摘 要

大气细颗粒物（PM2.5）粒径小，面积大，活性强，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量有重大影响。本研究主要是对武汉市城区致霾细粒子的化学组成及其来源进行分析，总结无机元素、水溶性离子以及有机碳碳（OC）、元素碳（EC）时间变化规律，并利用CMB受体模型及HYSPLIT气团轨迹模型进行源解析。

采样点PM2.5平均质量浓度秋季最高，其次是冬季，夏季最低。但夏季PM2.5质量浓度波动最大。PM2.5中主要含有K、Al、Na、Ca、Mg、Fe五种无机元素，且各季节主要无机元素种类各不相同。秋冬两季OC/EC大于2，但春夏OC/EC的值仅分别为1.589和1.642，二次污染物含量极低，此时污染物主要来源于污染源的直接排放。本研究中无机元素所占最大比重出现在夏季（12%）。SO₄^2-离子所占比重秋季最低（7%）。冬季NO₃^-离子所占比重（15%）明显高于其他三个采样阶段。NH⁴ 夏冬两季所占比重较高（分别为15%、11%），而春季和秋季都仅占到4%。有机碳（OC）和元素碳（EC）在四个采样阶段分别占到14%、14%、12%、15%的比重。本研究中汽车尾气排放是PM2.5中有机碳的最主要来源。燃煤和肉类烹饪同样对有机碳含量有较高的贡献。武汉大气夏季主要受海洋型气团的影响，而春、秋、冬季则主要受陆地型气团的影响，且源自武汉周边省市的传输气流的影响最大。

关键词：PM2.5，无机元素，水溶性离子，OC，EC，时空变化，源解析

Abstract

Fine particles (PM2.5) have small size, large area, high activity, and easy to carry toxic and harmful substances.Because of these , PM2.5 has a great impact on human health and the quality of atmospheric environment.The purpose of this study is to analyze the chemical composition and source of Wuhan City haze caused by fine particles.The variation regulation of inorganic element, water soluble ion, organic carbon (OC) and elemental carbon (EC) with time is summarized.Source analyses dealt with CMB model and HYSPLIT model are described herein.And the feasible suggestions of the prevention and management of haze are put forward as well.

The average concentration of PM2.5 was the highest in autumn, followed by winter, and the lowest in summer.But the maximum fluctuation of PM2.5 mass concentration exists also in summer.PM2.5 mainly contains K, Al, Na, Ca, Mg, Fe five kinds of inorganic elements,And the main types of inorganic elements in each season are different., the highest concentration of OC exist in autumn and winter , and the lowest exist in summer（5.957ug/m³）.The concentration of EC was higher in the three season(spring, autumn and winter) , and the lowest in summer (3.628 ug/m³).Autumn’s and winter’s OC/EC are greater than 2, but the value of spring and summer OC/EC were only 1.589 and 1.642, respectively.At this time, secondary pollutants content is very low, the main source of pollutants comes from the direct emissions.The largest proportion of inorganic elements in this study appeared in summer (12%).SO₄^2- ions accounted for the lowest proportion in the fall (7%).The proportion of NO₃^- ions in winter (15%) was significantly higher than that of the other three periods.The proportion of NH₄ was higher in summer and winter(15% and 11% respectively),but only 4% in spring and autumn.Organic carbon (OC) and elemental carbon (EC) accounted for 14%, 14%, 12%, and 15% respectively in the four sampling periods.Automobile exhaust emission is the main source of organic carbon in PM2.5.Coal and meat cooking also contribute to the organic carbon content.Influence of atmosphere is mainly affected by marine air masses in summer,but is mainly affected by the land air masses in spring,autumn and winter in Wuhan.And the long distance transmission from the surrounding provinces and cities in Wuhan province has the greatest impact.

Keywords: PM2.5, inorganic elements, water-soluble ions, OC, EC,

temporal and spatial variation, source apportionment

目 录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3 国内外空气质量标准 1

第2 章PM2.5采样及分析 3

2.1 采样点布设 3

2.2 采样方法 4

第3章 PM2.5浓度特征 4

第4章 细粒子中无机元素污染特征 8

第5章 细粒子中水溶性离子分布特征 9

5.1 主要水溶性离子时间分布特征 9

5.2 水溶性离子空间分布特征 10

第6章 细粒子中碳质组成分布特征 11

6.1 有机碳和元素碳时间分布特征 12

6.1.1 有机碳（OC）的季节变化特征 12

6.1.2 元素碳（EC）的季节变化特征 14

6.1.3 OC/EC的季节变化特征 17

6.2 有机碳和元素碳的相关性分析 17

第7章 PM2.5的化学物种构成 20

第8章 PM2.5物种来源解析 23

8.1 基于CMB受体模型的内源解析 23

8.1.1 源模型与受体模型对比研究 23

8.1.2 CMB受体模型原理 23

8.1.3 CMB模型的拟合优度诊断 24

8.1.4 各采样阶段源解析结果分析 25

8.2 基于HYSPLIT气团轨迹模型的外源解析 27

8.2.1 模型计算原理 27

8.2.2 后向轨迹模拟流程 28

8.2.3 气团轨迹解析结果 28

第9章 结论 33

参考文献 35

致谢 37

附录 38

1 绪论

1.1 研究背景

近年来，武汉大力推动经济发展，力争成为中部崛起模范城市，并于2015年荣获第四届“全国文明城市”称号。但武汉市的空气质量状况仍处于恶化当中，过去几年间常处于全国大型城市末位。政府也在为改善空气质量而努力，2016年5月12日最新出台的“拥抱蓝天行动考核奖惩办法”，对15个功能区（武汉经济技术开发区、东湖生态旅游风景区、黄陂区、洪山区等）进行月度考核和年度考核，奖惩资金用于大气环境保护和污染防治工作，这也从侧面反映出武汉的空气质量状况依然严峻，尤其城区雾霾对居民健康有极大影响。本研究主要关注雾霾中的细粒子成分（PM2.5），并对其化学组分和来源进行分析测定，以期总结各组分的时间和空间变化规律，为雾霾治理提供依据。

1.2 研究目的及意义

本文以武汉市为例，对某交通区（洪山区）一年以来的PM2.5观测数据进行整合分析,以达到如下目的：（1）熟练PM2.5样品采集技术；（2）掌握PM2.5样品的化学组成分析；（3）总结PM2.5污染季节性分布特征；（4）进行基于CMB模型和HYSPLIT模型的源解析。 

由于城市雾霾会大面积扩散且变化频繁，因此对其来源进行解析，才能对城市空气质量标准的制定提供可靠依据，对科学有效的开展雾霾防治工作具有重要意义。

1.3 国内外空气质量标准

随着对大气颗粒物危害的深入研究，世界各国对相关控制标准的制定也越来越严格。以美国为例，美国环境保护局（USEPA）分别于1971年、1987年及1997年出台了越来越严格的环境空气质量标准，如表1.1所示^[1]。