一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法技术

本发明专利技术公开了一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法，包括以下步骤：S1：根据已有研究确定或采用AMS测定目标研究区域的典型一次排放源排放的POA质谱；S2：利用AMS连续在线观测目标区域大气气溶胶主要组分的浓度和OA质谱，建立OA的质谱浓度矩阵ORG；S3：利用正定矩阵因子分析法PMF对ORG矩阵进行解析，同时设置固定的POA因子质谱，分解并识别出P

【技术实现步骤摘要】
一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法

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[0001]本专利技术属于环境科学与保护
，特别涉及一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法。

技术介绍
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[0002][0003]大气细颗粒物(气溶胶)主要由无机盐、有机物(称为有机气溶胶Organic aerosol，OA)、黑碳和金属元素等组成，其中OA占比接近50％。由于OA种类繁多，分子结构和反应复杂，目前对OA污染形成机制的认识还不够全面。一般地，按照来源可将OA分为一次有机气溶胶(POA)和二次有机气溶胶(SOA)，前者来自燃煤、机动车等污染源的直接排放，后者来自POA及挥发性有机物(VOCs)在大气中发生的凝结、聚并、光化学反应、液相化学反应等物理化学反应。SOA的生成受到排放源和大气条件等多重影响，变化幅度大，不易准确观测和分析。随着近年来污染物减排力度的加大，POA排放减少，SOA的占比却有所提高，成为未来大气污染控制领域的关注重点，而准确地检测SOA的浓度和组成是探究其形成机制的前提。因此，对SOA的动态演化规律进行测定对于深入了解其形成机理、解释细颗粒物污染成因并有针对性地进行减排而言具有重要意义。
[0004]对于大气OA的测定，最常用的传统方法是利用采样膜采集大气颗粒物样品、通过有机碳/元素碳(OC/EC)分析仪、总有机碳分析仪等仪器检测其中的有机组分含量，再根据一次排放源的OC/EC经验比值来估计一次排放和二次反应对OC的贡献。然而，此类方法通常以24小时为周期，难以捕捉短时间内的OA变化规律，而且对SOA的估计不准确。近年来，大气污染研究者逐渐推广应用了高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪(High
‑
Resolution Time
‑
of
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Flight Aerosol Mass Spectrometer，HR
‑
ToF
‑
AMS)来对OA进行高分辨率在线观测，该仪器基于质谱技术，将颗粒物组分蒸发气化、电离成离子后利用磁场检测不同质荷比的颗粒物组分含量，其时间分辨率和质量分辨率均很高。将观测到的OA质谱利用正定矩阵因子分析法(PMF)进行解析，能够得到表征不同来源或二次生成的OA因子，如煤炭燃烧排放OA(CCOA)、生物质燃烧排放OA(BBOA)、主要来自机动车排放的石油烃类(HOA)、餐饮源排放OA(COA)以及主要来自二次生成的氧化OA(OOA)，进一步能够分析各排放源的贡献、质谱以及浓度变化规律等。
[0005]然而，在应用AMS
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PMF观测解析法时，对OA因子所代表的污染源的识别主要是基于各因子的氧化程度、质谱构成、日变化规律等特征的研究经验，在不同的研究中，同一类污染源的OA因子质谱均存在差异，因此存在一定的不确定性和主观性。同时，由于PMF方法的原理和特点，其假设所有OA因子的质谱组成在观测期间均不会发生变化，仅质量浓度发生变化，这对于排放源确定的POA因子而言较为适用，然而OOA因子属于SOA物质的集合，会随着不同排放源贡献和大气反应条件的变化而变化，其质谱组成和氧化程度在理论上不会固定不变。因此，AMS
‑
PMF解析法的常规应用也难以全面分析SOA的动态演化规律。
[0006]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应
当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路
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[0007]本专利技术的目的在于提供一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法，包括以下步骤：
[0009]S1：根据已有研究确定或采用AMS测定目标研究区域的典型一次排放源排放的POA质谱；
[0010]由于不同国家、地区或城市的大气污染源排放特征不同，气溶胶组成不同，因此需要针对目标研究地区各类一次排放源的POA排放源谱进行测定，才能进行后续的OA观测与来源解析；典型的一次排放源包括煤炭燃烧、生物质燃烧、机动车尾气、餐饮活动等；若该地区某一类POA的排放源谱已被研究测定，则参考使用已有研究的排放源谱；若该地区某一类POA的排放源谱未被研究测定，则利用气溶胶质谱仪AMS开展POA源谱的检测；共形成P
‑
1个POA污染源谱MS
EMIp
(1
×
m)，其中p代表某一POA污染源类别，m为构成该源谱的有机物离子碎片类别的数量；MS
EMIp
中m个元素的加和为1；同时，分析这些污染源排放POA的元素组成，确定O/C、H/C、N/C和S/C比值等特征；
