2. 广州市环境监测中心站, 广州 510030;
3. 中国科学院空天信息创新研究院, 遥感科学国家重点实验室, 北京 100094;
4. 南京信息工程大学环境科学与工程学院, 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 南京 210044
2. Guangzhou Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510030, China;
3. State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China;
4. Jiangsu Atmospheric Environment and Equipment Technology Collaborative Innovation Center, School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
甲醛是大气中浓度最高的醛酮类挥发性有机物(VOCs)之一[1~3], 同时也是有毒有害物质, 危害人体健康[4].环境中的甲醛, 可来自一次源直接排放, 如机动车排放、生物质的不完全燃烧、工业及家具行业中黏合剂的使用等[5~9], 也可由VOCs如低碳烯烃[10]和生物源排放的异戊二烯[11, 12]等二次转化生成, 是光化学反应中重要的中间产物.在光照条件下, 甲醛可被光化学氧化, 进一步与NO反应, 生成·OH, 这也是甲醛的重要去除途径[8, 13, 14].甲醛具有极高的亲水性, 可以富集在吸水性颗粒物、雾滴及雨滴中, 因此也可经过湿沉降被去除[15].在城市地区, 大气甲醛浓度在雾-霾天或重污染过程中明显升高[3, 16, 17].分析发现, 城市地区甲醛通常来自二次生成[14, 18], 甚至可贡献测点大气甲醛的50%以上[7, 8].
现有研究中对甲醛的环境测量多数集中于地面观测, 对其垂直廓线的实测研究较少.甲醛垂直廓线的主要测量技术如飞艇测量[19]、地面差分吸收光谱技术(如MAX-DOAS)[20, 21]以及利用卫星观测数据进行反演[22].后两者获得的甲醛廓线在近地面(如500 m以下)存在较大的不确定性, 通常需要辅以地基监测进行验证或优化算法.目前少有基于铁塔或高层建筑的垂直观测, 且使用的铁塔多为400 m以下, 如博尔德大气观测塔(300 m, 美国博尔德)[23]、中国科学院大气物理研究所气象塔(300 m, 中国北京)[24]及近两年刚交付使用的深圳气象观测梯度塔(356 m, 中国深圳).
与前述铁塔相比, 我国第一高塔广州塔(总高度600 m)具有高度优势, 且位于广州市中心, 可代表城市大气典型特征.本研究利用广州塔为采样平台, 在2018年秋季进行了32 d甲醛垂直多点观测, 对不同高度的甲醛化学特征进行了分析, 并根据地基观测结果估算了甲醛柱浓度, 与卫星反演结果及文献值进行了比较.本研究首次获得基于广州塔实测的甲醛垂直分布特征, 有助于了解珠三角地区甲醛在大气不同高度层的化学转化和传输过程, 以期为城市大气复合型污染防控提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 采样情况本研究选取广州塔进行设点采样, 并在暨南大学番禺校区同期采样以对照水平分布情况.采样点位置如图 1所示.广州塔位于广州市城区中心(113.325°E, 23.106°N), 处于广州市新中轴线和珠江交汇位置, 是著名观光目的地和城市人流与交通密集区.广州塔总高度600 m, 其中塔身主体高450 m, 天线桅杆为150 m.广州塔使用筒中筒的建筑结构, 外框筒是由斜柱、环梁和钢管组成的网状结构, 最大限度地保持了内筒的开放性, 降低了塔外筒对大气污染物观测的干扰.
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图 1 观测站点位置示意 Fig. 1 Map of observation sites |
本观测中采样点位选择了广州市环境监测中心广州塔地面子站楼顶(即地面点, 高约3 m)、118 m露天平台监测子站楼顶(即118 m点)和488 m桅杆处监测子站旁(即488 m点).广州塔各梯度点均设有常规污染物及气象参数监测设备, 可提供6项常规污染物(O3、NO2、SO2、PM2.5、PM10和CO)及气温、相对湿度、气压、风速、风向在线数据, 时间分辨率为1 h.暨南大学番禺校区位于广州塔以南的番禺区新造镇(经纬度113.415°E, 23.018°N), 采样点为院系楼楼顶平台(约15 m高).
