摘 要

天津，作为四大直辖市之一，毗邻北京，濒临渤海，具备得天独厚的地理优势。然而城市在发展的过程中工业、交通给该区域带来了不良的环境影响，大气细颗粒物污染严重。大气气溶胶通过影响大气辐射、大气化学及云和降水过程，改变地水气系统内部的辐射能量收支和水循环，对全球气候和环境变化产生巨大影响为了探讨天津市大气细颗粒污染污染程度，了解细颗粒气溶胶PM_2.5中有机碳和元素碳的污染状况，本研究对天津武清地区进行了四季的监测活动，分析数据结果，得出如下结论：

1）天津武清地区在采样期间四季PM_2.5平均浓度分别为133.5 μg m^-3、119.3 μg m^-3、111.7 μg m^-3、227.0 μg m^-3，四季PM_2.5浓度均超过我国新空气质量标准（GB 3095-2012）中PM_2.5的日平均浓度限值(75 μg m^-3)，四季PM_2.5浓度高低顺序为：冬季 gt; 春季 gt; 夏季 gt; 秋季。

2）天津武清地区在采样期间四季PM_2.5中OC浓度分别为9.56 μg m^-3、5.87 μg m^-3、12.55 μg m^-3、27.29 μg m^-3，四季OC浓度高低顺序为：冬季 gt; 秋季 gt; 春季 gt; 夏季；在采样期间EC浓度分别为1.48 μg m^-3、0.33 μg m^-3、1.65 μg m^-3、1.92 μg m^-3，四季EC浓度高低顺序为：冬季 gt; 秋季 gt; 春季 gt; 夏季，可发现采样期间OC、EC浓度四季变化趋势是一致的。

3）通过后向轨迹分析，发现天津武清地区上空的气团主要是从西北、东北方向，具体是从俄罗斯、蒙古、内蒙古、哈萨克斯坦、北京等地传输过来的。

结果表明，天津武清地区细颗粒气溶胶PM_2.5污染较大，冬季最为严重，且大气中含碳气溶胶污染程度较大，存在二次有机碳，同样是冬季最为严重。

关键词：PM_2.5；有机碳；元素碳；后向轨迹

Abstract

Tianjin, as one of four municipalities, has the geographical advantage of approaching Beijing and the Bohai Sea. During the development of cities, industry and traffic bring much adverse influence to this place, and its atmosphere had been polluted seriously by fine particulate matter. Atmospheric aerosol would have tremendous impact on the global environmental and climate change through influencing radiation, atmospheric chemistry, cloud/precipitation processes and shifting the balance of the radiation energy and water cycle. In order to discuss the seriousness of being polluted in Tianjin’s air and know the polluted condition by organic carbon, elemental carbon in the fine particles PM_2.5, the air investigation of Tianjin Wuqin region had been carried on during four seasons. And after analyzing the samples, we came to the conclusions as followings:

1. PM_2.5 concentration of four seasons was 133.5 μg m^-3, 119.3 μg m^-3, 111.7 μg m^-3, 227.0 μg m^-3 respectively in Tianjin Wuqing region. All of them were over the daily average concentration limitation of Chinese new air quality standard (GB 3095-2012). And seasonal variations of PM_2.5 concentration in the following order: winter gt; spring gt; summer gt; autumn.

2. The OC concentration in the PM_2.5 of four seasons was 9.56 μg m^-3, 5.87 μg m^-3, 12.55 μg m^-3, 27.29 μg m^-3 respectively in Tianjin Wuqing region, Clear seasonal variations of OC concentration in the following order: winter gt; autumn gt; spring gt; summer. In the meanwhile, The OC concentration in the PM_2.5 of four seasons during sampling was 1.48 μg m^-3, 0.33 μg m^-3, 1.65 μg m^-3, 1.92 μg m^-3 respectively, and seasonal variations of OC concentration in the following order: winter gt; autumn gt; spring gt; summer. Apparently, the change tendency of OC and EC concentration in four seasons is similar.

