使用CALPUFFSYSTEM预测PM2.5案例说明

1. 气溶胶概念和分类

气溶胶是指液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。所谓液体或固体颗粒，是指粒子的动力学直径在0.003～100um范围的液滴或固态粒子。

大气气溶胶的形状很复杂，液体颗粒物近似于球形，固体颗粒物形状不规则，有片状、柱状、结晶体、针状、雪花状等。

大气气溶胶颗粒物的大小（又称粒径）是颗粒物重要性质之一。它反映了颗粒物的来源，影响光的散射性质和气候效应，大气颗粒物许多重要的性质（如体积、质量和沉降速率等）都与粒子大小有关。

最简单的几何体是球体，用一维尺度-球体直径（或半径）就能确定其大小，因此，在度量大气气溶胶颗粒物大小时，采用简单的等效直径办法。颗粒物的粒径用D平、d或dp表示，单位为um或nm。应该指出各种等效直径描述的不是单个粒子的粒径，而是粒子群的统计特征。

根据测量方法和研究目的不同，定义了几种几何意义不同的等效直径（各种等效直径描述的不是单个粒子的粒径，而是粒子群的统计特征），主要有：

• 光学等效直径：与直径为Dp的球形粒子具有相同的光散色能力的不规则粒子，定义Dp为所研究粒子的光学等效直径。粒子的光散射能力与光波波长有关，一般以55μm绿光作为标准
• 体积等效直径或几何直径：与直径为Dp的球形粒子具有相同体积的不规则粒子，定义Dp为所研究粒子的体积等效直径。
• 空气动力学等效直径：与直径为Dp且密度为1g/cm3的球形粒子具有相同终端降落速度的不规则粒子，定义Dp为所研究粒子的等效空动力学直径。

 

按气溶胶粒径大小分

• 总悬浮颗粒物TSP：用标准大容量采样器（流量在1~1.7m3/min）在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物。
• 飘尘： 可在大气中长期漂浮的悬浮物。主要是粒径小于10μm的颗粒物。
• 降尘：用降尘罐采集到的大气颗粒物
• 可吸入颗粒物PM10：美国环保局1978年引用了米勒等人所定的可进入呼吸道的粒径范围，把粒径Dp≤15μm的粒子称为可吸入粒子。国际标准化组织建议将IP定位粒径Dp≤10μm的粒子。
• 细粒子或PM2.5：根据气溶胶粒子的组成及来源随着粒径大小而明显不同的特点，也可以将气溶胶粒子分为细粒子（Dp≤2.5μm）和粗粒子（Dp>2.5μm）两大类。

2.PM_2.5分类

对流层气溶胶主要来自于人类活动，化学组分可以分为无机组分和有机组分，包括：硫酸盐、铵盐、氯盐、微量金属、含碳物质、地壳元素和水等。

2.1.气溶胶粒子的无机物

（一）二次水溶性离子

• 硫酸盐SO₄^2-
  • 来源：光化学反应典型产物等
  • 海洋：气态前体物为浮游植物产生的二甲基硫（DMS）
  • 大陆：气态前体物为人为排放SO₂，主要来自化石燃料燃烧（电力生产、工业生产和移动源）
  • 反应机制：均相氧化、非均相氧化（OH）
  • 危害：降水酸化、进入呼吸道、影响能见度、气候效应
• 硝酸盐NO₃^–
  • 来源：光化学反应典型产物
  • 天然：土壤、森林火灾、闪电
  • 人为源：气态前体物为人为排放NOx，主要来自化石燃料燃烧（电力生产、工业生产和移动源）
  • 反应机制：海边，气态硝酸与海盐反应生成硝酸钠，存在粗粒子中；
  • 城市大气，气态硝酸与氨中和生成硝酸氨，存在细粒子中。由于硝酸氨的易挥发性，化学规律不易把握。
•  铵盐NH₄⁺
  • 来源：植物活动、动植物腐烂、土壤微生物等、工业排放
  • 形成机制：气态氨与二次污染物硫酸和硝酸结合，形成硫酸铵和硝酸铵，是大气颗粒物细粒子极为重要的组成部分

（二）其它水溶性离子组分

• 氯离子（Cl^–）
  • 来源：海盐粒子，主要存在于粗模态中
  • 化石燃料（如煤）燃烧，存在细粒子中
• 钠盐（Na⁺）
  • 来源：海水，沿海地区几乎全部来自于海洋
  • 以粗模态存在，常被作为海洋源的参比元素
• 钾盐（K⁺）
  • 来源：生物质燃烧，主要以细粒子存在，去掉天然土壤中钾的干扰，细粒子钾是非常灵敏的生物质燃烧的指示剂
• 钙盐（Ca₂⁺）
  • 来源：土壤，是土壤扬尘的标识元素，以粗模态存在，道路扬尘和建筑尘中也含有较多Ca2+。
• 镁盐（Mg₂⁺）
  • 既有海洋源的贡献，又有土壤源的贡献，都分布在粗粒子中，含量相对较低。

2.2      气溶胶粒子中的有机物

气溶胶粒子中的有机物（particulate organic matter, POM)粒径一般较小，多数分布在0.1~5μm的范围内，其中55~70%的粒子集中在小于2 μm的范围，属于细粒子范畴。
从化学组成上看，有许多对人体有致癌危害的物质，如多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)和亚硝胺类化合物，70~90%在小于等于3.5 μm范围脂肪烃和羟酸  80~90%在小于等于3 μm范围。有机物约占颗粒物总质量的10~50%。

