长三角东部沿海地区气溶胶液态水含量及酸度的热力学平衡研究:以上海淀山湖为例

气溶胶液态水含量(ALWC)及酸度(pH)是表征气溶胶理化性质的重要指标,对PM_(2.5)二次颗粒生成机制及来源研究具有重要意义.本文基于国家环境保护长三角区域大气复合污染上海淀山湖科学观测研究站2020年PM_(2.5)和水溶性离子组分等在线监测数据,利用ISORROPIA-Ⅱ模型正向模式和亚稳态体系分析了ALWC和pH的昼夜、月度时间变化以及影响因素、相互关系,同时利用MeteoInfo模拟气团后向轨迹探究了高值ALWC及pH的传输来源.结果表明:①SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)对气溶胶pH的影响与其浓度、比例及ALWC有关,而NH_(4)^(+)对pH的影响有限,NH_(4)^(+)与SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)浓度均呈较强正相关,且pH越高,NH_(4)^(+)与SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)浓度越靠近拟合曲线.②PM_(2.5)浓度低于75μg/m3时ALWC较低;在相对湿度高于80%时,随着PM_(2.5)浓度升高,ALWC迅速增加.③ALWC表现为1月最高、8月最低,且一天内午后最高;当温度介于13~27℃时,ALWC受温度影响较小;当温度高于27℃时,随着温度升高,ALWC逐渐降低.④pH表现为冬季高、夏季低,且一天内午后最低,可能是由于温度升高导致ALWC和pH降低.⑤气团的来源、移动速度对ALWC和pH均存在一定程度的影响.研究显示,长三角东部沿海地区气溶胶液态水含量和酸度受气象条件影响显著,温度和相对湿度的变化是判定气溶胶理化性质演变的重要指标.研究结果可为进一步深化对长三角东部沿海地区气溶胶生成机制的认识提供数据和理论参考.

长江三角洲地区高空云过程气溶胶——云相互作用的观测研究

气溶胶—云相互作用过程对于评估大气云和气溶胶的寿命及气候效应至关重要。目前关于气溶胶—云相互作用的研究主要以飞机航测、卫星反演和模式模拟为主,地基直接观测由于布置难度大、实验时间长、人力物力耗费等原因开展得较少。当前针对气溶胶—云相互作用机制的理解还比较低,亟需外场观测资料深入认识其过程。本研究以长江三角洲地区高山站点的云雾为背景,利用雾滴谱仪、地用逆流虚拟撞击器、混合凝聚核粒子计数器、扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪等仪器,研究了大明山顶(海拔1483 m)7月份多云雾期间云滴和气溶胶的特性,探讨了气溶胶对云形成和发展的影响以及云对气溶胶颗粒物的清除作用。云形成初期对气溶胶颗粒物的清除率约为20%~50%。研究显示水汽过饱和度越高且颗粒物粒径越大,清除率越高,这表明粒径较大的吸湿性颗粒物容易活化为云凝结核。对比同一云雾事件中气溶胶数浓度差异较大的三个阶段,我们发现较低的气溶胶数浓度有利于形成液态水含量高的浓云,此时云团由数量相对较少而粒径大的云滴组成,而大气颗粒物数量增多会使云雾变淡,此时的云团由大量细小的云滴组成。本研究分析了8μm以上云滴的云凝结核数量分布特征,发现大云滴的云凝结核几乎都是100 nm以上的颗粒物;随着气溶胶数浓度升高,8μm以上大云滴的数量减少,且大云滴云凝结核的平均直径变大。这些结果显示气溶胶数浓度升高会促使云滴的数量增多而等效直径变小,在水汽有限的自然环境中,气溶胶数浓度越高,颗粒物的临界活化直径越大。总之,我们发现大气气溶胶的数浓度—粒径分布特性影响着云滴的数量和粒径,云的形成和发展也对气溶胶颗粒物有较强的清除作用。

冬季NH_(3)和液态水含量对PM_(2.5)中SNA形成的影响与敏感性分析

为了解冬季不同污染等级下NH_(3)和AWC(Aerosol Water Content,气溶胶液态水含量)对PM_(2.5)中水溶性二次离子形成的影响,对保定市冬季颗粒物浓度、二次离子及前体物(SO_(2)、NO_(2)、NH_(3))浓度进行了分析,并利用ISORROPIA-Ⅱ计算了PM_(2.5)中的AWC和pH.结果表明:①2017—2018年冬季保定市重污染期(AQI>200)ρ(PM_(2.5))、ρ(SO_(2))、ρ(NO_(2))和ρ(NH_(3))较优良期(AQI<100)分别升高了3.0、1.1、1.3和0.8倍,气态前体物的二次转化是污染形成的重要原因之一.重污染期ρ(NH_(4)^(+))、ρ(SO_(4)^(2-))、ρ(NO_(3)-)较冬季平均值分别升高了1.2、0.9、1.3倍,其中ρ(NO_(3)-)升幅最大,其次为ρ(NH_(4)^(+)).②保定市大气中过剩NH_(3)指数为0.1μmol m^(3),采样期间为富氨环境,NO_(3)-的生成主要受HNO_(3)限制.③重污染期PM_(2.5)中AWC高达93.6μg m^(3),是优良期的20.6倍,观测期间保定市SO_(4)^(2-)的二次生成以颗粒物表面液相氧化为主,即SO_(2)被NO_(2)和NH_(3)氧化,NO_(3)-的二次生成包括NH_(3)参与的非均相转化和N_(2)O_(5)的非均相水解过程.④整体而言,pH变化的敏感性表现为TA(总氨)浓度>TS(总硫)浓度>TN(总氮)浓度≈TA+TS+TN浓度(同时改变相同比例的总氨、总硫、总氮浓度),随污染等级的升高,pH对TS、TA浓度变化的敏感性减弱,对TN浓度变化的敏感性增强;单独改变TS、TN、TA浓度时AWC敏感性弱,同时改变TS、TN、TA浓度时AWC敏感性较强,AWC变化与二次离子浓度密切相关.研究显示,保定市冬季污染期SNA的形成以液态水参与的液相氧化为主,NH_(3)可以维持颗粒物的高pH,保持氧化过程.

