2013年夏季華北鄉(xiāng)村站點(diǎn)固城大氣氨變化特征

孟昭陽(yáng) 謝育林 賈詩(shī)卉 張 蕊 林偉立 徐曉斌 楊 文

1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院大氣成分研究所 中國(guó)氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)2)(北京科技大學(xué)，北京 100083) 3)(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)4)(北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037) 5)(中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081)

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2013年夏季華北鄉(xiāng)村站點(diǎn)固城大氣氨變化特征

孟昭陽(yáng)1)*謝育林2)賈詩(shī)卉1)張 蕊3)4)林偉立5)徐曉斌1)楊 文3)

1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院大氣成分研究所 中國(guó)氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)2)(北京科技大學(xué)，北京 100083)3)(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)4)(北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037)5)(中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081)

NH3； PM2.5主要水溶性離子； 氨轉(zhuǎn)化率； 華北鄉(xiāng)村站點(diǎn)

引 言

氨氣(NH3)作為大氣中唯一重要的堿性氣體，對(duì)中和大氣中的酸性物質(zhì)起關(guān)鍵作用。NH3在中和酸性物質(zhì)的同時(shí)可生成二次氣溶膠，對(duì)霾污染形成有很大貢獻(xiàn)，從而對(duì)大氣能見度和人體健康產(chǎn)生危害[1]。大氣NH3既有自然源也有人為源，自然源主要是植物、土壤、動(dòng)物和生物質(zhì)燃燒的排放等[2]，人為源主要是農(nóng)田化肥的揮發(fā)、家畜廢棄物細(xì)菌分解以及工業(yè)和交通排放等[3]。

華北地區(qū)是我國(guó)大氣污染最嚴(yán)重的區(qū)域之一，高度的工業(yè)化、密集的城市群和高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)活動(dòng)等使該區(qū)域的大氣環(huán)境處于顯著的人為和自然排放影響之中[4-7]。董文煊等[8]發(fā)現(xiàn)，我國(guó)大氣NH3排放主要集中在人口密集和經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的地區(qū)，2006年河北省和北京市NH3排放強(qiáng)度分別是5.51 t·km-2和5.03 t·km-2。上述地區(qū)NH3排放對(duì)華北地區(qū)細(xì)粒子污染有重要影響。雖然有少量涉及華北地區(qū)大氣NH3及其排放等方面的研究[8-11]，但目前對(duì)該地區(qū)不同類型點(diǎn)位NH3與細(xì)顆粒污染同步觀測(cè)研究鮮見報(bào)道。本文利用2013年夏季在河北鄉(xiāng)村站點(diǎn)固城站取得的高時(shí)間分辨率NH3和痕量氣體及PM2.5主要水溶性離子的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，探討NH3及痕量氣體與二次氣溶膠形成轉(zhuǎn)化的關(guān)系。

1 采樣簡(jiǎn)介

1.1 采樣地點(diǎn)

觀測(cè)工作在地處河北省定興縣的中國(guó)氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(簡(jiǎn)稱固城站，39°08′N，115°40′E，海拔為15.2 m)進(jìn)行。該站位于北京西南約110 km處，距天津市130 km，距河北省保定市35 km，站點(diǎn)周邊主要是農(nóng)田及散布的村莊。

該站地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為12.2℃，平均年降水量為528 mm，降水主要集中在6—9月，主要農(nóng)作物為冬小麥和夏玉米，更多有關(guān)站點(diǎn)詳情參見文獻(xiàn)[12-15]。

