2013年夏季华北乡村站点固城大气氨变化特征

孟昭阳 谢育林 贾诗卉 张 蕊 林伟立 徐晓斌 杨 文

1)(中国气象科学研究院大气成分研究所 中国气象局大气化学重点开放实验室，北京 100081)2)(北京科技大学，北京 100083) 3)(中国环境科学研究院，北京 100012)4)(北京市环境保护科学研究院，北京 100037) 5)(中国气象局气象探测中心，北京 100081)



2013年夏季华北乡村站点固城大气氨变化特征

孟昭阳1)*谢育林2)贾诗卉1)张 蕊3)4)林伟立5)徐晓斌1)杨 文3)

1)(中国气象科学研究院大气成分研究所 中国气象局大气化学重点开放实验室，北京 100081)2)(北京科技大学，北京 100083)3)(中国环境科学研究院，北京 100012)4)(北京市环境保护科学研究院，北京 100037)5)(中国气象局气象探测中心，北京 100081)

NH3； PM2.5主要水溶性离子； 氨转化率； 华北乡村站点

引 言

氨气(NH3)作为大气中唯一重要的碱性气体，对中和大气中的酸性物质起关键作用。NH3在中和酸性物质的同时可生成二次气溶胶，对霾污染形成有很大贡献，从而对大气能见度和人体健康产生危害[1]。大气NH3既有自然源也有人为源，自然源主要是植物、土壤、动物和生物质燃烧的排放等[2]，人为源主要是农田化肥的挥发、家畜废弃物细菌分解以及工业和交通排放等[3]。

华北地区是我国大气污染最严重的区域之一，高度的工业化、密集的城市群和高强度的农业活动等使该区域的大气环境处于显著的人为和自然排放影响之中[4-7]。董文煊等[8]发现，我国大气NH3排放主要集中在人口密集和经济发展较快的地区，2006年河北省和北京市NH3排放强度分别是5.51 t·km-2和5.03 t·km-2。上述地区NH3排放对华北地区细粒子污染有重要影响。虽然有少量涉及华北地区大气NH3及其排放等方面的研究[8-11]，但目前对该地区不同类型点位NH3与细颗粒污染同步观测研究鲜见报道。本文利用2013年夏季在河北乡村站点固城站取得的高时间分辨率NH3和痕量气体及PM2.5主要水溶性离子的同步观测数据，探讨NH3及痕量气体与二次气溶胶形成转化的关系。

1 采样简介

1.1 采样地点

观测工作在地处河北省定兴县的中国气象科学研究院固城生态与农业气象试验站(简称固城站，39°08′N，115°40′E，海拔为15.2 m)进行。该站位于北京西南约110 km处，距天津市130 km，距河北省保定市35 km，站点周边主要是农田及散布的村庄。

该站地处暖温带大陆性季风气候区，年平均气温为12.2℃，平均年降水量为528 mm，降水主要集中在6—9月，主要农作物为冬小麦和夏玉米，更多有关站点详情参见文献[12-15]。

1.2 样品采集

NH3和其他痕量气体以及PM2.5水溶性离子的数据来自2013年6—8月在固城站的现场观测。NH3观测采用美国Los Gatos Research公司DLT-100型NH3分析仪，其精度为0.2×10-9(100 s平均)，24 h零点漂移小于0.2×10-9，测量范围0～2000×10-9，本次测量数据记录平均时间为100 s。该仪器基于离轴积分腔输出光谱技术 (OA-ICOS)，同时测量光衰荡时间和测量通过光腔时间积分光强，使测量结果更符合Beer-Lambert定律。分析仪在实验室用溯源NIST标准的NH3气(Scottgas, USA)校准。为便于分析，将2013年6月1日—8月31日NH3原始数据处理为小时平均值，参与本研究讨论的NH3小时平均数据共1987个。该站点有长期的常规气体(SO2，NOX和O3)和常规气象要素观测。气体数据的质量控制主要由日常零跨检查、定期多点校准和日常巡检等措施完成，详细数据质量控制信息参见文献[12]。

2 结果与分析

表1 2013年6月1日—8月31日固城站气体和气溶胶组分的统计结果 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平均体积分数分别为28.4×10-9，73.9×10-9和26.4×10-9。2013年夏季固城站NH3体积分数高于同处于华北地区的北京城市站点(中国气象局站，39°56′N，116°24′E，海拔为50 m)2009年夏季NH3(33.5×10-9)[9]。固城站NH3主要来自农作物施肥等农业源以及牛羊的放牧活动等，同时,夏季的高温使NH3易于从土壤、动植物和垃圾中挥发。

