我國不同大氣環境下亞微米顆粒物吸濕特性

王 渝,吳志軍,胡 敏 (北京大學環境科學與工程學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京100871)

大氣污染與控制

我國不同大氣環境下亞微米顆粒物吸濕特性

王 渝,吳志軍*,胡 敏 (北京大學環境科學與工程學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京100871)

利用吸濕性串聯微分電遷移粒徑分析儀(H-TDMA)開展顆粒物吸濕性測量,通過對觀測結果進行整理,并結合其他研究成果對我國不同環境下亞微米顆粒物吸濕性進行表征.梳理了包括城市、鄉村、高山和郊區近海岸點不同大氣環境下11個觀測點的測量數據,發現不同環境、不同季節的大氣顆粒物來源不同,顆粒物吸濕性、粒徑分布及模態分布特征差異大.城市點的吸濕參數κ觀測值約為 0.1～0.3;鄉村點比城市點略高,約0.15～0.4;高山點(118.11°E, 30.07°N)的κ約為0.2～0.3;郊區近海岸點(114.17°E, 22.28°N)的κ約為0.2～0.4.除北京郊區點(懷柔冬季觀測)外,其余鄉村點和城市點均觀測到亞微米顆粒物吸濕性隨粒徑增加而增強;高山點和郊區近海岸點的顆粒物吸濕性隨粒徑的變化不顯著.除高山點(黃山)觀測到較高頻率的單模態分布(只有吸濕模態)外,其他觀測點均呈現 2～3個模態分布,說明顆粒物呈外混態.北京和杭州的 H-TDMA觀測結果顯示顆粒物吸濕性隨著相對濕度(RH)的增加而增加,沒有表現出與純硫酸銨類似的潮解行為.顆粒物吸濕性與化學組分的閉合研究發現,與離線膜采樣獲取的化學組分相比,高時間分辨率的在線化學粒徑譜分布信息可以有效提高閉合度,同時有機物的密度與吸濕性,黑碳顆粒物質量濃度譜分布的精確估算將進一步提高閉合度.

顆粒物吸濕性；粒徑分布；模態分布；有效吸濕參數；化學組分

吸濕性是指顆粒物在環境 RH增加時的吸水能力,是重要的顆粒物熱動力學性質之一[1-2],在大氣能見度削減[3],全球氣候變化[4-6],健康影響[7]等環境效應中扮演重要角色.光學方面,顆粒物吸濕增長后體積增大,導致其消光和散射能力增強,進而加速大氣能見度降低[3,8-9].氣候變化方面,具有相同顆粒物粒徑譜分布的粒子群處于相同 RH的大氣中時,吸濕能力強的粒子群比吸濕能力弱的粒子群產生更多粒徑小的云粒子,導致云的壽命增加,降水減少,從而影響氣候變化[5];健康影響方面,顆粒物的吸濕性可以改變其在呼吸系統中的沉降位置和沉降速率,從而改變顆粒物對人體的健康影響程度[7,10].因此,表征和深入理解大氣顆粒物吸濕性對區域空氣質量、氣候變化、大氣化學過程和人體健康等諸多研究領域具有重要意義.

國際上對顆粒物吸濕性的研究始于 1983年[11],在城市、鄉村、森林、高山、海洋等不同大氣環境下對顆粒物吸濕性進行研究[12-13]. Swietlicki等[12]總結了全球范圍內基于 HTDMA測定的顆粒物吸濕性,對不同環境大氣顆粒物吸濕增長因子-概率密度分布函數(GF-PDF)的模態分布特征及各模態顆粒物的可能來源,顆粒物的物理、化學性質對其吸濕性的影響進行探究.目前,吸濕性外場觀測主要集中在歐美、墨西哥等地,在污染較重的亞洲地區表征很少.從顆粒物吸濕性研究歷程來看,大氣顆粒物相關無機鹽(如硫酸鹽、硝酸鹽等)的吸濕性均已得到很好的表征.然而,由于大氣顆粒物中有機物種類復雜、含量及種類處于動態變化,因此對大氣顆粒物有機物吸濕性的表征仍十分有限.目前只對一些水溶性有機物如低碳數羥酸(二羥酸,甲基丁二酸,草酸)[13],(4-水楊酸,左旋葡聚糖,腐殖酸)[14],類腐殖酸HULIS[15]等進行了表征,大氣顆粒物有機物吸濕性的準確測定及其對顆粒物含水量的影響仍是未來研究中一個亟需解決的關鍵問題.