1.2 樣品采集

NH3和其他痕量氣體以及PM2.5水溶性離子的數(shù)據(jù)來自2013年6—8月在固城站的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。NH3觀測(cè)采用美國(guó)Los Gatos Research公司DLT-100型NH3分析儀，其精度為0.2×10-9(100 s平均)，24 h零點(diǎn)漂移小于0.2×10-9，測(cè)量范圍0～2000×10-9，本次測(cè)量數(shù)據(jù)記錄平均時(shí)間為100 s。該儀器基于離軸積分腔輸出光譜技術(shù) (OA-ICOS)，同時(shí)測(cè)量光衰蕩時(shí)間和測(cè)量通過光腔時(shí)間積分光強(qiáng)，使測(cè)量結(jié)果更符合Beer-Lambert定律。分析儀在實(shí)驗(yàn)室用溯源NIST標(biāo)準(zhǔn)的NH3氣(Scottgas, USA)校準(zhǔn)。為便于分析，將2013年6月1日—8月31日NH3原始數(shù)據(jù)處理為小時(shí)平均值，參與本研究討論的NH3小時(shí)平均數(shù)據(jù)共1987個(gè)。該站點(diǎn)有長(zhǎng)期的常規(guī)氣體(SO2，NOX和O3)和常規(guī)氣象要素觀測(cè)。氣體數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制主要由日常零跨檢查、定期多點(diǎn)校準(zhǔn)和日常巡檢等措施完成，詳細(xì)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制信息參見文獻(xiàn)[12]。

2 結(jié)果與分析

表1 2013年6月1日—8月31日固城站氣體和氣溶膠組分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Table 1 Statistics of observed gases and aerosol components from 1 Jun to 31 Aug in 2013 at Gucheng Station

2013年6月、7月和8月固城站NH3平均體積分?jǐn)?shù)分別為28.4×10-9，73.9×10-9和26.4×10-9。2013年夏季固城站NH3體積分?jǐn)?shù)高于同處于華北地區(qū)的北京城市站點(diǎn)(中國(guó)氣象局站，39°56′N，116°24′E，海拔為50 m)2009年夏季NH3(33.5×10-9)[9]。固城站NH3主要來自農(nóng)作物施肥等農(nóng)業(yè)源以及牛羊的放牧活動(dòng)等，同時(shí),夏季的高溫使NH3易于從土壤、動(dòng)植物和垃圾中揮發(fā)。

對(duì)農(nóng)田中NH3通量的觀測(cè)證明，化肥施用會(huì)造成NH3向大氣中的排放[17]。觀測(cè)期間正值固城站進(jìn)行小麥?zhǔn)崭詈陀衩撞シN。固城站有8.67 hm2農(nóng)田，6月下旬邊播種玉米邊施復(fù)合肥，施肥量約為600 kg/hm2。7月下旬對(duì)玉米進(jìn)行追肥，施尿素225～300 kg/hm2。追肥后，出現(xiàn)1次降水過程，使土壤濕度增大，造成土壤中氮肥轉(zhuǎn)化揮發(fā)，導(dǎo)致大量NH3排放到大氣中。7月27日夜間開始NH3體積分?jǐn)?shù)急劇上升，28日07:00(北京時(shí)，下同)達(dá)822.0×10-9。29日04:00 NH3達(dá)到夏季最高值862.9×10-9，NH3體積分?jǐn)?shù)在29日06:00出現(xiàn)觀測(cè)期間次高值832.5×10-9。7月28—29日NH3日平均體積分?jǐn)?shù)分別為337.6×10-9和328.6×10-9。7月NH3平均體積分?jǐn)?shù)顯著高于其他月份與農(nóng)田施肥活動(dòng)以及該月平均氣溫最高(26.6℃)相一致。由于化肥施用造成NH3向大氣排放的影響，2013年7月固城站NH3體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于北京城市站點(diǎn)2009年7月體積分?jǐn)?shù)(45.0×10-9)。固城站2013年6月和8月NH3體積分?jǐn)?shù)則略低于北京城市站點(diǎn)2009年6月和8月的體積分?jǐn)?shù)，這可能與夏季高溫增加了北京城市站點(diǎn)大氣中NH3從生物源,如人類活動(dòng)、城市污水處理和垃圾填埋等的排放有關(guān)。

