研究室在关中大气OVOCs和有机气溶胶形成和演化研究中取得进展

时间:2023-12-28  来源: 打印
  自2013年《大气污染防治行动计划》(大气十条)实施以来,我国落实了严格的排放控制战略,通过加快产业结构、能源结构、交通运输结构和用地结构调整,使得主要的人为排放大气污染物(如SO2、CO、粉尘等)持续降低,空气质量得到显著改善。减排措施也使得我国大气气溶胶的化学组成发生改变,其中无机物的占比下降而有机物的占比迅速升高。此外,由于NOx的下降趋势较弱,VOCs仍呈升高趋势,我国大气中O3污染问题进一步凸显。因此研究我国大气VOCs和有机气溶胶的形成和演化过程,对实现我国大气PM2.5和O3协同管控具有重要的科学指导意义。

  关中地区近年来空气质量同样获得较大的改善,但O3和PM2.5仍是关中大气污染的两大重要贡献因子。中国科学院地球环境研究所粉尘与环境研究室李建军研究员课题组近年来一直致力于关中地区大气中气粒两相有机组分的研究,并取得一些最新进展,主要包括:

  (1)以位于关中盆地东部边界的华山作为研究对象,在华山山顶(2060 m a.s.l)和山脚(402 m a.s.l)开展OVOCs和有机气溶胶同步观测,探究其垂直分布特征及其对PM2.5和O3形成的影响。结果表明,夏季在白天谷风的影响下,地表排放的大气组分(包括气相羰基化合物、颗粒相有机及无机组分等)可以从山脚垂直传输到山顶,从而影响自由对流层大气环境。人为排放污染物的输送对山顶羰基有重要的贡献,甲醛、乙醛、乙二醛和甲基乙二醛对华山地区对流层O3的形成有显著贡献。两个站点草酸的形成机制存在差异,山顶为mGly-Pyr-ωC2-C2,山脚则为Gly-ωC2-C2。乙二醛和甲基乙二醛的理论气粒分配系数低于实际外场观测值6-7个数量级。

  (2)分析西安市冬季典型污染事件PM2.5中PAHs和OPAHs的分子组成和稳定碳同位素贡献,首次发现PAHs稳定同位素组成对指示PAHs老化具有重要的作用。关注关中平原农村地区有机气溶胶(OA)的来源,证实生物质燃烧是关中平原农村地区OA的主要来源,尤其是在冬季。化石燃料源排放在夏季和冬季的贡献相当,但夏季二次生成的贡献比冬季更为显著。雾霾期OA增长的主要原因是相对稳定的大气条件下,生物质燃烧、燃煤等直接排放源排放的POA的积累,而非SOA的生成。

  (3)分析西安市典型住宅社区室内外空气中的20种羰基化合物,发现室内羰基化合物总浓度是室外的1.4—3.4倍。室内羰基化合物的浓度在供暖季节比非供暖季节高,而室外羰基化合物的浓度在非供暖季节比供暖季节高。室内羰基污染主要受建筑材料、烹饪油烟和木质家具的影响。室内空气中的甲醛暴露对儿童的健康风险比乙醛暴露更大。高分子量醛类化合物是室内气味污染的主要贡献者,被认为是“建筑病”的重要原因。

  这些成果近期发表于大气环境研究主流期刊Science of the Total EnvironmentAtmospheric ResearchIndoor Air等期刊上,工作得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、中国科学院西部之光项目以及中国科学院青促会等项目的联合资助。

  文章详见:

  [1] M. Shen, W. Qi, X. Guo, W. Dai, Q. Wang, Y. Liu, Y. Zhang, Y. Cao, Y. Chen, L. Li, H. Liu, J. Cao, J. Li, Influence of vertical transport on chemical evolution of dicarboxylic acids and related secondary organic aerosol from surface emission to the top of Mount Hua, Northwest China, Science of The Total Environment, 858 (2023) 159892. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.159892.

  [2] Y. Zhang, W. Dai, J. Li, S.S.H. Ho, L. Li, M. Shen, Q. Wang, J. Cao, Comprehensive observations of carbonyls of Mt. Hua in Central China: Vertical distribution and effects on ozone formation, Science of The Total Environment, 907 (2024) 167983, 0048-9697. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167983.

  [3] Q. Feng, H. Liu, W. Dai, Y. Cao, M. Shen, Y. Liu, W. Qi, Y. Chen, X. Guo, Y. Zhang, L. Li, B. Zhou, J. Li, Comparison of chemical composition and acidity of size-resolved inorganic aerosols at the top and foot of Mt. Hua, Northwest China: The role of the gas-particle distribution of ammonia, Science of The Total Environment, 905 (2023) 166985. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166985.

  [4] L. Li, W. Dai, M. Shen, X. Niu, T. Hu, J. Duan, J. Cao, Z. Shen, K.F. Ho, J. Li, Molecular Characteristics, Sources, and Health Risk Assessment of Gaseous Carbonyl Compounds in Residential Indoor and Outdoor Environments in a Megacity of Northwest China, Indoor Air, 2023 (2023) 7769354. https://doi.org/10.1155/2023/7769354.

  [5] W. Qi, Y. Zhang, M. Shen, L. Li, W. Dai, Y. Chen, Y. Liu, X. Guo, Y. Cao, X. Wang, Y. Jiang, J. Li, Comparison of Gas-Particle Partitioning of Glyoxal and Methylglyoxal in the Summertime Atmosphere at the Foot and Top of Mount Hua, Molecules, 28 (2023) 5276. https://doi.org/10.3390/molecules28135276.

  [6] J. Li, X. Wang, W. Dai, W. Qi, H. Liu, M. Shen, Y. Liu, X. Guo, Y. Zhang, L. Li, Y. Cao, L. Li, Y. Chen, Q. Feng, Molecular compositions and stable carbon isotopes (δ13C) of PAHs in wintertime PM2.5 in urban Xi'an, China: Implications for source distribution and atmospheric oxidation, Atmospheric Research, 292 (2023) 106890.  https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2023.106890.

  [7] Liu, Y., Shen, M., Liu, H., Dai, W., Qi, W., Zhang, Y., Li, L., Cao, Y., Wang, X., Guo, X., Jiang, Y., Li, J., 2024. Molecular compositions and sources of organic aerosols at a rural site on the Guanzhong Plain, Northwest China: The importance of biomass burning. Particuology 89, 44-56.  https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.10.014.

   

  图1 华山山顶和山脚相对湿度、温度、臭氧浓度、PM2.5浓度、二羧酸、酮羧酸和α-二羰基的昼夜变化

   

  华山山顶和山脚羰基化合物的平均浓度和臭氧生成潜势

   

  西安冬季PM2.5中PAHs稳定碳同位素组成随浓度变化的相关性分析