海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用

利用大气气溶胶和云分档模式研究海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用,计算结果表明:云中液态水含量随高度的分布并不随海盐、硫酸盐的数目以及云团上升速度的变化而变化;随着云滴数目的增加,云滴的有效半径会减小;硫酸盐对云滴数目影响起主导作用,海盐在水汽相对充足情况下增加了云滴数目,在水汽相对不足的情况下减少了云滴数目;硫酸盐粒子浓度特别强的情况下(人类活动污染比较严重时),如果水汽相对不足,云滴数目会明显小于硫酸盐粒子浓度;而海盐粒子的存在,加剧了水汽的供应不足,从而可以在很大程度上进一步降低云滴数目。也就是说,在有些情况下,如果不考虑海盐气溶胶的作用,硫酸盐气溶胶对云特性的影响会被过高估计。

深圳市冬季大气中硝酸分配特征观测研究

总硝酸(TNO_(3)=HNO_(3)+NO_(3)^(-))的颗粒相分数ε(NO_(3)-)决定了TNO_(3)在大气中的寿命,然而在冬季城市地区对该分配过程仍然掌握较少.本研究于2022年1月1日~1月31日分别在深圳市城区点位和路边点位对大气HNO_(3)、NO_(3)-和相关污染物进行了在线连续观测.结果显示,深圳市城区冬季PM_(2.5)中NO_(3)-的平均浓度为(6.3±3.9)μg/m^(3),占PM_(2.5)质量浓度的24.7%,是PM_(2.5)中最重要的成分之一.本次观测期间城区点位和路边点位ε(NO_(3)^(-))均值分别为(0.81±0.13)和(0.75±0.16),TNO_(3)以向颗粒态分配为主.ε(NO_(3)^(-))日变化特征均表现为白天相对较低,夜间较高,较高的温度、较低的湿度和较酸性的环境会增强硝酸盐的挥发并向气相分配,从而驱动ε(NO_(3)^(-))的日变化.此外,气溶胶液态水含量(ALWC)和气溶胶pH值是影响深圳市冬季两个点位ε(NO_(3)_(-))差异性的最重要因素,平均贡献率分别为41%和31%,在对大气硝酸的生成转化进行模式模拟时这两个因素需被重点考虑.

硫酸铵和硝酸铵对镇江市大气PM_(2.5)理化性质的影响

近年来,无机盐尤其是硝酸盐对我国大气PM_(2.5)的贡献日益凸显,而其如何影响颗粒物的重要理化性质尚待深入研究.于2021年1~12月期间,在镇江市开展了连续观测,获得了大气PM_(2.5)中硫酸铵[(NH_(4)_(2)SO_(4))]和硝酸铵(NH_(4)NO_(3))浓度,系统讨论了二者对颗粒物消光、吸湿增长和酸度的影响.结果表明,2021年镇江市ρ[(NH_(4)_(2)SO_(4)]和ρ(NH_(4)NO_(3))的年均值分别为(6.5±4.5)μg·m^(-3)和(15.0±13.3)μg·m^(-3),对PM_(2.5)浓度的平均贡献率分别为(20.5±18.2)%和(34.5±18.4)%;PM_(2.5)的总消光系数为(224.5±194.2)Mm-1,其中NH_(4)NO_(3)的贡献率为(40.1±20.9)%,(NH_(4)_(2)SO_(4)为(19.1±10.8)%;(NH_(4)_(2)SO_(4)和NH_(4)NO_(3)是PM_(2.5)吸湿增长的主要贡献者,在污染条件下NH_(4)NO_(3)对颗粒物液态水的贡献率为(53.8±13.4)%~(61.6±14.6)%;NH_(4)NO_(3)是未来镇江市能见度和空气质量改善的关键污染物,但削减NH_(4)NO_(3)前体物可能会导致颗粒物酸度增加,尤其对春冬季节颗粒物酸度的影响较为明显.研究结果对理解空气质量变化及二次影响具有重要意义,并对镇江市空气质量的持续改善提供了重要参考.

PM_(2.5)中二次硫酸盐和硝酸盐生成机制

二次无机硫酸盐和硝酸盐是PM_(2.5)的关键化学组分,对区域霾污染的形成有十分重要的作用。厘清两者的生成机制对于消除PM_(2.5)污染至关重要。二次硫酸盐和硝酸盐的生成机理十分复杂,包括气相、液相和非均相等多种反应。最近的实验和观测研究揭示了SO_(2)和NO_(2)生成硫酸盐和硝酸盐的新机理和详细的反应动力学,其被用于空气质量模型后可有效提升数值模式对硫酸盐和硝酸盐的时空分布特征及生成过程的模拟。本文系统总结了PM_(2.5)中二次硫酸盐和硝酸盐生成机制的最新进展,重点阐述了SO_(2)和NO_(2)氧化生成硫酸盐和硝酸盐的重要反应途径的机理和反应动力学结果,讨论了影响SO_(2)和NO_(2)氧化速率的因素以及在表征反应动力学时出现的重大实验挑战,同时探讨了硝酸盐对氮氧化物(NO_(x))、挥发性有机物(VOCs)、氨(NH_(3))减排的敏感性。最后,对未来研究发展方向提出了建议。