对农田中NH3通量的观测证明，化肥施用会造成NH3向大气中的排放[17]。观测期间正值固城站进行小麦收割和玉米播种。固城站有8.67 hm2农田，6月下旬边播种玉米边施复合肥，施肥量约为600 kg/hm2。7月下旬对玉米进行追肥，施尿素225～300 kg/hm2。追肥后，出现1次降水过程，使土壤湿度增大，造成土壤中氮肥转化挥发，导致大量NH3排放到大气中。7月27日夜间开始NH3体积分数急剧上升，28日07:00(北京时，下同)达822.0×10-9。29日04:00 NH3达到夏季最高值862.9×10-9，NH3体积分数在29日06:00出现观测期间次高值832.5×10-9。7月28—29日NH3日平均体积分数分别为337.6×10-9和328.6×10-9。7月NH3平均体积分数显著高于其他月份与农田施肥活动以及该月平均气温最高(26.6℃)相一致。由于化肥施用造成NH3向大气排放的影响，2013年7月固城站NH3体积分数远高于北京城市站点2009年7月体积分数(45.0×10-9)。固城站2013年6月和8月NH3体积分数则略低于北京城市站点2009年6月和8月的体积分数，这可能与夏季高温增加了北京城市站点大气中NH3从生物源,如人类活动、城市污水处理和垃圾填埋等的排放有关。

与碱性气体NH3不同，2013年7月和8月固城站酸性气体SO2和NOX体积分数较低，平均值分别为2.91×10-9和13.5×10-9，主要由于夏季高温多雨，SO2和NOX快速光化学转换和降水清除及更好的大气扩散条件造成的。6月SO2和NOX体积分数分别为7.0×10-9和15.4×10-9，可能受到农田秸秆燃烧等活动影响[15]。对于二次污染物O3来说，夏季在太阳辐射强、前体物较多的情况下，光化学反应强烈，产生了较多O3，使其浓度升高，固城站2013年6月O3体积分数达到最高(44.3×10-9)。固城站夏季温度高湿度大，太阳辐射强烈，大气光化学反应活跃，为二次颗粒物(硫酸盐、硝酸盐和铵盐等) 的形成提供了有利条件。同时，夏季固城站相对较低体积分数的SO2和NOX也成为生成二次颗粒物的限制因素。

图1 2013年夏季固城站NH3与PM2.5中的相关性 in summer of 2013 at Gucheng Station

2.2 NH3和PM2.5中主要水溶性离子日变化

图2 2013年夏季固城站和气象因子日变化meteorological factors in summer of 2013 at Gucheng Station

2.3 SO2,NOX和NH3与硫酸盐、硝酸盐和铵盐的关系

表2 2013年夏季固城站硫氧化率、氮氧化率和氨转化率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、氮氧化率和氨转化率与气象因子相关系数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 个例分析

2.4.1 时间序列变化

图3 2013年8月7—11日固城站与气象因素的时间变化序列meteorological factors from 7 Aug to 11 Aug in 2013 at Gucheng Station

2.4.2 主要离子相关性及存在形式

图4 2013年8月7—11日固城站与和的相关性from 7 Aug to 11 Aug in 2013 at Gucheng Station

3 结 论

通过对2013年夏季固城站NH3和PM2.5中主要水溶性离子变化特征的研究，得到以下结论：

2) NH3体积分数在夏季有明显的日变化且呈单峰特征。NH3体积分数峰值出现在09:00，最低值出现在19:00。

致 谢：感谢中国气象科学研究院王瑛、张华龙、何心河、彭伟、中国环境科学研究院孙如峰和河北省固城生态与农业气象试验站工作人员协助观测。

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

国家自然科学基金项目(21377165),公益性行业(气象)科研专项(GYHY201206015)，中国气象科学研究院基本科研业务费重点项目(2013Z007)

孟昭阳，谢育林，贾诗卉,等. 2013年夏季华北乡村站点固城大气氨变化特征. 应用气象学报，2015，26(2)：141-150.

2014-11-04收到， 2014-12-31收到再改稿。

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