本研究选取了珠三角臭氧污染多发季节秋季[25]开展观测.具体采样时期为2018年10月18日至11月20日, 每天采样1次, 共获得32 d醛酮类VOCs离线样品(10月19日和10月23日未采样).广州塔3个梯度点与暨大番禺校区点同步采样, 采样时段为北京时间13:30~14:30.根据国家标准方法(HJ 683-2014), 本研究使用2, 4-二硝基苯肼(DNPH)采样管, 连接采样泵主动采集空气样品, 醛酮类VOCs可与DNPH反应进而富集在采样管中.为避免臭氧对样品采集的干扰, 采样时在DNPH管前串联碘化钾(KI)小柱以去除臭氧.采样时长为1 h, 采样流量为2 L·min-1.本次观测中4个采样点共采集170个DNPH样品.其中有21个空白样品, 17个穿透样品, 6个平行样品.
1.2 样品分析离线采集的DNPH管样品按照国标方法(HJ 683-2014)进行分析.样品先使用乙腈洗脱经过滤定容至2 mL棕色瓶中.经过预处理的样品溶液进入高效液相色谱分析, 使用乙腈/水为流动相进行梯度洗脱, 通过紫外(UV)检测器(波长360 nm)检测样品中的醛酮类化合物.目标化合物的定量是基于标准曲线进行, 标准曲线的绘制使用13种醛酮类标样, 配置5个不同浓度梯度的溶液进行测量, 获得所用仪器的浓度-响应关系, 标准曲线的相关系数大于0.995.本研究主要关注物种甲醛的检测限为0.28 μg·m-3.
本研究的样品采集、预处理和仪器分析均遵循严格的质量保证和质量控制规则.观测开始、中段和结尾均进行了采样泵流量校准.每隔约5 d采集一次空白样品和平行样品, 空白样浓度均小于0.10 μg·m-3, 平行样品间的标准偏差均低于10%.为确保样品浓度准确, 在观测前及观测中分别进行了穿透实验, 即使用两个DNPH管串联采样, 根据仪器分析结果可确定本观测中未发生穿透现象.
1.3 甲醛柱浓度的估算为了与卫星观测数据进行对比, 本文中根据广州塔实测甲醛质量浓度垂直分布对甲醛垂直柱浓度进行了简单估算.珠三角秋季14:00边界层高度多分布在800~1 200 m之间[26], 本研究中假设采样期间(13:30~14:30)边界层总高度为1 000 m, 用广州塔地面点所测甲醛质量浓度代表 0 m到50 m的甲醛平均浓度, 118 m点代表 50~250 m, 488 m点代表250 m以上高度, 则可根据公式(1)估算甲醛柱浓度; 对于因低于检测限而缺少部分数据点的日期(10月24日、11月11日和11月16日), 使用同期其余梯度点的甲醛平均浓度, 根据公式(2)估算本日垂直柱浓度.暨大番禺校区点则使用甲醛浓度地面值代表边界层均值, 由公式(2)粗略估算其垂直柱浓度.
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(1) |
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(2) |
式中, [HCHO]VCD表示甲醛垂直柱浓度(molecules·cm-2), [HCHO]表示甲醛质量浓度(μg·m-3), 其下标g、118 m和488 m分别代表地面点、118 m点和488 m点所测数值, H表示边界层高度(假设为1 000 m), NA是阿伏伽德罗常数(6.02×1023 molecule·mol-1), MW(HCHO)是甲醛摩尔质量(30 g·mol-1), 以及一个单位换算值1010.
2 结果与讨论 2.1 观测期间甲醛浓度2018年秋季珠三角观测期间, 广州塔地面、118 m、488 m监测点位及暨大番禺校区点位测到的甲醛质量浓度如图 2所示, 各监测点位甲醛浓度的统计数据如表 1所示.由图 2可见, 广州塔地面点和暨大番禺校区点测到的甲醛质量浓度变化趋势大体一致, 皮尔逊相关系数R为0.79, P值为0.000, 在0.01水平下显著相关.广州塔测点与同期设置在暨南大学本部校区(广州塔以北3.5 km, 坐标23.132°N, 113.343°E)的MAX-DOAS所测甲醛日均浓度也具有较好的相关性(R=0.80)[27].广州塔地面甲醛均值为(5.10±1.93) μg·m-3, 浓度变化范围较大(1.13~9.12 μg·m-3), 与暨大番禺校区点的甲醛均值较为接近[(5.53±2.06) μg·m-3]; 对两者进行成对样本t-检验, 结果显示浓度差异不显著(P=0.154), 表明在水平方向上广州市甲醛浓度呈现出区域性污染特征.
