中国科学院地球环境研究所研究揭示关中平原气溶胶新粒子形成影响因素

大气新粒子生成(New Particle Formation, NPF)是由气态污染物最初形成颗粒物的初始过程,它是大气中气溶胶的重要来源。大气新粒子生成和随后的生长过程是环境空气污染的关键贡献因子,同时对全球气候变化及人体健康具有重要的影响。然而,当前国内外对大气新粒子生成和生长的影响机制仍存在明显不足。

北京山地森林站非持续生长型新粒子生成事件的数值模拟研究

鉴于新粒子生成(New particle formation,NPF)对气候的重要效应,过去很多研究重点关注持续增长型NPF事件;但新粒子生长过程中时常也伴随着非持续型生长,如生长粒径先增长后下降的收缩型以及粒径明显不增长的团块型NPF事件,对于这类NPF事件的生长机制尚不清楚。基于此,本研究于2019年夏季在中国科学院北京森林生态系统定位研究站(39.96°N,115.43°E,1170 m a.s.l.,以下简称北京山地森林站)进行了NPF事件的野外观测,发现了4次持续生长型NPF事件和3次非持续生长型NPF事件。本文借助WRF-Chem模式进一步探究非持续生长型NPF事件的生长机制,发现其主要成因有三个:首先,北京山地森林站与成核相关的气态前体物充足,但颗粒物中SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)、NH_(4)^(+)等无机盐浓度较低,削弱了新粒子的后续增长能力;其次,后向轨迹显示非持续生长型NPF事件的气团来源于清洁的北方地区;最后,通过过程分析发现水平和垂向输送是非持续生长型NPF事件的重要物理过程。本研究对非持续增长新粒子传输来源和生长机制的解释,对于完善新粒子增长的物理化学机制的理解具有重要意义。

四川乡村点新粒子生成特征及其对云凝结核数浓度的贡献

为揭示成渝地区大气复合污染成因,选择乡村点资阳站的冬季,实测了颗粒物数浓度及其粒径谱分布、云凝结核（CCN）,在二氧化硫、光解速率（JO^1D）实测值基础上估算了新粒子生成的重要前体物气态硫酸的浓度.2012年12月5日到2013年1月5日观测期间,3～582nm颗粒物数浓度水平较高,平均值为（16072±9713）cm^-3.颗粒物数谱分布呈现以积聚模态为主体的特征,占总颗粒物数浓度的46%,此比值高于我国北京、上海、广州等城市和珠江三角洲及长江三角洲的乡村点和背景点.在较高颗粒物凝结汇（CS）水平下[（4.3±3.6）×10^-2s^-1],甄别出7次新粒子生成（NPF）事件,占观测天数的23%.NPF事件发生时,颗粒物生成速率与增长速率分别为（5.2±1.4）cm^-3s^-1,（3.6±2.5）nm/h.NPF事件对CCN数浓度有明显贡献,NPF发生后CCN数浓度平均增长19%.

北京新粒子生成事件期间颗粒物数浓度变化及颗粒增长特征

本研究分析了2011年冬季、2012年春季和2014年夏季3次短期观测实验中北京城市大气新粒子生成(NPF)事件的季节特征。结果显示,116天的观测中,共发生37次NPF事件(频率为32%)。尽管不同于NPF事件中新粒子核模态颗粒物数浓度的最大净增长量(NMINP)变化显著,春、夏季观测期间的NMINP平均值非常接近,分别为1.60×104和1.57×104 cm-3,冬季均值大幅下降至0.83×104 cm-3。统计分析发现,NMINP和新粒子生成速率(J8~20 nm)及SO2浓度在特定条件下存在相关性,此时NMINP可以由J8~20 nm和SO2浓度近似计算;但是除特定条件外,新粒子形成受多因素共同影响,导致J8~20 nm和NMINP之间缺乏相关性,NMINP和SO2浓度相关性也显著下降。考虑新粒子对气候的潜在影响,即只有粒径增大到50 nm以上的新粒子可在大气超饱和度大于0.6%的条件下活化为云凝结核,而粒径达到70~80 nm的新粒子可以在常见大气超饱和度下活化为云凝结核,本研究引入了新粒子的最大中值粒径(Dpgmax)这一概念。根据最终Dpgmax将观测到的37例NPF事件分为3类,类型I(最终Dpgmax在10~15 nm)、类型II(最终Dpgmax在27~48 nm)和类型III(最终Dpgmax可达75~120 nm)。类型I,II,III分别占总观测事件的22%,16%,30%,其余32%的事件无法确定最终Dpgmax。值得注意的是,只在夏季观测到了类型III。统计分析显示,低Ox(NO2+O3)浓度不利于新粒子增长到类型II和III。基于类型II和III的分析,发现硫酸蒸汽浓度对此类新粒子增长的贡献小于10%,日间Ox氧化有机物很可能是促使新粒子增长的主要原因,夜间硝酸铵和有机物均可能促使新粒子增长。