[0011]在AMS中，气溶胶粒子经过粒径切割器、干燥器和限流孔后，被一个光学透镜聚集成粒子束，通过一个具有单/多狭缝的机械旋转轮切割器实现粒径区分与检测，再在高度真空环境中被钨汽化器在600℃条件下加热，产生的气体被70eV电子束轰击而电离；由于不同组分离子的质荷比m/z不同，其在质谱仪中的飞行速度不同，可以根据其到达检测器的时间不同对各组分进行区分，其中的有机物碎片共同构成OA的质谱；通常，可使用SQUIRREL(Sequential Igor Data Retrieval)和PIKA(Peak Integration by Key Analysis)数据处理软件包对AMS所测的原始数据进行处理，采用Aiken方法基于质谱计算OA中的C、H、O、N、S元素含量，进而采用经过改进的元素分析法I
‑
A法(Improved
‑
Ambient method)来提高对O/C、H/C比值估计的准确性；
[0012]S2：利用AMS连续在线观测目标区域大气气溶胶主要组分的浓度和OA质谱，建立OA的质谱浓度矩阵ORG；具体方法如下：
[0013]S21：在目标观测区域选定具有代表性的观测站点；
[0014]S22：在观测站点利用AMS连续观测大气非难熔性亚微米级气溶胶NR
‑
PM
1.0
的有机与无机组分，获得高时间分辨率的有机物离子碎片质谱和无机离子碎片的浓度时间序列，形成由观测到的大气OA的有机物离子碎片浓度构成的矩阵ORG(t
×
m)；ORG矩阵的每一行由该行对应时刻所观测得到的m个有机物离子碎片的浓度组成，共有t行，即t个观测时刻；通常，在每个季节选择典型的20至30天进行连续观测，冬季可以适当延长观测时段并关注重污染过程；数据获取周期可调整，一般可以选择每分钟为一个观测时刻，即每分钟得到一组质谱数据；一般可以选择质荷比m/z在12至115、信噪比较高的有机物离子碎片构成该矩阵；
[0015]S3：利用正定矩阵因子分析法PMF对质谱浓度矩阵ORG进行解析，同时设置固定的POA因子质谱，分解并识别出P
‑
1个POA因子和1个OOA因子；具体方法如下：
[0016]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据已有研究确定或采用高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪测定目标研究区域的典型一次排放源排放的一次有机气溶胶质谱；S2：利用高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪连续在线观测目标区域大气气溶胶主要组分的浓度和有机气溶胶质谱，建立有机气溶胶的质谱浓度矩阵；S3：利用正定矩阵因子分析法对有机气溶胶的质谱浓度矩阵进行解析，同时设置固定的一次有机气溶胶因子质谱，分解并识别出P
‑
1个一次有机气溶胶因子和1个氧化有机气溶胶因子；S4：将S2中观测到的大气有机气溶胶扣除S3中分解出的一次有机气溶胶因子，计算出一类可变的二次生成的氧化有机气溶胶因子，得到每一观测时刻二次生成的氧化有机气溶胶的质谱，再分析每一观测时刻二次生成的氧化有机气溶胶的浓度、质谱组成及氧化程度的污染特征的变化规律。2.根据权利要求1所述的一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法，其特征在于，所述S1中高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪测定目标研究区域的典型一次排放源排放的一次有机气溶胶质谱时共形成P
‑
1个一次有机气溶胶污染源谱MS
EMIp
，分析这些污染源排放的一次有机气溶胶的元素组成，并确定O/C、H/C、N/C和S/C的比值特征。3.根据权利要求1所述的一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法，其特征在于，所述S2的具体方法按照如下步骤：S21：在目标观测区域选定具有代表性的观测站点；S22：在观测站点利用高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪连续观测大气非难熔性亚微米级气溶胶NR
‑
PM
1.0
的有机与无机组分，获得高时间分辨率的有机物离子碎片质谱和无机离子碎片的浓度时间序列，形成由观测到的大气有机物的有机物离子碎片浓度构成的矩阵ORG，矩阵的每一行由该行对应时刻所观测得到的m个有机物离子碎片的浓度组成，共有t行，即t个观测时刻。4.根据权利要求3所述的一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法，其特征在于，每个季节选择20
‑
30天进行连续观测，每分钟为一个观测时刻。5.根据权利要求1所述的一种大气二次有机气溶胶动态演化的测定方法，其特征在于，所述S3的具体方法按照如下步骤：S31：建立二维双线性模型ORG＝TS
×
MS+E
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)公式(1)中的TS矩阵由P个有机气溶胶因子各自的浓度时间序列构成；MS矩阵由P个有机气溶胶因子的质谱构成，E矩阵为残差矩阵，ORG矩阵中的每一个元素的构成为：公式(2)中的org
ij
为ORG矩阵中第i行、第j列的元素，也即有机离子碎片j在时间i的质量浓度；ts
ip
为矩阵TS中第i行、第p列的元素，也即给定因子p在时间i的质量浓度；ms
pj
为矩阵MS中第p行、第j列的元素，也即离子碎片j在给定因子p的质谱所有离子碎片中的占比；e
ij
为矩阵E中第i行、第j列的元素，也即离子碎片j在时间i的拟合残差；P为有机气溶胶因子的
总数目，其中，P
‑
1个一次有机气溶胶因子的质谱取步骤S1中确定的污染源谱，并设置的可变化范围：f
j,p
＝f
j,EMIp

【专利技术属性】
技术研发人员：胡若兰，童博，程健，赵勇，谢小军，张丽辉，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：