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绿色背景时段为空气质量优, 其余时段为空气质量良 图 2 观测期间各测点甲醛的质量浓度及广州市空气质量变化情况 Fig. 2 Temporal variation in formaldehyde mass concentration at each observation site and air quality index of Guangzhou City in the campaign |
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表 1 各监测点甲醛质量浓度统计数据/μg·m-3 Table 1 Statistics of formaldehyde mass concentrations at each site/μg·m-3 |
根据同期广州地化所观测点得到的甲醛日变化特征[28], 本次广州塔地面点观测到的甲醛浓度已处于日间甲醛高值时段, 但远低于北京、上海等城市雾-霾天或重污染过程中的甲醛浓度均值(35.65 μg·m-3[16]和29.47 μg·m-3[17]), 也低于文献[3]中广州市雾-霾天甲醛浓度(14.6 μg·m-3), 与清洁天浓度(6.02 μg·m-3)相当甚至更低, 表明本次观测中广州市大气中甲醛污染情况较轻, 这与观测期间广州市空气质量均为优良天保持一致.
观测期间广州塔3个高度梯度点浓度变化范围较大(0.81~13.06 μg·m-3). 3个梯度点甲醛浓度随时间变化趋势类似, 对其两两进行成对样本的t-检验结果表明:118 m点与地面点及488 m点的甲醛浓度在0.05水平上差异显著(P为0.000和0.004), 而地面点与488 m点甲醛浓度差异不显著(P=0.490).此统计结果暗示118 m点甲醛浓度水平可能与其他两个高度不同, 具体差异还需结合其他污染物进行分析.从平均值看, 甲醛质量浓度显示为:地面[(5.10±1.93) μg·m-3] < 488 m点[(5.33±2.55) μg·m-3] < 118 m点[(6.61±2.84) μg·m-3].观测期间广州塔118 m和488 m及暨南大学番禺校区点甲醛最大值发生在10月25日, 分别为13.06、11.71和10.61 μg·m-3, 广州塔地面点甲醛最高值出现在11月14日(9.12 μg·m-3), 各点甲醛最低值出现在11月16~18日之间.
2.2 城市主要污染物及甲醛垂直分布特征 2.2.1 常规污染物及气象要素垂直分布情况观测期间广州市空气质量均为达标, 包括6 d空气质量优(即10月18日、10月23日、11月3日、11月8日、11月17日和11月19日), 其余均为良好(图 2).如表 2所示, 广州塔监测站点对常规污染物的监测显示主要污染物浓度均值(监测期间每日14:00数据平均)都处于较低水平, 如地面点PM2.5[(42.55±15.21) μg·m-3]和O3[(95.76±47.97) μg·m-3], 低于PM2.5国家二级标准(24 h平均:75 μg·m-3)和O3国家一级标准(1 h平均:160 μg·m-3).对常规污染物不同高度的质量浓度进行成对样本的t-检验发现, CO在各高度点的浓度差异均不显著(P值在0.170~0.723之间), SO2和O3在各高度点浓度差异均为显著(P值在0.000~0.001之间), 而NO2和PM2.5地面点的浓度与高空点(118 m和488 m)差异显著(P=0.000), 两个高空点(118 m和488 m)之间则浓度差异不显著(P值分别为0.317和0.568).这可能是因为CO较为惰性, 因此在垂直方向浓度相对均匀, 而其他污染物则变化较大.由于PM10数据缺失较多, 未包含在本研究分析中.