珠三角地区大气新粒子生成事件的参数模拟与特征

针对珠三角大气复合污染典型地区新粒子生成事件,基于大气超级站不同季节3~1 000nm颗粒物数谱分布在线监测数据,采用气溶胶动力学模型模拟新粒子生成重要参数,分析不同季节新粒子生成事件的特征。研究结果如下。1)超级站新粒子生成事件的月平均发生频率为7%~23%,低于北京;新粒子生成速率为0.4~4.8个·cm-3·s^(-1),增长速率为3.0~12.0nm·h^(-1)。2)新粒子生成事件发生频率与新粒子生成速率、增长速率、可凝结蒸汽浓度及其产生速率在秋季均高于其他季节;珠三角地区秋季大气氧化性较强,光化学过程非常活跃,有利于新粒子生成与增长所需前体物的产生。3)高温、低湿、强辐射、高风速、低颗粒物质量浓度与高臭氧浓度等条件有利于新粒子生成事件的发生;较强的大气氧化性对珠三角地区新粒子生成事件的发生至关重要。研究结果可为深入了解大气气溶胶的演变过程及其环境效应提供参考。

珠三角地区大气新粒子增长-缩小过程特征

广东大气超级监测站新粒子生成事件中,在新粒子快速增长后观测到明显的颗粒物缩小过程(即新粒子增长-缩小过程)。结合3~1 000nm颗粒物数谱分布、颗粒物化学组成和重要气态污染物的变化,具体分析这类新粒子生成事件出现颗粒物缩小过程的特性和成因。结果表明,秋季新粒子生成事件发生频率和新粒子增长-缩小过程出现频率均较高。新粒子增长速率为3.0~12.0nm/h,颗粒物缩小速率为2.2~10.9nm/h。新粒子增长过程中,颗粒有机物对PM_(2.5)浓度贡献最大;颗粒物缩小过程中,SO_4^(2-)对PM_(2.5)浓度贡献最大,且SO_4^(2-)、NH_4^+和元素碳对PM_(2.5)浓度的贡献有所提高;NO_3^-和颗粒有机物对PM_(2.5)浓度的贡献下降,且颗粒有机物中二次有机颗粒物对PM_(2.5)浓度贡献的下降幅度明显大于颗粒有机物对PM_(2.5)浓度贡献的下降幅度。经分析,固态NH4NO3分解和低挥发性有机物挥发是颗粒物缩小的重要直接原因,扩散条件改善和大气氧化性减弱可能是推动新粒子增长转为颗粒物缩小过程的重要条件。

基于高斯金字塔与新粒子群的印刷电路板装配模板匹配算法

为提高印刷电路板装配(PCBA)中目标区域检测的准确性和实时性,提出一种高斯金字塔变换与新粒子群优化算法结合的PCBA模板匹配算法。采用倒Sigmod函数调整粒子群迭代的惯性权值;分别构建个体和群体的自适应学习因子模型;提出粒子是否陷入局部解的自适应判据并对其采用随机动量因子进行调整,从而提出一种新的粒子群优化算法。分别对待匹配图像和模板图像进行4层高斯金字塔变换,采用新粒子群优化算法搜索待匹配顶层子图的粗匹配区域,该区域经高斯金字塔反变换后生成的邻域范围与对应的模板子图进行遍历匹配,在最底层得到最终匹配结果。对比实验结果表明,所提方法在PCBA模板匹配应用中具有准确性和实时性。

