利用ME-2模型提升PM2.5源解析效果

申航印,何凌燕,林理量,江家豪,高茂尚,黃曉鋒

利用ME-2模型提升PM2.5源解析效果

申航印,何凌燕,林理量,江家豪,高茂尚,黃曉鋒*

(北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院,城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn),廣東 深圳 518055)

為探討ME-2模型控制旋轉(zhuǎn)對(duì)傳統(tǒng)PMF模型源解析效果的提升作用,于2017年9月10日~2018年8月29日在深圳北部某工業(yè)區(qū)開展PM2.5采樣,共獲得153套樣品.對(duì)PM2.5中31種化學(xué)組分進(jìn)行了分析,篩選出17個(gè)物種輸入模型運(yùn)算.2018年深圳北部工業(yè)區(qū)大氣PM2.5年均濃度為32.3 μg/m3,利用PMF模型初步識(shí)別出9個(gè)因子,分別為二次硫酸鹽、二次硝酸鹽、老化海鹽、土壤揚(yáng)塵、工業(yè)排放、燃煤、生物質(zhì)燃燒、船舶排放和機(jī)動(dòng)車,PMF輸出結(jié)果中“混合因子”問題顯著.基于PMF解析結(jié)果及獲得的先驗(yàn)信息,在ME-2模型中建立4個(gè)限制源譜進(jìn)一步解析,結(jié)果表明,與PMF模型相比,ME-2結(jié)果的示蹤物在源中分配更集中,對(duì)示蹤物濃度與相應(yīng)源貢獻(xiàn)的時(shí)間序列也提供了更好的擬合效果.二次硝酸鹽、老化海鹽、工業(yè)排放源在PMF模型中被高估了9%~51%,而二次硫酸鹽、燃煤和生物質(zhì)燃燒源被低估了19%~40%.本研究中ME-2解析結(jié)果比PMF更具有環(huán)境和統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,為污染防治提供了更精確的控制指向.

PM2.5；正定矩陣因子分解法(PMF)；多元線性模型(ME-2)；源解析；混合因子

PM2.5作為大氣環(huán)境中的重要污染物,其來源復(fù)雜,主要包括一次源與二次源.目前,PM2.5的源解析方法包括受體模型法、源清單法和擴(kuò)散模式模擬法等[1],其中受體模型法由于無需追蹤顆粒物傳輸過程、評(píng)估排放源的排放因子和活動(dòng)水平,而在國內(nèi)外相關(guān)研究中最為常用[2-3].受體模型中,美國EPA推薦使用的有CMB、PMF和UNMIX模型[4],其中CMB需要依賴本土源成分譜信息,而PMF不受此限制,同時(shí)它可將二次組分與源聯(lián)系起來,并提供了非負(fù)限制,已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大氣環(huán)境源解析研究[5],但PMF其對(duì)輸入的樣本數(shù)量有一定要求,且存在“混合因子”問題[6-7].而ME-2模型基于PMF模型開發(fā),可用已知信息增強(qiáng)對(duì)矩陣旋轉(zhuǎn)的控制,為解決PMF模型存在的問題提供了可能性,近年來已成為源解析技術(shù)研究的前沿[8-11].目前國內(nèi)ME-2模型的源解析應(yīng)用多與AMS/ACSM結(jié)合[10,12-13],也有部分學(xué)者進(jìn)行了PAHs、黑碳?xì)馊苣z、在線PM2.5組分和手工離線PM2.5的ME-2源解析嘗試[14-17],然而與PMF模型相比其應(yīng)用案例仍很少.

深圳作為我國珠三角核心城市之一,經(jīng)過多年大氣污染防治措施的推行,PM2.5濃度已逐步下降至較低水平[18],其進(jìn)一步下降面臨挑戰(zhàn),這對(duì)PM2.5源解析的準(zhǔn)確性提出了更高要求.同時(shí),近年來由于城市中心區(qū)居住成本的增加,人口居住出現(xiàn)郊區(qū)化趨勢[19],城市郊區(qū)細(xì)顆粒物來源復(fù)雜,針對(duì)城郊工業(yè)區(qū)展開有效的PM2.5源解析研究具有重要價(jià)值.目前,多數(shù)針對(duì)PM2.5的源解析研究只針對(duì)部分月份或時(shí)間段[20],普遍使用CMB或PMF等模型,存在“混合因子”問題.本研究基于ME-2模型,對(duì)深圳北部某工業(yè)區(qū)大氣PM2.5開展系統(tǒng)的化學(xué)分析和來源解析,并對(duì)因子廓線進(jìn)行探索和限制,借此探討利用ME-2模型加強(qiáng)旋轉(zhuǎn)控制后對(duì)PMF模型PM2.5源解析效果的提升作用.

1 儀器與方法

1.1 PM2.5采樣與分析

本研究的采樣點(diǎn)在深圳北郊工業(yè)區(qū)的某學(xué)校內(nèi),周圍200m內(nèi)無明顯局地污染源,可代表典型的城郊工業(yè)區(qū)環(huán)境.該點(diǎn)位顆粒物污染相對(duì)較重,PM2.5源的成分較為復(fù)雜,“混合因子”問題可能會(huì)相對(duì)顯著,便于分析ME-2模型對(duì)因子限制的效果.研究使用美國Thermo Partisol 2300四通道采樣器進(jìn)行PM2.5樣品采集,設(shè)備架設(shè)在學(xué)校內(nèi)某四層教學(xué)樓樓頂,4個(gè)通道中2個(gè)通道配備特氟龍膜,采樣流量為16.7L/min,另外2個(gè)為石英膜,流量為10L/min.于2017年9月10日~2018年8月29日期間,對(duì)深圳工業(yè)區(qū)大氣PM2.5開展全年隔日采樣,每次采樣時(shí)長為24h,全年共獲得有效樣品153套.

采樣前后分別在超凈室內(nèi)(溫度20℃,相對(duì)濕度50%保持24h以上)用百萬分之一精度天平對(duì)特氟龍膜進(jìn)行稱重,做差得到PM2.5的日均質(zhì)量濃度.一個(gè)通道的特氟龍膜樣品用超純水在超聲波水浴中提取后,用離子色譜儀(美國戴安ICS-2500)分析其中的水溶性無機(jī)離子(SO42-、NO3-、NH4+和Cl-等),另一個(gè)通道的特氟龍膜樣品用于24種金屬元素的ICP-MS儀(德國耶拿aurora M90)分析.石英膜樣品進(jìn)行有機(jī)碳(OC)和元素碳(EC)的熱/光碳分析儀(美國DRI 2001A)分析,其中將分析出的有機(jī)碳質(zhì)量乘以經(jīng)驗(yàn)常數(shù)1.8獲得有機(jī)物(OM)質(zhì)量[21-22].

1.2 源解析技術(shù)方法及輸入矩陣

PMF(正定矩陣因子分解法)模型作為一種多元因子分解工具,可將分析得到的樣品物種濃度矩陣分解為2個(gè)非負(fù)常數(shù)矩陣(因子貢獻(xiàn)矩陣)和(因子廓線矩陣),并得到一個(gè)殘差矩陣,為測量值與模型擬合值之間的差值,見式1.基于樣品濃度的不確定度值,PMF模型的原理是通過最小二乘法進(jìn)行擬合,使目標(biāo)函數(shù)最小(式2),從而得到模型的最優(yōu)解[23-24],其中e代表殘差矩陣中第個(gè)樣品第個(gè)物種濃度的擬合殘差,u是對(duì)應(yīng)測量物種的不確定度.

<