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表 2 广州塔各高度梯度测点污染物及气象参数均值 Table 2 Averages of pollutants and meteorological parameters at each site on Canton Tower |
2018年秋季观测期间, 多数污染物包括PM2.5、NO2、SO2和CO的浓度从广州塔地面到高空488 m均呈不同程度地逐渐降低趋势, 反映了污染物逐渐远离排放源(如机动车)被逐渐稀释或消耗转化的过程; 同时, 风速随高度升高而增大, 气压则逐渐降低, 说明越往高空大气扩散条件越好, 污染物易被稀释.与其他污染物相反, O3浓度从低到高逐渐升高, 主要是因为地面较高浓度的NO对O3具有滴定作用.本实验中观测到的O3浓度随高度升高而升高、其他污染物浓度则地面高、高空低的特征与此前文献[29]中报道的长达两年的观测结果基本一致, 表明此次观测结果对广州秋季大气污染特征具有代表性.
2.2.2 午间光化学生成对城市甲醛的贡献大气光化学氧化剂Ox(O3+NO2)可以体现O3、NO及NO2的耦合作用, 常用于衡量大气光化学能力[30].本次广州塔观测中, 甲醛与氧化剂Ox总体存在显著相关性(R=0.66, P=0.000), 与污染物O3和PM2.5具有一定的相关性(R 为0.52和0.49, P值均为0.000), 而与SO2、NO2及CO相关性较弱(R 为0.27、0.20和0.14, P值分别为0.009、0.045和0.200), 说明所测甲醛受一次排放源的影响不明显.
如图 3所示, 甲醛与Ox在垂直方向各高度梯度都具有良好相关性, 其中地面测点和488 m测点Ox与甲醛的相关系数R均为0.75以上, 118 m相关系数略低(R=0.65), P值均为0.000.甲醛离线样品的采集时间是每日13:30~14:30, 通常是1 d中太阳辐射最强烈的时间, 观测期间氧化剂Ox与氧化反应示踪物O3日变化(图 4)揭示O3在不同高度点于14:00~15:00到达峰值, Ox随后在15:00~16:00到达峰值.可见, 采样期间大气氧化性已处在较强状态, 光化学反应频繁发生.这与同时期广州地化所点所测得的甲醛日变化特征[28]及2016年深圳观测中甲醛秋季日变化曲线[14]一致, 甲醛在午后出现单峰, 具有明显的光化学生成特征.
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图 3 广州塔各高度梯度点甲醛与大气氧化剂Ox的相关关系及其平均情况 Fig. 3 Correlations between formaldehyde and Ox at ground level, 118 m, and 488 m sites on the Canton Tower and their average case |
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灰色部分表示甲醛采样时段 图 4 观测期间广州塔各高度梯度点Ox和O3的日变化曲线 Fig. 4 Diurnal patterns of Ox and O3 at ground level, 118 m, and 488 m sites on the Canton Tower during measurements |
甲醛与大气氧化剂的正相关性表明, 采样时广州塔点的光化学反应即二次氧化生成是甲醛的主要来源, 这与此前广州和深圳基于观测的甲醛源解析结果一致[7, 14].大气中甲醛寿命较短, 广州塔处于广州市中心, 周边有绿地, 推断交通源及生物源排放的VOCs是甲醛的主要前体物.此外, 虽然与CO这一机动车排放特征污染物相关性较弱, 来自机动车排放及溶剂使用[7]等一次排放源的贡献不能完全排除, 而生物质燃烧在市中心基本杜绝, 贡献基本可忽略.
中高层(118 m)甲醛与氧化剂相关性相对最弱, 斜率最低(10.42), 但甲醛浓度最高可达13.06 μg·m-3, 高于地面和488 m处的甲醛最大值, 不排除受到输送的干扰.在最近使用MAX-DOAS开展的对重庆市甲醛垂直廓线的研究中[31], 也发现在100 m以下和100 m以上大气层中甲醛的主要贡献源不同, 100 m以上受到重庆附近区域内生物质燃烧的输送明显, 与观测时大气层分布及输送情况相关.
2.2.3 城市甲醛垂直廓线分类为进一步研究甲醛的垂直分布特征, 对2018年秋季观测获得的所有甲醛垂直廓线进行了逐一观察分析, 初步根据廓线分布特征对所有观测天进行了分类(图 5).在32 d的样品中, 10月24日地面点、11月11日118 m点和11月16日118 m点数据低于检测限被删除, 有19 d甲醛质量浓度的垂直分布大体呈现上下低、中间高的“>”形状[Ⅰ型, 图 5(a)], 5 d基本呈现中间低上下高的“ < ”形状[Ⅱ型, 图 5(b)], 余下5 d的3个高度上甲醛浓度差异小于1.0 μg·m-3, 假设为达到混合均匀状态[Ⅲ型, 图 5(c)].观测期间甲醛垂直廓线平均状况如图 5(d)所示.
