上海污染气溶胶的特性、来源和形成机制

长江三角洲位于中国东部，是中国的经济中心，占全国进出口贸易的1／3左右，其GDP占全中国的20%左右。由于该地区稠密的人口、大量的工厂农田以及来自上游城市的污染，如今长三角已成为海洋污染的源头之一。上海作为世界上的超大城市之一，位居长三角城市之首，人口超过2 000万，人口密度为2 700人／m2，拥有全国最大规模的工业和海港，其空气质量一直引人关注。上海的SO 2排放总量在1996—2005年间从4.0×105吨增至5.4×105 t，其中工业导致的SO2排放占总量的70%，而非工业SO 2排放则从2000年以来增加了40%以上［1］。随着能源结构的不断调整，来自工业的CO 2从1995的47%降至2006年的30%，来自煤燃烧的CO 2排放从1995年的8 400万t增至2006年的11 000万t，其中由燃油产生的CO2排放在1995年为2 300万t，而到2006年则为6 400万t；来自天然气燃烧的在2006年只有500万t。2000—2020年SO 2排放会维持在2000年的水平，CO 2的排放也会有所下降，但由于上海机动车数量近年来增加非常迅速，NO x的排放到2020年预计会增加60%～70%。2000年上海的NO x排放为4.0×105 t，其中1.7×105 t来自电厂排放，1.0×105 t来自工业排放，0.9×105 t来自交通排放，而剩下的0.4×105 t则来自其他源［2］。到2020年，NO x可能会达到6.0×105 t。随之而来由交通产生的CO2排放比例也从7%增至18%［3］。上海PM 2.5中的硫酸盐主要来自当地的SO2排放，且在不同温度下，SO 24-／SO 2比值较稳定［4］。1999—2000年间上海气溶胶中（NH4）2 SO4和NH4 NO3之和占PM2.5质量的41.6%，而其中硫酸盐就占了23.4%。含碳物质占PM2.5质量的41.4%，其中73%为有机物［5］。上海气溶胶中的主要离子以（NH 4）2 SO4、Ca（NO3）2、CaCl2和CaSO4的形态存在［6］。由于极高的SO2和NO2气体浓度所发生的光化学反应，2007年1月19日在长三角发生了有史以来最强的一次区域霾事件，当日上海日均SO2和NO2浓度分别达到194、123μg·m-3，当天区域能见度低于0.6 km［7］。人为排放的污染气体在气溶胶表面的复相反应是上海大气中硫酸盐、硝酸盐和有机酸盐等污染气溶胶的主要形成机制［8 13］。含碳气溶胶［包括有机碳（OC）和元素碳（EC）］约占PM 2.5质量浓度的30%［14］，二次有机气溶胶的浓度为5.7～7.2μg·m-3，约占OC的30%。OC中约50%来自机动车排放，15%则来自煤燃烧［15］。可溶性有机碳占总碳的比例（water soluble organic carbon／total carbon，WSOC／TC）大约在0.3，其中可提取的有机组分中主要成分是脂肪酸，烹饪是其主要来源［16］。上海气溶胶中来自生物质燃烧的元素K与元素C的比例（K／EC）比国外很多地区高出很多，表明其深受生物质燃烧的影响［17］。燃煤和机动车排放是上海大气气溶胶中的多环芳烃（PAH）和非甲烷碳氢化合物（non-methane hydrocarbon，NMHC）中甲苯、乙苯和二甲苯的主要来源［18-20］。大气气溶胶中的另一类主要组分为重金属，虽然含量较低，但其对人体健康和生态环境意义很大。上海大气中的有毒金属，包括Pb、Zn、Cu、Cr、Cd和Ni。Pb、Zn、Cu主要来自交通污染，Cd主要来自工业源，而Ni则主要来自自然源。空间分布显示，以上金属浓度较高的区域一般分布在城市中心、街道交叉口以及工业区附近［21］。Cd、Cr、Cu、Pb和Zn从1965至2005年呈明显增加趋势，特别是在20世纪80年代以后，其来源主要是当地的工业及交通［22］。上海大气中的颗粒态Hg主要来自固定源和气-固转化，与硫酸盐和元素C高度相关，却不和F、Cl、硝酸盐以及有机碳相关。粗略估计，煤的燃烧对上海大气中的Hg的贡献可达到80%左右［23，24］。上海大气中的Pb在20世纪90年代40%来自水泥，18%来自有铅汽油，16%来自冶金工业，而只有9%和5%来自油燃烧和煤燃烧［25］。1997年之后，上海已经禁止了有铅汽油的使用，PM 2.5中的Pb浓度仍处于较高的水平（213～176 ng·m-3），Pb的主要来源为煤燃烧、以往含铅汽油排放生成的颗粒物沉降后再扬起，以及冶金工业排放［26-31］。上海大气中含有的CS2和SO 2有很好的相关性，表明CS2主要来自煤炉的煤燃烧［32］。上海颗粒物的来源主要是煤燃烧，其他来源包括建筑活动、机动车排放、扬尘以及炼钢［33］。以上结果大都局限于对上海大气污染的某些组分例如臭氧（O 3）、有机物、Pb污染等的研究。鉴于大气颗粒物污染对国计民生尤其是对人体健康的重大危害［34-42］，迫切需要系统而全面地揭示上海污染气溶胶的来源及其形成机制。本章基于2008年和2009年之交采用多种监测手段的综合观测结果，全面分析了上海市大气气溶胶及其各种组分的物理、化学、辐射特性与来源，并估算了不同组分对大气气溶胶消光（导致太阳光衰减）的贡献。(www.xing528.com)