應(yīng)用案例
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不管是煙霧箱實(shí)驗(yàn)還是數(shù)值模擬,高濃度氨氣對PM2.5污染的影響都已被證實(shí)。然而,由于測量數(shù)據(jù)的缺乏,我國大氣氨濃度的時空變化特征依然不是十分清楚。中科院大氣物理研究所研究員潘月鵬團(tuán)隊(duì)在環(huán)境領(lǐng)域頂級期刊ES&T上發(fā)表的最新文章,應(yīng)用Picarro G2103高精度氨氣分析儀揭示了城市大氣氨濃度的日變化特征,并對其來源進(jìn)行了追蹤。相關(guān)研究結(jié)果對從事全球氮循環(huán)、大氣污染、氨氮沉降等監(jiān)測領(lǐng)域的專家學(xué)者具有借鑒意義。
文章鏈接:
https://doi.org/10.1021/acs.est.1c05884
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研究概述
我國氨氣(NH3)排放量居全球之首,超過了歐洲和北美之和。高濃度的NH3是造成我國城市霾污染的關(guān)鍵前體物,通過大氣傳輸和干濕沉降也會對自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。我國正在制定相關(guān)減排政策,準(zhǔn)確開展NH3測量是重中之重。
NH3在大氣中的停留時間很短,其日變化特征明顯。以往在農(nóng)田或者草地的觀測發(fā)現(xiàn),NH3在早晨7-10點(diǎn)常出現(xiàn)一個峰值。但以往的觀測資料主要是在某個季節(jié),全年連續(xù)的測量數(shù)據(jù)非常少,這使得我們難以判斷NH3早高峰是否普遍存在,尤其是在大氣污染嚴(yán)重的城市地區(qū)。
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觀測地點(diǎn)
中國科學(xué)院大氣物理研究所某辦公樓頂,位于北京市中心以北,三環(huán)和四環(huán)之間,周邊每天的交通量約為10萬輛,交通流量從05:00開始迅速增加,在上午11:00左右達(dá)到峰值。
潘月鵬研究員團(tuán)隊(duì)使用Picarro公司在線光學(xué)法測量儀器G2103對NH3濃度日變化進(jìn)行一整年的觀測,發(fā)現(xiàn)北京大氣環(huán)境中NH3早高峰是一種普遍現(xiàn)象:一年中共有267天出現(xiàn)NH3濃度早高峰,出現(xiàn)頻率為73.0%。特別是在冬季,不僅NH3濃度早高峰出現(xiàn)的頻率大,濃度的增長速度也很快,漲幅超過了20%,是NH3濃度早高峰最為典型的季節(jié)。
圖1. NH3早高峰的出現(xiàn)頻率和濃度的增幅
為了研究冬季NH3濃度早高峰,該研究還同時使用傳統(tǒng)的濕化學(xué)方法(ChemComb 3500采樣系統(tǒng))測量了NH3的日變化特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn),ChemComb與Picarro光學(xué)法測量的NH3濃度日變化特征相似,均與機(jī)動車流量日變化特征一致。觀測期間,Picarro和ChemComb測量的NH3濃度分別為15.9 ± 12.5和14.1 ± 7.5 μg m−3,沒有顯著性差異。這一結(jié)果證實(shí)了光學(xué)儀器測量結(jié)果的可靠性。
圖2. Picarro和ChemComb
觀測NH3濃度時間序列對比
該研究最后還提取了冬季樣品中的NH4+,使用離子色譜法(ICS-90, Dionex Corporation, Sunnyvale, CA)測定了NH4+濃度。隨后,基于自主發(fā)展的化學(xué)測量方法,在中國科學(xué)院應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素生態(tài)實(shí)驗(yàn)室通過同位素比率質(zhì)譜儀(IsoPrime100,IsoPrime limited,英國)測定分析NH4+的δ15N值。同位素?cái)?shù)據(jù)確認(rèn)了機(jī)動車排放對NH3濃度早高峰的貢獻(xiàn)高達(dá)40%,是需要重點(diǎn)管控的排放源。
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研究意義
以往研究發(fā)現(xiàn),早晨大量NH3排放會導(dǎo)致HONO和氣溶膠硝酸鹽和硫酸鹽的爆發(fā)性增長,誘發(fā)霾污染。因此,精準(zhǔn)認(rèn)識NH3濃度早高峰的來源對控制光化學(xué)和氣溶膠污染都有重要意義。本研究通過小時尺度同位素示蹤技術(shù),完美再現(xiàn)了NH3同位素的日變化特征,從一個新的視角解讀了北京冬季氨氣濃度早高峰的形成過程,發(fā)現(xiàn)了機(jī)動車排放對NH3濃度早高峰的重要貢獻(xiàn),為城市大氣NH3精準(zhǔn)減排提供了科學(xué)依據(jù)。
通訊作者簡介
潘月鵬,中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師。承擔(dān)國家級科研課題20余項(xiàng),發(fā)表學(xué)術(shù)論文百余篇,獲省部級獎勵獎4項(xiàng),擔(dān)任6個期刊編委,入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。
個人主頁:
http://people.ucas.ac.cn/~panyuepeng
核心儀器介紹
Picarro G2103是一款高精度在線氨氣分析儀。其業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面:
1. 低檢測限:該分析儀具有很高的靈敏度,其檢測下限在 ppt 級別。
2. 低漂移:一整月的連續(xù)工作中僅漂移了 ±0.5 ppb。
3. 低吸附快響應(yīng):G2103 分析儀部件在重要的氣體過道上應(yīng)用了涂層( SilcoNert® ),這能減小氨氣 ( NH3 ) 分子在過道表面上的吸附傾向性,加快測量的響應(yīng)時間并消除測量偏差。
響應(yīng)時間原始數(shù)據(jù)結(jié)果展示
4. 抗干擾氣:Picarro’s (CRDS) 光腔衰蕩光譜,在光譜中的相鄰氣體分子之間的高度選擇性,常見的揮發(fā)性有機(jī)化合物對氨氣測量沒有干擾 (Ref. Kamp et al. 2018, Atm. Meas. Tech.)