大氣顆粒物吸濕增長在我國復合大氣污染條件下重污染事件的發生和發展過程中扮演重要角色.首先,顆粒物的吸濕增長使其散射系數增大,消光增強,加速大氣能見度的衰減[16];其次,顆粒物可以作為大氣多相反應載體[13],顆粒物吸水后相態發生變化[17],直接影響氣態分子在二次顆粒物界面和體相傳輸速率,半揮發性物質的氣-粒平衡,從而影響了顆粒物界面和體相的化學反應[18].由此可見,深入理解大氣顆粒物吸濕特性及其與化學反應、消光演變之間的關系,有助于提高對重污染過程的發生和發展機制的認識.

本研究利用H-TDMA開展顆粒物吸濕性測量,并對觀測結果進行整理,再結合其他研究成果,對我國不同環境下亞微米顆粒物吸濕性進行表征.通過對全國11個觀測點(包括城市、鄉村、高山和郊區近海岸點)不同大氣環境的吸濕性測量數據進行梳理,總結出不同大氣環境顆粒物吸濕性的粒徑分布及模態分布特征,并探究物理及化學因素對其吸濕性的影響.

1 H-TDMA原理及吸濕參數表征

1.1 儀器原理及數據反演

目前采用的 H-TDMA分為自主搭建式[19]和商業化設備(MSP H-TDMA,型號:1500[20],BMI H-TDMA,型號:3002[21]),二者的基本構造相同,如圖 1所示.本研究中采用由德國萊布尼茲對流層研究所自主搭建的H-TDMA,主要由2個電遷移粒徑分析儀(DMA),2個凝結式顆粒計數儀(CPC)以及加濕控溫裝置組成.大氣顆粒物經干燥(RH＜30%)和極化帶電后進入 DMA1,從而篩選出單一粒徑分布的顆粒物,一路通入 CPC1計數,一路通入加濕控溫裝置加濕,顆粒物吸濕增長后進入DMA2和CPC2,掃描測量出其粒徑數濃度譜分布,從而獲得顆粒物吸濕增長譜分布信息.

圖1 H-TDMA基本結構簡圖Fig.1 Schematic of H-TDMA system

DMA篩選粒徑校準:采用氣溶膠發生器產生已知粒徑的聚苯乙烯橡膠球(PSLs),通入H-TDMA根據DMA1和DMA2測定的粒徑值判斷其篩選顆粒物粒徑的準確性并進行校準.系統相對濕度校準:將硫酸銨顆粒物通入系統內,將測定的吸濕參數與理論值進行比較,從而確認系統誤差及穩定性.在外場觀測過程中,每 4h進行高頻率的硫酸銨標準物測定,實時反應系統的穩定性,并將硫酸銨的測定結果應用于數據處理時系統測定的相對濕度實時校準中,從而有效地提高了測量數據的準確性[22].另外,由于外界環境溫度對 H-TDMA系統穩定性影響較大,該系統應放置在室溫穩定的室內運行.

數據處理方面,由于2個DMA傳輸函數的差別,其篩選粒徑具有一定寬度且略有差異,因此測定的 GF-PDF并不是真正的概率密度分布函數,原始數據需要通過數據反演才能得到真實的概率密度分布函數.H-TDMA數據反演的常用算法有2種,一種是由Stolzenburg和McMurry[23]聯合開發的TDMAfit算法,被應用于黃山點[20],香港[21]測量的大氣顆粒物吸濕性數據反演.此算法假設GF-PDF由2～3個正態分布函數組成,給定初始猜想值后模擬出 2～3個呈高斯分布的模態.另一種算法是Gysel[24]開發的TDMAinv反演算法,目前被廣泛應用于H-TDMA數據的反演.該算法假設GF-PDF為以等間隔的GF為橫坐標的分段線性函數,原始測量分布函數經解卷積變換后可得到與之具有最小殘差的分布函數,即真實的GF-PDF.兩種算法在反演過程中,均可消除由于2個DMA串聯對 DMA傳輸函數的影響,從而獲得真實的GF-PDF.但與TDMAfit相比, TDMAinv算法無需給出影響最終模擬效果的初始值,比較適合處理大量觀測數據[20].本研究中采用的是TDMAinv反演算法對北京、懷柔和望都地區吸濕性結果進行反演.此外,在數據處理過程中,可將實測RH88～92%的GF校正到90%,消除儀器RH不穩定對測量結果的影響,增加測量結果的可比性.

1.2 大氣顆粒物吸濕性的參數表征

GF是指顆粒物在給定RH下,顆粒物吸濕增長后的粒徑DpRH與干狀態的粒徑Dpdry的比值,如公式(1)所示.其中GF也可由GF-PDF計算得出.

由于開爾文效應的影響,具有相同化學組分的顆粒物,其 GF會隨著粒徑的減小而降低. Petters等[25]在 2007年提出用單一參數κ來表征顆粒物吸濕性,該參數基于傳統的 K?hler理論,考慮了開爾文效應和拉烏爾效應的影響.因此,κ只與顆粒物化學組成有關,與RH、顆粒物粒徑無關.其方程如下:

式中:Dpdry為顆粒物的干粒徑;σs/a,ρw,Mw分別代表水的活度,密度,摩爾質量;R為理想氣體常數;T為絕對溫度.