3. Backward air trajectory analysis implied that the air mass from westnorthern and eastnorthern direction contributed significantly to the concentration of PM_2.5, OC and EC. The detailed original regions of carbonaceous aerosols include Russia, Mongolia, Neimenggu province in China, Kazakhstan, Beijing, and so on.

We came to the conclusion that winter was the season in which aerosol was polluted worst by PM_2.5. In addition, Tianjin Wuqing region’s atmosphere contained second organic carbon, the highest concentration of which was occurred during winter judging from our investigation.

Key words: PM_2.5; organic carbon; elemental carbon; backward trajectory

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 气溶胶 1

1.1.1 气溶胶的基本组成 1

1.1.2 PM_2.5 1

1.1.2 含碳气溶胶 2

1.2 我国大气环境污染背景资料 2

1.2.1 我国细颗粒物污染状况 2

1.2.2 我国OC和EC污染状况 3

1.3 研究背景资料 3

1.3.1 地理位置 3

1.3.2 气候特征 4

第2章 实验部分 5

2.1 样品采集 5

2.1.1 采集地点、时间 5

2.1.2采样方法 5

2.1.3 质量的保证和控制 6

2.2 分析方法 7

2.2.1 PM_2.5质量浓度的分析方法 7

2.2.2 元素碳和有机碳的分析方法 7

2.2.4 后向轨迹分析 7

2.3 采样期间气象资料的收集整理 7

第3章 实验结果与讨论 9

3.1 武清地区PM_2.5中的含碳气溶胶 9

3.2 二次有机碳的估算 12

3.3 天津武清地区气团的后向轨迹 13

第4章 结论与展望 16

4.1 结论 16

4.2 展望 16

4.2.1 本研究不足之处 16

4.2.2 研究展望 16

附 录 18

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 气溶胶

1.1.1 气溶胶的基本组成

气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体颗粒物和液体共同组成的多相体系，是大气中重要的污染物之一。尽管气溶胶只是地球大气含量很少的组分，仅大约占10%，但其与全球环境和气候变化密切相关。大气气溶胶主要由矿物气溶胶，二次污染水溶性气溶胶，和碳质气溶胶组成^[1-3]。

1.1.2 PM_2.5

（1）PM_2.5概述

PM_2.5是指空气学当量粒径小于或等于2.5 μm的细颗粒物^[4]。由于PM_2.5颗粒细小，它能较稳定地悬浮于空气中，能进行较远距离的传输。PM_2.5的粒径小，比表面积大，易携带重金属、病毒，且易通过呼吸道系统进入人体肺泡，甚至进入血液，严重威胁到人类健康，乃至生物圈的健康发展。PM_2.5的化学成分包括可溶离子、无机元素、含碳物质（有机碳、元素碳、碳酸型碳、多环芳烃等）^[5]。

（2）PM_2.5来源

PM_2.5按照产生来源可以分为自然源和人为源，按照形成的过程可分为一次来源和二次来源。

a. PM_2.5产生来源

自然源包括土壤扬尘、海盐、植物花粉、孢子、细菌等。自然灾害中，如火山爆发向大气中排放了大量的烟灰，森林大火或裸露的草原大火及沙尘暴事件都会将大量细颗粒物输送到大气中。

人为源包括固定源和流动源。固定源包括发电站、冶金厂、石油加工厂、化学药品制造厂等各种工业过程、供热、烹调过程中燃煤与燃气或燃油排放的烟尘。流动源主要是指机动车燃油在燃烧的过程中向大气中排放的尾气，其中包含了大量的细颗粒物。PM_2.5可以由硫、氮的氧化物转化而成。而这些气体污染物往往是人类对化石燃料（煤、石油等）和垃圾的燃烧造成的。

b. PM_2.5的形成过程

一次来源是指颗粒物污染源直接排入大气中，而未发生任何化学反应而转化的细颗粒物。一次污染源主要包括道路扬尘、工业尾气、汽车尾气、餐厨烟气所排放的细颗粒物。二次来源主要是指气态污染物在大气环境中经过一系列物理、化学以及生物反应而生成的新的细颗粒物（PM_2.5）。

1.1.2 含碳气溶胶