新粒子生成:大气颗粒物的隐秘来源

大气新粒子生成事件在世界各地被广泛观测到,是大气气溶胶颗粒物的重要二次来源.本文介绍了大气新粒子生成事件的基本特征和微观机制，着重强调了能够解释我国典型城市大气中大气新粒子生成事件的硫酸-二甲胺,水三元成核机制，展望了该研究领域的发展趋势。

黄山大气气溶胶新粒子生长特性观测分析

利用2012年9月22日～10月28日黄山地区大气气溶胶、二氧化硫和臭氧观测数据,结合气象数据,分析气溶胶新粒子的生成-增长特征.分析发现,在33个有效观测日中,有新粒子生成-增长的观测日占总数的18.2％,其中晴天的发生频率为37.5％,新粒子生成-增长都开始于晴天上午,与无新粒子观测日相比,太阳辐射量、风速、SO2及O3浓度较高,环境温度和相对湿度较低.气溶胶新粒子的增长具有由小及大的特点,核模态气溶胶粒子（10～20nm）数浓度最先增加,爱根核模态粒子（20～50nm）数浓度随着时间推移逐渐增大,但浓度峰值依次下降,平均增长率为3.58nm/h.SO2浓度先于核模态气溶胶数浓度到达峰值,其氧化后的产物H2SO4为新粒子的核化提供前体物,并且参与新粒子的增长过程,当SO2浓度较低时,不会发生新粒子生长事件.

发现X1835新粒子——北京谱仪实验寻找新型粒子的研究

人类探索自然奥秘的过程中，一个重要的基本问题是探索物质的微观结构的规律，粒子物理学就是探索物质微观结构及其相互作用的科学。自然界中存在四种最基本的相互作用，它们决定客观世界的发展和演化。这四种相互作用是：引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。其中，引力和电磁相互作用是参与宏观运动的两种相互作用，因而也是人类认识最早的两种相互作用。例如：我们熟悉的指南针、电波信号的发射和接收都是运用了电磁相互作用。

北京和邢台新粒子生成的差别及其对CCN活性的影响

基于2016年冬季和2017年夏季在北京、2016年夏季在邢台的三次气溶胶外场观测实验,选取三次观测期间典型的新粒子生成事件,分析其对气溶胶吸湿和云凝结核(CCN)活化特性的影响。两地分别位于华北平原北部超大城市区域和中南部工业化区域,两地不同季节新粒子形成机制不同,对应的凝结汇、生长速率以及气溶胶化学组分也不同。北京站点新粒子生成事件的发生以有机物的生成主导,而邢台站点新粒子生成事件的发生则以硫酸盐和有机物的生成共同主导。邢台站点新粒子生成过程中气溶胶吸湿性及云凝结核活化能力明显强于北京站点,此特点在核模态尺度粒子中表现尤为明显。以上结果表明,在估算新粒子生成对CCN数浓度的影响时,应充分考虑气溶胶吸湿和活化特性的差异。

基于多级粒子系统和新粒子形状的尾焰绘制

针对目前大规模场景中导弹尾焰等特效绘制计算量大,导致系统实时性差等缺点,给出了一种基于多级粒子系统和新型粒子形状的尾焰绘制方法,在用三角函数勾画出轮廓后,对外部采用圆周发射新形状的粒子,内部采用特殊单面片作为基本粒子形状且用直线运动代替曲线运动,并采用了LOD结合GPU的粒子系统技术,在不影响真实感的情况下减少了计算量,有效提高了大规模场景中尾焰特效绘制的逼真度和实时性。

大气中新粒子生成机制的研究进展

新粒子生成是大气气溶胶粒子的重要来源之一,对全球空气质量、气候效应和人体健康都有着重要的影响。该文综述了实际环境大气观测新粒子成核过程中使用仪器的发展变化进程和大气中新粒子成核机制以及随后增长过程的重要研究成果。目前在全球很多不同的大气环境下都观测到了新粒子生成事件发生,并通过实验室研究和模型模拟发现了一些成核和增长机制,然而尚未有统一的机制能够全面系统地解释不同环境下新粒子是如何生成和增长的。特别是中国大气复合污染条件下粒子成核和增长的机制尚不明确。开发和应用先进的监测技术,结合外场观测、实验室研究和模型模拟等研究方法,在不同环境下进行长期的全面综合观测研究,进一步探究新粒子生成和增长背后的化学机制以及新粒子对区域空气质量和全球气候变化产生的影响,是大气新粒子生成研究亟待开展的工作。