（一）气溶胶中的有机碳和元素碳

气溶胶中的有机物按测量方法定义为有机碳（OC）和元素碳（EC）。大气颗粒物粒子中，元素碳一般被有机物包裹在内部，有机物可以单独存在，元素碳通常随着有机碳研究一起进行。
Gray等建议：有机碳浓度乘以一个因子1.2~1.4来计算与此有机物相关的总有机物的质量浓度，有机碳被认为是表征颗粒有机物浓度水平的一个指标。

 

（二）气溶胶中有机物的化学组成

颗粒物中的有机组分是数百种有机化合物组成的混合物，按其来源可分为两类：一类是以颗粒物形式直接排放到大气的一次有机物，如植物蜡、树脂、长链烃等；另一类是通过人为和生物排放的挥发性有机物的气粒转化生成的二次多官能团氧化态有机物。

目前基于GC-MS测定方法和技术水平已经鉴别出来的颗有机物包括正构烷烃、正构烷酸、正构烷醛、脂肪族二元羟酸、双萜酸、芳香族多元羟酸、多环芳烃、多环芳酮、多环芳醌、甾醇化合物、含氮化合物、规则的甾烷、五环三萜烷（藿烷）以及异和反异烷烃等。

不同来源、不同地区，颗粒有机物的浓度水平存在很大差异，城市地区明显高于乡村和边远地区

目前鉴别出来的几百种有机物，总共仅占颗粒有机物质量的10~40%，未鉴别出的部分包括腐植酸、高分子化合物高极性化合物和不能分辨的环烷烃和支链烷烃混合物

 

气溶胶中的水溶性有机物

水溶性有机物（WSOC)，即用水能够提取下来的颗粒物中的有机物，可占POM的20~70%。因为吸湿性和作为云凝结核（CNN) 的能力，环境效应十分重要。在一些背景地区，浓度可相当或高于无机离子组分。WSOC占颗粒物中有机物的50~80%，占颗粒物水溶性部分的20~50%。

图1  欧洲大陆不同地区大气细粒子的化学组成

（a）背景地区；（b）乡村地区；（c）污染地区

• WSOC组成十分复杂，从分子水平上经常被测定出来的物种只有低相对分子质量一元羟酸和二元羟酸、酮酸、醛酸醇类、醛类、多羟基化合物，其中含量最丰富的是二元羟酸城市中可占到WSCO的4~14%。二元羟酸中，除南极外，其中乙二酸含量最高，其次是丁二酸和丙二酸，随着碳数增加，含量降低。二元羟酸是海洋大气颗粒中WSOC的重要组成
• WSOC特点：极性强；具有多官能团，大都具有两种以上的官能团，生成与复杂的大气氧化反应；蒸汽压低，在大气中倾向于分配于颗粒相中。
• 二元羟酸、酮酸、二羟基化合物等低相对分子质量有机物普遍存在于大气颗粒物中，但只占WSOC的一小部分。
• WSOC中未鉴别出的物种可能包括：微溶于水的物质，在水中浓度过低，不足以检测现有的分析方法不能分离鉴别的物种，估计包括多羟基化合物、氨基酸和其它一些多官能团化合物，例如大分子化合物纤维素和高分子聚合物-类腐殖质。

 

气溶胶中有机物的来源

颗粒有机物和元素碳的主要人为源是化石燃料和生物质的不完全燃烧，主要天然源是植物排放和天然大火。

• 一次来源：燃烧源、化学源、地质(石油)源和天然（生物）源。具体如：植物分解和分散、细菌、病毒、真菌孢子、海水非墨，土壤或干湖风蚀、生物质和化石燃料燃烧。
• 二次来源： 一般挥发性有机物在大气中具有氧化为二次有机颗粒物的潜力。作为水溶性有机物存在于大气颗粒物中的有：二元羟酸、二羟基化合物、酮酸、氨基酸等

3.PM_2.5的CALPUFF预测

对于一次PM_2.5预测，CALPUFF内置污染物中直接存在，用户直接输入一次PM2.5的源强就可以预测。对于二次PM_2.5预测，CALPUFF内置了几种化学转化方案来进行处理，CALPUFF的化学转化方案主要为下列三种：

• MESOPUFFII方案
• RIVAD/ARM3方案
• 二次有机气溶胶SOA方案

其中MESOPUFFII方案和RIVAD/ARM3方案可以预测PM_2.5的无机部分，二次有机气溶胶SOA方案可以预测PM2.5的有机部分。
对于无机部分计算出的污染物SO₄^2-和NO₃^–，将其按照PM_2.5计算浓度时以硫酸铵和硝酸铵的浓度计算。
这样总PM_2.5的浓度等于一次PM_2.5浓度加上硫酸铵和硝酸铵的浓度。

4.环安CALPUFF软件设置

双击“污染物选项”选择项目污染物，并输入对应参数。软件列出的是常用污染物，可以点击添加按钮添加所需污染物。此处用户应考虑是否考虑污染物的干湿沉降，软件内部已有CALPUFF提供的默认值。

 

本次案例预测二次PM2.5，污染物至少需要选择以下五种：SO₂、NO_X、HNO₃、SO₄、NO₃。其中SO₂、NO_X为前体物，HNO₃、SO₄、NO₃为生成物，SO₄、NO₃为二次PM2.5，计算浓度时以[NH₄]₂SO₄、NH₄ NO₃计。