人人为源主要来自化石燃料燃源主要来自化石燃料燃烧、工、工农业生生产活活动等；人等；人为排放气排放气态污染物在一定条件下的气染物在一定条件下的气粒粒转化化过程也是大气气溶胶的一个重要来源。程也是大气气溶胶的一个重要来源。气溶胶的汇气溶胶的汇大气气溶胶主要是通大气气溶胶主要是通过干、湿沉降的方式去除。干、湿沉降
11、的方式去除。（1）干沉降：）干沉降：重力作用或与地面其他物体碰撞后沉降。（2）湿沉降：）湿沉降： 雨除 ：气溶胶作为CCN成为云滴中心，通过凝结和碰并，云滴增长为雨滴（若T PM2.5 ；沙沙尘事件期事件期间地壳元素地壳元素浓度呈度呈现出自西向出自西向东减弱的减弱的趋势。 沙沙尘天气天气时的地壳元素的地壳元素浓度度要明要明显高于非沙高于非沙尘天气天气。沙沙尘天气天气时Seoul PM10中中Al和和Ca的的浓度度约为非沙非沙尘的的3.4倍；倍；Gwangju 中的中的浓度度为非非沙沙尘的的5-6倍。倍。 图5. 沙尘与非沙尘期间的元素浓度对比气溶胶来源解析气溶胶来源解析根据采样所得样品的化学成
12、分，分析其来源。根据采样所得样品的化学成分，分析其来源。1、相对浓度法、相对浓度法：监测浓度与某一标准浓度之比，得到监测浓度与某一标准浓度之比，得到相对浓度。相对浓度。Xii1，污染较重。综合几种组分，可以定性判断污染源贡献的程度。常选常选Fe, Si, Al等作为参考元素，指地壳源。等作为参考元素，指地壳源。a)b)2. 富集因子法：富集因子法：特点：特点：能消除采样过程中各种不定因素的影响。可能消除采样过程中各种不定因素的影响。可推测污染物在某一地区富集的程度以及污染推测污染物在某一地区富集的程度以及污染源受天然或人为污染的程度；源受天然或人为污染的程度；但它给不出各种不同类型污染源相对贡
13、献的但它给不出各种不同类型污染源相对贡献的定量结果，只能做出定性的判断。定量结果，只能做出定性的判断。2. 富集因子法：富集因子法：首先选定一种环境中存在的相对稳定的元素首先选定一种环境中存在的相对稳定的元素R作参比元素，用颗粒物中待考查元素作参比元素，用颗粒物中待考查元素i与参比元与参比元素素R的相对含量的相对含量(xi/xR)颗粒物颗粒物和地壳中相对应元和地壳中相对应元素素i和和R的相对含量的相对含量(xi/xR)地壳地壳，按下式求得富，按下式求得富集因子集因子(EF)： 如果颗粒物中某元素相对地壳的如果颗粒物中某元素相对地壳的EF较大时，较大时，表明该元素有了适当的富集，某元素的富集表明
14、该元素有了适当的富集，某元素的富集因子小于因子小于10时，可认为相对应地壳来源没有时，可认为相对应地壳来源没有富集，它们主要是由土壤或岩石风化的颗粒富集，它们主要是由土壤或岩石风化的颗粒物所组成的物所组成的； 如果富集因子在如果富集因子在10104范围，则可认为该元素范围，则可认为该元素被富集了，表明元素含量不仅有地壳物质的贡献被富集了，表明元素含量不仅有地壳物质的贡献，也与人类活动有关。，也与人类活动有关。 通常选择地壳中普遍大量存在的、人为污染源通常选择地壳中普遍大量存在的、人为污染源很小、化学稳定性好、挥发性低且易于分析的很小、化学稳定性好、挥发性低且易于分析的元素，通常多选用元素，通常
15、多选用Fe，Al或或Si等。等。参比元素的选择参比元素的选择研究海洋上空颗粒物时，常选研究海洋上空颗粒物时，常选Na作参比元素。作参比元素。近年来有人用近年来有人用Sc作参比元素。虽然作参比元素。虽然Sc的地壳丰的地壳丰度很小，但由于它的人为污染源较少，且化学度很小，但由于它的人为污染源较少，且化学稳定性好，挥发性也较低，与稳定性好，挥发性也较低，与Fe，Al之间有很之间有很强的相关性。强的相关性。3、相关分析法：、相关分析法： 富集因子法揭示的是粒子与参考源的差异，而相关富集因子法揭示的是粒子与参考源的差异，而相关分析则可以得到元素间的关连性。分析则可以得到元素间的关连性。 相关分析不限于粒
16、子的化学量，也可以考察气溶胶相关分析不限于粒子的化学量，也可以考察气溶胶的物理性质的物理性质(如颗粒物大小，散射截面等如颗粒物大小，散射截面等)，气象条，气象条件件(如温、湿、风、能见度等如温、湿、风、能见度等)与化学组成的内在联与化学组成的内在联系及其规律。相关分析法计算物种间的相关系数，系及其规律。相关分析法计算物种间的相关系数，当相关系数值很高时，说明这些物种可能有相同的当相关系数值很高时，说明这些物种可能有相同的来源。来源。4、化学元、化学元素平衡法素平衡法(CEB) ：化学元素平衡法是在已经确定了对气溶胶有贡献的化学元素平衡法是在已经确定了对气溶胶有贡献的源的各种类型，并在给出了各种