5. 水汽校準(zhǔn):英國國家物理實(shí)驗(yàn)室對 G2103 的獨(dú)立驗(yàn)證表明,G2103 分析儀可報告準(zhǔn)確的干摩爾分?jǐn)?shù),適用于潮濕環(huán)境條件,無需校正水的影響
該圖顯示了 G2103 對一系列加濕(相對濕度= 60%)空氣樣品的線性行為 ,并準(zhǔn)確報告干摩爾分?jǐn)?shù)。(Ref. Martin et al., 2016, Appl. Phys. B)
6. 便攜性:該分析儀尺寸小,功耗要求低,可在幾分鐘內(nèi)進(jìn)行拆裝(無論是在實(shí)驗(yàn)室還是在野外),操作簡便,運(yùn)行數(shù)月無需維護(hù)或消耗品。
Picarro氨氣分析儀性能卓越,大量實(shí)驗(yàn)室采用Picarro的CRDS技術(shù)測量NH3:
MetNH3 - 歐洲環(huán)境空氣中氨的計(jì)量,ENV55 的聯(lián)合研究項(xiàng)目(JRP)
旨在開發(fā)用于測量空氣中氨的計(jì)量溯源性,從初級氣體混合物和儀器標(biāo)準(zhǔn)水平到現(xiàn)場水平。Picarro 是該項(xiàng)目的技術(shù)合作方
EMPA - 瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室
自2006年以來,Picarro G2103 分析儀在瑞士國家空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(Nabel)中使用,被認(rèn)為是NH3報告的參考方法
AGROSCOPE - 瑞士農(nóng)業(yè)聯(lián)邦部
為了滿足與農(nóng)業(yè)相關(guān)的環(huán)境目標(biāo)(AEO),瑞士的氨(NH3)總排放量必須減少約 40%。
NPL – 英國國家物理實(shí)驗(yàn)室
英國的國家測量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室,總部設(shè)在英國倫敦 Teddington 的 Bushy Park。是英國最大的應(yīng)用物理組織
PTB -德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院
Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)是德國國家計(jì)量機(jī)構(gòu), PTB 測量具有最高的準(zhǔn)確性和可靠性
METAS - 瑞士國家計(jì)量研究所
瑞士聯(lián)邦計(jì)量研究所(METAS)以必要的準(zhǔn)確度實(shí)現(xiàn)和傳播國際統(tǒng)一和認(rèn)可的計(jì)量單位。
INTEL – 英特爾公司
英特爾是全球最大,價值最高的半導(dǎo)體芯片制造商之一。Picarro 分析儀用于其半導(dǎo)體制造工廠
FMI - 芬蘭氣象研究所
當(dāng)前和預(yù)測條件,包括動畫衛(wèi)星圖像,氣候統(tǒng)計(jì)和研究和定制服務(wù)說明
UBA Germany - 德國環(huán)境部
德國的主要環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu),UBA 的任務(wù)是確保同胞們擁有健康的環(huán)境,最大限度地保護(hù)他們免受空氣,水和其它污染物的侵害
NOAA - 美國國家海洋和大氣管理局
美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)是一個專注于海洋和大氣條件的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)
我國科研院所、高校及高新技術(shù)企業(yè)也應(yīng)用Picarro G2103 氨氣高精度分析儀進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究,包括但不限于以下單位:
國內(nèi)應(yīng)用Picarro G2103分析儀機(jī)構(gòu)不完全概況
Picarro G2103分析儀具體參數(shù)信息請點(diǎn)擊鏈接或發(fā)送“G2103”至任意以下郵箱獲?。?/p>
https://www.picarro.com/zh-hans/support/library/documents/g2103_analyzer_datasheet?language=zh-hans
韓工:hyx@cen-sun.com
陳工:chenxf@cen-sun.com
高工:gaoch@cen-sun.com