《大氣污染防治行動計劃》實施以來,我國冬季華北地區的空氣品質已經顯著改善,但在廣大農村地區仍經常出現嚴重污染。最新研究也表明,由於濃度和成分差异,農村地區細顆粒物對人體健康影響顯著高於大城市,囙此深入研究我國華北農村地區大氣細顆粒物尤其是有機氣溶膠(OA)的組成、來源、生成機制及其對光學特性的影響尤為重要。
為此,中科院大氣所大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室孫業樂團隊聯合暨南大學馬楠、天津大學傅平青和中國氣象科學研究院徐婉筠等團隊在華北平原代表性鄉村網站(河北固城)先後開展了2次秋冬季綜合觀測試驗,利用高解析度飛行時間氣溶膠質譜、單顆粒飛行時間氣溶膠質譜、光聲消光儀和熱熔蝕器等多種線上儀器,結合PM2.5濾膜離線樣品分析,對固城網站顆粒物的化學組成、來源、光學特性和揮發特性,有機氣溶膠的元素組成、粒徑分佈和老化過程等進行了深入研究。
研究結果顯示華北冬季鄉村地區污染程度高於都市地區,顆粒物成分以有機物(36%)和硝酸鹽(22%)為主。華北鄉村地區秋冬季經常出現大霧事件,研究發現霧期間的氣溶膠理化特性和生成機制均發生顯著變化,其中硫酸鹽在顆粒物中的貢獻顯著增加,從非霧期間的13%新增至22%,有機物貢獻則相應的降低(圖1)。有機物組分也發生顯著變化,其中與液相相關的aq-OOA貢獻高達44%。顆粒物化學組分受吸濕性增長的影響在霧期間也呈現出更大的峰值粒徑。通過分析2018年和2019年期間的不同霧過程發現,秋季霧形成的過程中伴隨顯著的清除效應,二次無機組分濃度降低明顯,而冬季凍霧期間,二次無機組分濃度變化較小。
羥甲基磺酸鹽(HMS)是液相反應的重要示踪物,我們對固城以及北京秋冬季HMS進行了定量分析,結果發現華北鄉村地區由於更高濃度的前體物(HCHO和SO2)和相對濕度以及較低的酸性導致HMS濃度(2.58±2.56μg m-3)顯著高於都市地區(1.70±2.68μg m-3)。HMS在鄉村地區平均貢獻OA的6.3%和總顆粒態硫的16%(圖2),進一步通過單顆粒質譜分析發現HMS的生成過程中主要混合了有機胺顆粒。研究結果同時揭示了氣溶膠質譜由於無法區分HMS和無機硫酸鹽導致的硫酸鹽量測偏高現象,尤其是在高濕或者大霧期間,但基於HMS和硫酸鹽產生的含硫碎片差异,可以對顆粒物中的有機硫酸脂進行合理的定量表徵。
通過分析華北鄉村地區的氣溶膠光學特性發現,黑碳由於其包裹物產生的吸收增强(Eabs)為1.32(±0.15),略高於北京(1.24±0.15),並且顯著受到相對濕度(圖3)及燃煤排放的影響(Eabs>1.40)。此外,鄉村地區棕碳(BrC)的吸收幾乎是都市地區的兩倍,但波長吸收指數相似,BrC吸收均顯著受到燃煤、生物質燃燒排放以及光化學形成的SOA影響。
研究結果發表於Journal of Geophysical Research: Atmospheres,Science of The Total Environment和Environmental Research,得到國家自然科學基金和國家重點研發計畫等資助。
Chen,C.,Qiu,Y.,Xu,W.,He,Y.,Li,Z.,Sun,J.,et al.(2022).Primary Emissions and Secondary Aerosol Processing during Wintertime in Rural Area of North China Plain,Journal of Geophysical Research: Atmospheres,127,e2021JD035430.
Sun,J.,Xie,C.,Xu,W.,Chen,C.,Ma,N.,Xu,W.,et al.(2021).Light absorption of black carbon and brown carbon in winter in North China Plain: comparisons between urban and rural sites,Science of The Total Environment,770,144821.
Chen C.,Zhang Z.,Wei L.,Qiu Y.,Xu W.,Song S.,et al.(2022).The importance of hydroxymethanesulfonate(HMS)in winter haze episodes in North China Plain,Environment Research,211,113093.
文章連結:
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021JD035430
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720383546
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013935122004200
圖1.河北固城鄉村網站非霧期間和霧期間顆粒物化學組分、有機組分和粒徑分佈比對。
圖2.北京和固城地區HMS在有機氣溶膠(OA)和總顆粒態硫(HMS+SO4)中的貢獻比對圖。
圖3.北京和固城吸收增强(Eabs)及化學組分隨相對濕度的變化。