17、源的详细化学组分源的各种类型，并在给出了各种源的详细化学组分的基础上，根据取得的气溶胶样本的化学组分，去的基础上，根据取得的气溶胶样本的化学组分，去求各源的贡献。它基于质量平衡原理，对给定的气求各源的贡献。它基于质量平衡原理，对给定的气溶胶样品中元素溶胶样品中元素i i的监测浓度的监测浓度( (重量百分比重量百分比)C)Ci i： 所谓的受体是指某一相对于排放源被研究的局部大所谓的受体是指某一相对于排放源被研究的局部大气环境。受体模型是研究大气颗粒物来源的数学模型气环境。受体模型是研究大气颗粒物来源的数学模型之一。它不考虑颗粒物从排放源到受体传输过程中的之一。它不考虑颗粒物从排放源到受体传输过
18、程中的化学变化和化学反应动力学过程，而是靠测定直接从化学变化和化学反应动力学过程，而是靠测定直接从受体处采集样品的化学组成来推测出它们的来源类型，受体处采集样品的化学组成来推测出它们的来源类型，并计算出不同来源类型所占的比例。并计算出不同来源类型所占的比例。气溶胶辐射强迫气溶胶辐射强迫气候系统总体趋于平衡状态，即地气系气候系统总体趋于平衡状态，即地气系统所吸收的太阳辐射应等于向外发射的统所吸收的太阳辐射应等于向外发射的红外长波辐射。如果某种扰动打破了这红外长波辐射。如果某种扰动打破了这个平衡，气候系统会调整地表温度来形个平衡，气候系统会调整地表温度来形成新的平衡。为了评估地球气候系统辐成新的平
19、衡。为了评估地球气候系统辐射收支的外加扰动，射收支的外加扰动，IPCC引入了辐射强引入了辐射强迫这个概念。迫这个概念。气溶胶辐射强迫气溶胶辐射强迫辐射强迫的定义：单位辐射强迫的定义：单位 W/m2全球气候的变化由地气系统辐射平衡状况全球气候的变化由地气系统辐射平衡状况决定。任何对该系统平衡的扰动并因而使决定。任何对该系统平衡的扰动并因而使气候发生变化的因子成为辐射强迫因子，气候发生变化的因子成为辐射强迫因子，主要有入射太阳辐射；温室气体、云和气主要有入射太阳辐射；温室气体、云和气溶胶等。溶胶等。在描述这些因子对气候的潜在影响时，往在描述这些因子对气候的潜在影响时，往往采用往采用“辐射强迫辐射强
20、迫”（radiation forcing）。）。气溶胶辐射强迫气溶胶辐射强迫人类活动导致大气中气溶胶浓度不断升高，人类活动导致大气中气溶胶浓度不断升高，一方面导致大气对太阳光散射作用增强，一方面导致大气对太阳光散射作用增强，反照率增加，产生负的辐射强迫；另一方反照率增加，产生负的辐射强迫；另一方面吸收太阳辐射，产生正的辐射强迫。面吸收太阳辐射，产生正的辐射强迫。大气中气溶胶通过直接和间接辐射强迫两大气中气溶胶通过直接和间接辐射强迫两种方式影响全球气候，对全球气候变化产种方式影响全球气候，对全球气候变化产生重大影响。生重大影响。u 直接直接辐射射强强迫：气溶胶通迫：气溶胶通过散射和散射和吸收太阳
21、吸收太阳辐射，射，产生直接生直接辐射射强强迫；迫；u 间接接辐射射强强迫：可作迫：可作为云凝云凝结核，核，影响云的微物理特性和宏影响云的微物理特性和宏观云量，影响云量，影响地气系地气系统的水循的水循环，产生更加复生更加复杂和和不确定的不确定的间接接辐射射强强迫迫。 气溶胶辐射强迫气溶胶辐射强迫气溶胶辐射强迫气溶胶辐射强迫与温室气体的辐射强迫比较：与温室气体的辐射强迫比较：1.对流层大气中气溶胶的生命周期很短，导致对流层大气中气溶胶的生命周期很短，导致空间分布高度不均，而且与排放源有关；空间分布高度不均，而且与排放源有关；2.气溶胶直接辐射强迫是散射太阳短波辐射的气溶胶直接辐射强迫是散射太阳短波
22、辐射的过程，主要在白天和夏季起主导作用。即具有过程，主要在白天和夏季起主导作用。即具有明显的日变化和季节变化。明显的日变化和季节变化。3.气溶胶的直接和间接辐射强迫都与颗粒物粒气溶胶的直接和间接辐射强迫都与颗粒物粒径和化学组成有关，不能简单以气溶胶质量源径和化学组成有关，不能简单以气溶胶质量源强衡量其辐射强迫的相对大小；强衡量其辐射强迫的相对大小；气溶胶辐射强迫气溶胶辐射强迫与温室气体的辐射强迫比较：与温室气体的辐射强迫比较：4.大气气溶胶尤其是人为气溶胶的区域分布大气气溶胶尤其是人为气溶胶的区域分布不均匀；不均匀；5.气溶胶的辐射强迫与其浓度的关系是非线气溶胶的辐射强迫与其浓度的关系是非线性的，自然存在的气溶胶的影响复杂；性的，自然存在的气溶胶的影响复杂；另外，气溶胶作为另外，气溶胶作为CCN影响云滴形成和降影响云滴形成和降水的过程复杂，间接辐射强迫研究非常困水的过程复杂，间接辐射强迫研究非常困难。难。气溶胶辐射强迫气溶胶辐射强迫1750-2000年间各种辐射强迫因子的全球平均辐射强迫年间各种辐射强迫因子的全球平均辐射强迫