為了探究顆粒物化學組分對其吸濕性的影響,進行了吸濕與化學的閉合研究.在以往的閉合研究中[12-13,26],國內外學者廣泛采用ZSR方法[27]計算具有復雜化學成分的顆粒物的吸濕參數κ或GFmix,如式(4)和(5)所示:

式中:κi, GFi為第i種物質的κ, GF;εi為第i種物質的體積比;n為物質的數量(個);κ,GFmix為顆粒物的吸濕參數值.

2 結果與討論

圖 2總結了我國不同大氣環境下基于 HTDMA外場測量的亞微米顆粒物吸濕性與其粒徑的關系.從圖中可看出,我國吸濕性觀測主要集中在京津冀,長江三角洲和珠江三角洲三大經濟快速發展的城市群地區,觀測點包括城市點(北京、上海、杭州、南京),鄉村點(望都、懷柔、香河、武清、番禺),高山點(黃山)及郊區近海岸點(香港).圖中,北京、望都、懷柔和香河地區的數據來自本研究小組的觀測結果,其他點位觀測數據引自文獻,詳細的點位信息如表1所示.為了方便統計和比較,本文中將已發表文獻中描述的華北平原,珠江三角洲區域背景點如武清,番禺歸為鄉村點.總的來看,城市點的κ約為 0.1～0.3[19-20,22,28-29];鄉村點約 0.15～0.4[30-32],比城市點偏高,尤其是華北平原鄉村點夏季觀測值高達0.3～0.4[30-31];高山點κ約為 0.2～0.3[20,33];郊區近海岸點的κ約為 0.2～0.4[21],受海洋氣團影響時,大氣顆粒物吸濕性較強,κ高達0.3～0.4[21].

下面將從以下幾個方面對我國不同大氣環境顆粒物吸濕性進行歸納分析.

圖2 我國不同大氣環境的顆粒物吸濕性與粒徑關系Fig.2 Size-dependency particle hygroscopicity in various environments in China

2.1 顆粒物吸濕性的粒徑分布特征

不同環境、不同季節顆粒物來源不同,吸濕性粒徑分布特征差異大.從圖1中可看出,除北京懷柔外,其他鄉村點(望都、香河、武清、番禺)和城市點(北京、上海、杭州、南京)的觀測均顯示顆粒物吸濕性隨粒徑的增加而增強.Swietlicki等[12]在全球城市和鄉村地區大氣環境顆粒物吸濕性觀測結果也得出相同的結論.顆粒物吸濕性隨粒徑增加而增強的趨勢可能有以下幾點原因:較小粒徑的顆粒物(如愛根核模態)在城市地區主要來源是交通排放[34],而交通排放的一次顆粒物幾乎不吸濕且呈外混態[35].較大粒徑顆粒物(如積聚模態)的生命周期比小粒徑顆粒物長,老化程度高.強吸濕性的二次組分如硫酸鹽,硝酸鹽等生成后,經凝結,酸堿中和等過程進入顆粒相,與此同時,顆粒相中的有機物進一步老化[36],大氣中這些老化過程增強了顆粒物的吸濕性[36-37]. Huang等[38]在北京城區觀測中發現隨粒徑增大,顆粒物中有機物的占比逐漸減小而二次無機鹽比例逐漸上升,二次無機鹽的吸濕性遠遠強于有機物[13],進一步證明了以上顆粒物吸濕性隨粒徑的變化趨勢.然而,在懷柔點觀測到積聚模態的顆粒物吸濕性隨著粒徑的增大而降低,可能是由于在觀測期間觀測點受散煤燃燒影響.有研究表明煤燃燒排放的顆粒物,小粒徑顆粒物(如70～80nm)中吸濕性較強的硫酸鹽含量最高[39],因此 GF最高值出現在 75～100nm.同時,冬季大氣氧化性低,積聚模態顆粒物老化程度低.雙重作用使得懷柔觀測期間大氣顆粒物積聚模態顆粒物吸濕性低于愛根核模態顆粒物.

表1 全國大氣顆粒物吸濕性觀測站點信息Table 1 Site information for atmospheric particle hygroscopicity measurements in China

與城市點和鄉村點不同,郊區近海岸點(香港)受城市和海洋氣團的雙重影響,顆粒物吸濕性隨粒徑變化不顯著(圖 2).目前,我國對高山點的吸濕性觀測很少,最近吳奕霄等[20]在黃山光明頂與山底同時進行了顆粒物吸濕性測量,結果顯示顆粒物吸濕性與粒徑變化關系不顯著,可能與當地顆粒物的化學組分和來源密切相關.由于該研究沒有報道顆粒物的化學信息,無法深入分析造成該粒徑分布特征的原因.