2013年与2016年青岛采暖期间新粒子生成及活化为云凝结核能力的对比研究

于2013和2016年的采暖期间对青岛郊区的大气颗粒物数浓度(NCN)、粒径分布和云凝结核数浓度(NCCN)进行观测。对比发现:NCN在2016年比2013年下降了48%,这可能与污染物减排措施的加强相关。在过饱和度(SS)为0.4%和0.6%时,2016年的NCCN比2013年下降了25%和36%。然而,在SS为0.2%时,2016年的NCCN比2013年增加了6%。在大于100 nm颗粒物数浓度下降的条件下,低饱和度NCCN反而增加,表明大粒径颗粒物活化能力的增强抵消了其浓度减少对云凝结核数浓度的影响。对于不同过饱和度下云凝结核活化率,2016年比2013年上升了91%(0.2%SS)、29%(0.4%SS)和13%(0.6%SS)。两年观测期间,新粒子生成(NPF)事件的发生频率相近。新粒子生成速率(FR)在2016年((4.0±2.0)cm^-3·s^-1)高于2013年((2.2±0.8)cm^-3·s^-1),可能是2016年的颗粒物凝结汇的降低导致的。新粒子对NCCN的贡献和新粒子增长为云凝结核后的活化效率在2016年均低于2013年,说明减排措施的加强会降低新粒子对CCN的贡献。

南宁市大气气溶胶新粒子生成特征观测分析

2018年9月至2019年5月,利用颗粒物粒径分布测量仪对南宁市大气气溶胶新粒子生成事件进行长期观测。结果表明:(1)南宁市发生新粒子生成事件49 d,新粒子生成日颗粒物平均数浓度为98700个/cm^(3)。新粒子生成日主要集中在秋、春季,发生频率分别为39.9%和29.3%。(2)新粒子生成在10:00—19:00发生频率较高,12:00—13:00为峰值。新粒子生成粒径主要集中分布在3~25 nm,气溶胶粒径增长率为1.5~21.3 nm/h。(3)新粒子生成日PM_(2.5)和PM_(1)均值比非新粒子生成日低,说明空气清洁易发生新粒子生成。(4)新粒子生成日主要出现在高温、低湿、高辐射的天气。新粒子生成日气团主要来自海南东北部、湖北中部和湖南中部,其中来自海南东北部的气团较清洁,利于新粒子生成。

大气新粒子生成参数化方案的测量与应用研究

该研究搭建流动管反应器研究了气态硫酸-水-氨气(H2SO4-H2O-NH3)三元成核体系,实测了不同NH3浓度条件下新粒子成核速率和生长速率与前驱气体浓度、温度和湿度各影响因素之间参数化关系。依据气溶胶动态平衡方程,结合实际大气成核过程中成核速率、碰并清除速率、生长速率和新粒子浓度变化速率的定量联系,间接估算出大气新粒子碰撞捕获效率系数γ在10 nm以下平均值为0.07,在10~20 nm平均值为0.12。结合Kerminen and Kulmala公式,将实测的参数化关系式耦合到区域空气质量模型WRF-Chem中,用模式模拟了2016年杭州G20会议期间新粒子生成粒径谱、纳米级气溶胶数浓度和亚微米气溶胶数浓度,结果表明能够在一定程度上预测新粒子生成事件的发生和超细粒子的数浓度。

大型强子对撞机撞出新粒子

12月2313（北京时间）报道，参与大型强子对撞机（LHC）的Atlas探测实验的科学家们对LHC进行的数万亿次高能对撞收集到的数据进行分析后证实，他们捕捉到了一种全新的粒子Chi—b（3P）。物理学家们多年前就认为宇宙问可能存在这种粒子，但一直没有发现它。最新研究发表在ArXiv．org网站上。