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图 5 甲醛浓度垂直廓线分类及平均情况 Fig. 5 Average and three types of vertical profiles of formaldehyde during measurements |
甲醛的垂直廓线分布特征与边界层气象情况及大气氧化性息息相关, 图 5中也给出了各梯度点相对湿度、风速以及可能与甲醛相关的污染物PM2.5和大气氧化性参数Ox的分布情况.在2018年秋季观测期间, Ⅰ型分布发生几率最大, 占总观测时段的66%. Ⅰ型分布在边界层对流较为温和的状态下发生, 平均风速较低[(1.40±0.92)m·s-1], 从地面到488 m风速逐渐增强(0.70~1.90 m·s-1), 同时, PM2.5和Ox浓度都相对较高且各梯度之间差异较小, 表明大气整体污染水平较高, 光化学过程活跃[Ox浓度(157.67±46.44) μg·m-3], 甲醛经二次生成几率较大, 浓度也高于其他两种类型.考虑到118 m处甲醛与氧化剂Ox的相关性最弱, 而且广州市电厂及工业等高架源位于郊区, 推测在118 m层结有来自较远处气团的输送, 进而影响甲醛的垂直分布. Ⅱ型分布占总观测时段的17%, 此类型出现在边界层对流温和但大气氧化性水平较低的情况下, 此期间Ox平均浓度是3种情况的最低值[(120.29±47.11) μg·m-3], 甲醛受二次生成的贡献相对较弱.此外, 相对湿度(RH)为3种类型中均值最高(72.24%±12.56%), 488 m点RH接近90%, 空气中的甲醛可能被吸水性PM2.5吸收去除, 因此浓度较低, 118 m处甲醛低值不排除受湿沉降及较远处传输的共同影响.甲醛Ⅲ型分布发生5 d, 出现在大气层对流较强且干燥清洁的状态下, 同期风速处于3种情况中最大值[(2.18±1.70) m·s-1, 488 m处风速达3.37 m·s-1], PM2.5浓度处于3种情况的最低值[(25.60±6.01) μg·m-3)], RH相对最低(38.79%±14.94%), 因此垂直方向上甲醛浓度差异很小.这一类型期间Ox浓度处于高值[(154.27±8.35) μg·m-3], 说明大气光化学过程是甲醛的重要来源.对3种类型下甲醛在不同高度点浓度进行成对样品的t-检验结果显示, Ⅰ型分布中118 m甲醛与地面及488 m的甲醛均存在显著浓度差异(P为0.000和0.002), 地面与488 m甲醛浓度差异不显著(P=0.177);受样本量影响, Ⅱ型和Ⅲ型各梯度点间浓度差异均不显著(P为0.066~0.833).受出现频率最高的Ⅰ型分布影响, 观测期间甲醛垂直分布的平均情况也显示为“>”型, 或可代表珠三角秋季城市甲醛垂直分布的典型特征.
此外, 利用最大增量反应活性(MIR)估算了出3个高度梯度点上甲醛的平均臭氧生成潜势(OFP), 即OFPHCHO=MIRHCHO×[HCHO], 其中MIRHCHO=9.46 g·g-1(以O3/VOC计)[32].广州塔地面、118 m和488 m点甲醛的OFP分别为48.27、62.49和50.39 μg·m-3, 而观测期间广州塔各点出现的臭氧最大值为239 μg·m-3.甲醛的最大臭氧生成潜势可达臭氧最高浓度的四分之一, 虽然估算值是理想状态下甲醛生产臭氧的最大能力, 但广州市中心大气中甲醛对臭氧的贡献仍然值得关注.