與堿性氣體NH3不同，2013年7月和8月固城站酸性氣體SO2和NOX體積分?jǐn)?shù)較低，平均值分別為2.91×10-9和13.5×10-9，主要由于夏季高溫多雨，SO2和NOX快速光化學(xué)轉(zhuǎn)換和降水清除及更好的大氣擴(kuò)散條件造成的。6月SO2和NOX體積分?jǐn)?shù)分別為7.0×10-9和15.4×10-9，可能受到農(nóng)田秸稈燃燒等活動(dòng)影響[15]。對(duì)于二次污染物O3來說，夏季在太陽(yáng)輻射強(qiáng)、前體物較多的情況下，光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，產(chǎn)生了較多O3，使其濃度升高，固城站2013年6月O3體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最高(44.3×10-9)。固城站夏季溫度高濕度大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，大氣光化學(xué)反應(yīng)活躍，為二次顆粒物(硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等) 的形成提供了有利條件。同時(shí)，夏季固城站相對(duì)較低體積分?jǐn)?shù)的SO2和NOX也成為生成二次顆粒物的限制因素。

圖1 2013年夏季固城站NH3與PM2.5中的相關(guān)性 in summer of 2013 at Gucheng Station

2.2 NH3和PM2.5中主要水溶性離子日變化

圖2 2013年夏季固城站和氣象因子日變化meteorological factors in summer of 2013 at Gucheng Station

2.3 SO2,NOX和NH3與硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽的關(guān)系

表2 2013年夏季固城站硫氧化率、氮氧化率和氨轉(zhuǎn)化率Table 2 Sulfur oxidation ratio, nitrogen oxidation ratio and ammonia conversion ratio in summer of 2013 at Gucheng Station

表3 2013年夏季固城站硫氧化率、氮氧化率和氨轉(zhuǎn)化率與氣象因子相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation of sulfur oxidation ratio, nitrogen oxidation ratio and ammonia conversions ratio to meteorological factors in summer of 2013 at Gucheng Station

2.4 個(gè)例分析

2.4.1 時(shí)間序列變化

圖3 2013年8月7—11日固城站與氣象因素的時(shí)間變化序列meteorological factors from 7 Aug to 11 Aug in 2013 at Gucheng Station

2.4.2 主要離子相關(guān)性及存在形式

圖4 2013年8月7—11日固城站與和的相關(guān)性from 7 Aug to 11 Aug in 2013 at Gucheng Station

3 結(jié) 論

通過對(duì)2013年夏季固城站NH3和PM2.5中主要水溶性離子變化特征的研究，得到以下結(jié)論：

2) NH3體積分?jǐn)?shù)在夏季有明顯的日變化且呈單峰特征。NH3體積分?jǐn)?shù)峰值出現(xiàn)在09:00，最低值出現(xiàn)在19:00。

致 謝：感謝中國(guó)氣象科學(xué)研究院王瑛、張華龍、何心河、彭偉、中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院孫如峰和河北省固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站工作人員協(xié)助觀測(cè)。

Characteristics of Atmospheric Ammonia at Gucheng, a Rural Site on North China Plain in Summer of 2013

Meng Zhaoyang1)Xie Yulin2)Jia Shihui1)Zhang Rui3)4)Lin Weili5)Xu Xiaobin1)Yang Wen3)

1)(KeyLaboratoryforAtmosphericChemistry,InstituteofAtmosphericComposition,
ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081)2)(UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083)3)(ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012)4)(BeijingMunicipalResearchInstituteofEnvironmentalProtection,Beijing100037)5)(MeteorologicalObservationCenterofCMA,Beijing100081)

NH3; water-soluble ions in PM2.5; ammonia conversion ratio; a rural site on North China Plain

10.11898/1001-7313.20150202

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21377165),公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201206015)，中國(guó)氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)重點(diǎn)項(xiàng)目(2013Z007)

孟昭陽(yáng)，謝育林，賈詩(shī)卉,等. 2013年夏季華北鄉(xiāng)村站點(diǎn)固城大氣氨變化特征. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(2)：141-150.

2014-11-04收到， 2014-12-31收到再改稿。

* email: mengyz@cams.cma.gov.cn