城市大气气溶胶源解析方法浅析

城市大气气溶胶源解析方法浅析

摘要：本文简要介绍了大气污染源解析工作中所常用两种模型：源模型与受体模型，并着重分析了其中的受体模型，介绍了其中的两种方法化学质量平衡法（CMB ）与因子分析法，而且对CMB 方法中的二重解析技术作出简要论述。最后给出两种方法在实际运用时的联合使用方案。

关键词：源解析，受体模型，化学质量平衡，因子分析，二重解析

0 引言

在研究城市大气气溶胶时，必须了解其化学分布特征的关系并利用相关的资料分析并推断气溶胶源的类型及相对贡献，以便于研究城市大气气溶胶的环境、气候和生态效应。并为政府部分制定宏观监测方案提供依据。

城市大气气溶胶来源鉴别方法总体上分为两大类：源扩散模式和受休模式。在早期大气污染物研究中，主要依据污染源排放率统计资料。用扩散模式估算气溶胶的空间分布，进而判断各类源对目标区气溶胶的贡献。但这种方法仅适用于小尺度范围内化学稳定的原生质粒的扩散问题。它不能考虑从源到目标区较长距离输运过程中的气相化学反应和气粒转化过程，而较大范围内排放源的资料，包报移动、变化源难以精确统计[1]。

1 源模型与受体模型

随着气溶胶采样仪器和化学分析技术的进步，他我们能在观测点(相对于各源来说可视作接受器)同时获得不同粒度气溶胶中。几十种元素的高精度资料。从而为定量分析各种源对观测点不同粒度气溶胶的化学成分、质量浓度的贡献奠定了基础。实际上接受点获得的气溶胶质粒的物理、化学特性的系统资料，包含有各类源相对贡献的信息。根据对各类源的特性的了解，通过统计分析可提取这些信息．类似于遥感探测的反演问题。必须指出逆问题的求解往往不收敛或不唯一，应借助于各种优化为方法求得最优解。受体模式日前已取代扩散模式、作为城市大气气溶放研究的最主要方法，但传统的扩散模式依然有用武之地，因为受体模式只能分析现状，不能预测新建源或源变化的影响。

无论是源模式还是受体模式都可以用以下过程来描述，设某地区有多源j ，接受点采样分析后可得元素i 的浓度为X i ，此时各类源质粒的元素组成与接受点环境空气中质粒的元素组成间存在下列关系[1],[2]

i i j i j X a s

α=∑

其中ij a 表示源j 发射的质粒中个i 元素的份数，ij α是联系源大气和接受点间的一调节参数，

表征从源发射后在到达接受点途中发生的稀释、沉降、化学反应和转化使元素i 发生的变化，对大多数元素ij α＝l ，对挥发性强的无机元素ij α< l ，对在大气中产生化学反应的物种ij α可大于l 或小于1。

若已知源状态ij α（通过对源发射物的分析）以s j 为媒介。可求得接受点的质粒状况，此即源扩散模式。从Xi 的测量分析值，通过统计分析求出sj ，此即受体模式。ij a 在计算中同时确定。

2受体模型分析方法

2.1化学质量平衡法

此种方法的使用的一个关键与前提是有关TSP 发射源必须完全正确，而且各类物质的调节参数必须符合实际[3]。

现举在石家庄市运用CMB 方法进行源解析为例[4]，将各源类的成分谱(各化学组分的百分含量平均值及其标准偏差)和受体的成分谱(各化学组分的浓度平均值及其标准偏差)代入CMB 模型，用CMB 模型软件进行计算。得到各源类对环境空气中TSP 和PM 10的贡献值与分担率。

在进行消除源的共线性的筛选工作后，最终选择土壤风沙尘、扬尘、煤烟尘、建筑尘、机动车尾气尘、钢铁尘和Mg 、Ai 、Si 、Ca 、Fe 、TC 、SO 4，等化学组份进行拟合计算，得到石家庄市区源贡献值。据王静[4]的工作中表明，这种解析结果出现了负的贡献度值与拟合优度诊断指标变坏的情况，经分析出现此种情况的原因是扬尘与共它的源类之间存在的共线性，使得它的分担率出现了错误的估算，由此需要对扬尘进行单独解析。

2.1.1扬尘的二重解析技术

扬尘具有以下特征[4],[6]：

(一)扬尘是一种混合源类，它由各单一尘源类的颗粒物混合组成。实际上各单一尘源类所排放的颗粒物只是部分的“进入”了扬尘，各单一尘源类所排放的颗粒物在扬尘中所占的份额是不一样的。

(二)部分“进入”扬尘的各单一尘源类的颗粒物的形态和化学组成一般不会变化或是这种变化可以忽略；单一尘源类的颗粒物没有进入扬尘的部分，仍以原来的组成和形念存在。

(三)扬尘既可以视为环境空气中颗粒物的排放源类，又可以视为各单一尘源类所排放的颗粒物的接受体，所以扬尘既是排放源类又是接受体。

(四)扬尘与各单一尘源类是共线性源类，但共线程度各有不同。

而二重解析技术就是把扬尘视为接受体，采用CMB 模型，计算单一尘源类对扬尘的贡献率；然后用这个贡献率分解结果一中扬尘的分担率，得到单一尘源类进入到扬尘中的分担率，用之前所算得各单一尘源的分担率减去其进入到扬尘中的分担率就可以计算出没有 “进入”扬尘的单一尘源类对受体的分担率，从而得到新的结果。这技术方法本研究称之为“二重解析”技术。

由结果表明经二重解析之后的TSP 解析结果，能够符合质量控制技术的指标要求，拟合质量较好[4]。

2.2因子分析法

因子分析的原理是在承认与污染源有关的变量间存在着某种相关性的前提下，在不损失主信息的前提下，将一些具有复杂关系的变量或样品归结为数量较少的几个综合因子， 可用下式表达[1],[2]：

1122ji j i j i jp pi j ji X a F a F a F d U =++++ …

式中，X ji 是对所有变量都适用的一些因子Fji 和对每一变量适用的唯一因子U ji 的线性组合。a ji 是对每个变量的因子负载系数，d j 是对唯一变量j 的标准回归系数。

因子分析主要目的是求出公因子数的因子负载系数a ji 等。 因子负载系数的大小反映因子与变量间的相关程度。此法用颗粒物的实测元素浓度进行运算， 再结合被测地区的具体情况行分析，获得主要污染来源及其贡献率。

在实际运用时，往往是通过几种方式相互结合，来进行源解析的工作， 而上述所讲的源解析方法CMB 与因子分析法在实际运用中各有优缺点，CMB 方法除了要解决单一源之间的共线性问题外，还要求源成分谱的全面性，以及对各类源分析的准确性。对于源数目较多的样品，CMB 方法更具有优势。因子分析法作为一种多元统计方法，通过减少变量数目，使问题到简化。但是它得不到各类源的绝对贡献值，需要进行近一步的回归分析，所以有时也将其与CMB 法合使用，由因子分析法确定源， 由CMB 方法确定贡献率[5],[7]。 3 结语

本文所介绍的CMB 方法与因子分析方法是源解析工作中所比较成熟的方法，但在实际运用时由于两种方法各有优缺点，而把种方法结合使用。除了这两种方法之外，源解析工作还应根据源种类，污染物粒径等选择其它更为合适的方法，但仍需进行各种方法相互结合使用，这样才能达到优势互补，提高源解析工作的精度。