2.3 甲醛柱浓度与卫星数据的比对根据地基甲醛观测浓度, 本研究估算了广州塔和暨大番禺校区测点的甲醛柱浓度, 图 6给出了观测期间各测点甲醛柱浓度随时间的变化情况, 并与TROPOMI(TROPOspheric Monitoring Instrument, http://www.tropomi.eu/data-products/formaldehyde)提供的广州塔点卫星观测甲醛柱浓度产品及文献报道值进行了对比. TROPOMI甲醛柱浓度是根据TROPOMI观测的甲醛斜柱密度(SCDs)和大气质量因子(AMF)换算得到.搭载TROPOMI仪器的Sentinel-5P卫星星下点过赤道时间为当地时间13:30前后, 对于我国各地, 视当地纬度以及处于轨道星下点轨迹的西侧还是东侧情况, 实际成像时间大约在当地时间12:00~14:00的某个时刻, 空间尺度可精确到涵盖广州塔在内的3.5 km×3.5 km范围.卫星数据参考文献值包括从Aqua卫星搭载的OMI(ozone monitoring instrument)获得的2005~2016年广州秋季甲醛柱浓度均值[33]和同样从OMI获得的2015~2017年全国秋季甲醛柱浓度均值[34].
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图 6 观测期间各测点甲醛柱浓度与TROPOMI卫星产品的时间序列及文献参考值 Fig. 6 Time series of formaldehyde vertical columns from this study, TROPOMI, and references |
从平均值来看, 广州塔[(11.23±4.80)×1015 molecules·cm-2]及暨大番禺校区[(11.10±4.14)×1015 molecules·cm-2]的甲醛柱浓度均值非常接近, 而TROPOMI所得的广州点甲醛柱浓度[(13.40±6.23)×1015 molecules·cm-2]比地基观测均值略高, 与广州塔点测量结果相比高出19%.观测及TROPOMI结果与文献报道的2005~2016年广州秋季均值[(13.5±1.58)×1015 molecules·cm-2][33]接近, 特别是卫星产品之间数值几乎相同, 说明不同卫星数据反演结果具有一致性, 且其对地表甲醛柱浓度具有一定代表性.同时, 广州市地基观测甲醛柱浓度秋季均值较全国秋季均值(9.70×1015 molecules·cm-2)[34]高出16%, TROPOMI数据结果较其高出38%, 说明广州是我国甲醛浓度较高的城市之一, 与此前研究的结果一致[35].
从时间序列来看, 广州塔点与暨大番禺校区(直线距离13.8 km)具有一定正相关性(R=0.56, P=0.001), 但两个地基测点估算值与TROPOMI卫星产品的相关性较弱(R为0.19~0.36, P为0.270~0.554).可能由于观测期间广州市上空有云覆盖情况较多, 卫星数据仅有12 d, 增加了不确定性; 此外, 地基垂直观测点位较少, 且都在500 m以下, 基于3个高度点位估算柱浓度仍然存在一定误差.在未来工作中, 可考虑加密垂直梯度点或利用立体观测技术(如无人机和飞艇)等对甲醛垂直廓线进行更高分辨率的测量, 并且结合激光雷达技术和卫星反演信息, 提高对近地面甲醛垂直分布的理解.
3 结论(1) 借助中国第一高塔广州塔对不同高度的甲醛进行了为期一个月的离线测量.观测期间广州市地面高度大气甲醛浓度均值为(5.10±1.93) μg·m-3, 118 m及488 m点均值为(6.61±2.84) μg·m-3及(5.33±2.55) μg·m-3; 大气光化学氧化生成是珠三角城市地区午间甲醛的主要来源.
(2) 观测期间甲醛垂直廓线按形状分为三类, 受边界层对流状况、大气氧化性及是否存在湿去除等因素综合影响.
(3) 从浓度差异显著性、与大气氧化剂的相关性及垂直廓线形状看, 中高层(118 m)甲醛特征与地面及488 m不同, 可能受到输送影响.
(4) 根据垂直廓线估算的广州塔点甲醛柱浓度均值[(11.23±4.80)×1015 molecules·cm-2]与同期TROPOMI甲醛柱浓度相近(低19%), 和文献报道值数量级一致, 对于本地甲醛垂直柱浓度具有代表性.
致谢: 感谢2018秋季广州塔观测团队的老师和同学:刘俊文、周声圳、刘佳宁、姜帆、彭钰雯、崔茹、张睿和李天歌.特别感谢广州塔旅游文化发展股份有限公司对本研究给予的大力支持.
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