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厦门市是国家环境保护模范城市、著名国际旅游城市,然而2003年以来,年灰霾日数呈跳跃式增多,研究灰霾天气的污染特征、污染来源和贡献率显得尤为重要,同时也为区域大气环境保护和污染治理提供科学依据。
本研究选取厦门岛城区洪文空气质量监测点(一般趋势点),于2010年9月至2011年8月进行为期一年的监测,通过对厦门岛灰霾与非灰霾期间大气PM2.5以及PM25中的水溶性离子、元素碳(Elemental Carbon,EC)、有机碳(OrganicCarbon,OC)和无机元素的污染水平、季节变化特征、灰霾与非灰霾期的差异特征等深入分析,并结合气象条件和NOAA逆轨迹图,运用因子分析法(FactorAnalysis.FA)和化学质量平衡法(Chemical Mass Balances,CMB)对不同时期大气PM2.5的污染来源和贡献率进行了研究,同时进行了灰霾预报的初步探讨。主要获得如下结论:
1.厦门岛受典型的东亚季风气候影响,大气PM2.5及PM2.5中水溶性离子总浓度、OC和EC含量均表现出明显的季节变化特征,春冬季高,夏季最低。无机元素总质量浓度呈现出冬季、春季和秋季变化不大,但显著高于夏季的季节变化特征。厦门岛城区年均PM2.5浓度及其化学组分的污染水平均明显高于欧美等国外城市,稍低于国内特大城市北京、上海、广州,显示出厦门岛细颗粒物的污染形势严峻。
2.灰霾天气状况下,由于特定气象条件的影响,气溶胶中各种化学组分的含量相对于非灰霾天气均有一定程度的升高。水溶性离子组分中,二次离子NO3-、SO42-、NH4+的含量增幅最大,且更倾向于以NH4Cl、NH4NO3和(NH4)2SO4等二次吸湿性气溶胶的形式存在,灰霾期间大气PM2.5的酸性要稍弱于非灰霾天气。碳质气溶胶中,EC的富集对厦门岛灰霾天气的形成有重要作用;二次有机碳(Secondary OC.SOC)的污染水平较非灰霾期更为严重,但是一次有机碳(Primary OC.POC)的增长幅度仍然要高于SOC,对灰霾的形成有较大贡献。灰霾期间,典型地壳元素Ca、Na、Mg、Al的浓度无明显增加,人为污染元素Cu、Zn、Pb、S、Cd、As、Br和Cr的质量浓度和富集因子在都明显增大。无机元素的组成在灰霾与非霾期变化相对较小,与无机元素在大气中没有二次转化有关。
3.质量平衡构成显示,有机质(OM)、土壤尘和硫酸盐均为厦门岛PM2.5中含量较高的组分,三种组分共占PM2.5质量浓度的50%以上。OM、EC和二次离子在灰霾期间的百分含量均高于非灰霾天气,显示出这三种组分对灰霾形成的重要贡献。
4.厦门岛不同时期大气PM2.5的主要稳定来源为交通源(18%~38%)、硫酸盐(12%~30%)和石材加工尘(12%~29%),三者对PM2.5的总贡献率达54%~77%;煤烟尘也是非常重要的来源,但其对:PM2.5的贡献受东北季风条件下外来源输入的影响较为显著,其在冬季的贡献率可达18%以上。其次,对PM2.5贡献较大的来源为土壤尘、铵盐、路面尘、硝酸盐和建筑尘。除气象条件外,煤烟尘和交通源对大气PM2.5的较高贡献是导致冬季灰霾天气频繁发生的重要原因。夏季灰霾期间交通源对PM2.5的贡献率显著高于非灰霾期,证实了厦门岛机动车数量的高速增长是导致灰霾天数急剧增多的主要原因。减少厦门岛灰霾天气的发生必须从控制机动车尾气排放入手。
5.厦门岛春季大气消光系数的主要贡献者为硫酸铵盐,硝酸铵盐、OM和EC。灰霾天气状况下硝酸铵盐对消光系数的贡献明显增多,体现了灰霾天气机动车尾气排放对能见度降低的较大贡献。本研究提出重构更适用于本地的IMPROVE消光系数经验方程,并结合数值模型进行灰霾天气预报的初步方案。