2.2 顆粒物吸濕性的模態分布特征

不同環境下顆粒物來源不同,吸濕性模態分布特征差異大.通常,按照吸濕性的強弱可根據GF-PDF分布特征將顆粒物分為2～3個吸濕模態,即不吸濕模態,弱吸濕模態,強吸濕模態,不同研究對吸濕模態的個數及各模態邊界值有所差異.例如,圖 3展示了北京地區的 100nm顆粒物的GF-PDF測定結果,顆粒物呈現雙模態分布,在GF=1.2處分為吸濕模態和不吸濕模態.各觀測點的顆粒物模態分布,除香河,上海,北京(2005年)分為3個吸濕模態外,其他觀測如北京(2014年),望都等地的研究均分為2個模態.

2005年與2014年北京夏季顆粒物吸濕模態吸濕性相差不大,均高于 2005年冬季[22,28].其原因在于北京地區冬季吸濕性相對較弱的有機物比例高達 50%,高于夏季(40%),而吸濕性較強的二次無機鹽夏季占比高[40].

圖3 北京大氣中100nm顆粒物GF-PDF分布圖Fig.3 GF-PDF of atmospheric particles with size of 100nm in Beijing

華北平原鄉村點(香河[31],武清[41])的顆粒物吸濕模態吸濕性遠高于城市點北京[22,28].以往的研究中發現,由于本地氣團的影響,與城市點相比,在水平輸送過程中,到達鄉村點的氣團較為老化[21],如前所述,老化顆粒物吸濕性更強[36].而珠江三角洲鄉村點番禺顆粒物吸濕模態則表現出較低的吸濕性,這可能與冬季廣州地區顆粒物中有機物的占比偏高有關[42].

近海岸香港點的顆粒物吸濕性在主要受海洋氣團控制時吸濕模態的平均κ為0.36～0.4,遠高于主要受大陸氣團控制(0.25～0.34)[21].文章中指出,5月中旬及9月上旬,觀測點受海洋氣團控制,可能由于海洋微生物排放的二甲基硫轉化為硫酸鹽及未中和的硫酸鹽形成雙硫酸鹽分子等過程增強了吸濕模態吸濕性[12].然而在9月下旬及11月,大陸氣團與來自內陸海岸的氣團占據主導地位,顆粒物中有機物含量相對較高,吸濕性相對較弱[21].

黃山山頂觀測到GF-PDF呈現出高頻率單模態分布(GF:1.25～1.45),發生頻率為48%,而且主要出現在下午,具有很強的日變化規律[33].此結果與在瑞士Jungfraujoch觀測相一致,可能由于午后熱力對流將邊界層中吸濕性較強的老化顆粒物傳輸至觀測點所致[43-44].此外,黃山山底顆粒物吸濕性強于山頂,可能是由于山底觀測點靠近景區,人為污染影響較多,而山頂地區較為清潔,顆粒物中吸濕的化學組分較少,吸濕性相對較弱[20].

2.3 不同RH下顆粒物吸濕增長

為了研究大氣顆粒物吸濕行為與 RH的變化關系,在外場觀測中通常采用改變 H-TDMA中設定的RH,測定不同RH下的顆粒物GF.如圖4中顯示了北京[22],杭州[45],武清[30]測定的不同RH下顆粒物的吸濕增長.3個觀測點在不同的RH范圍內,均觀測到顆粒物吸濕性隨相對濕度的增加呈增加趨勢.從北京(15%～90%),杭州(70%～90%)的觀測結果顯示大氣環境顆粒物吸濕性隨著相對濕度的增加而增加,沒有表現出與純硫酸銨類似的潮解行為(潮解點:80%[13]).這一現象在全球不同的觀測環境中被多次證實,如對流層點 Jungfraujoch[43],城市點巴黎[46],森林點Hyyti?l?[47]等.Marcolli等[48]在實驗室模擬無機物與有機物的混合物吸濕性研究中發現,隨著有機物比例的升高,無機物的吸濕潮解行為逐漸消失.據報道,北京地區的長期化學組分數據顯示 PM1中有機物占比高達 40%～50%[40],因此,環境大氣中有機物的大量存在可能是沒有觀測到大氣顆粒物吸濕潮解行為的原因.

圖4 不同RH下顆粒物的吸濕增長Fig.4 Particle hygroscopic growth during different RHs

2.4 顆粒物吸濕性與化學組分關系的探討

顆粒物的吸濕性與其化學密切相關[12],為探究顆粒物的化學組分對其吸濕的影響,通常進行顆粒物吸濕和化學的閉合研究.閉合研究是將由化學組分估算的κ與H-TDMA實測值比較研究的一種方法.閉合研究中通常采用 ZSR方法估算化學組分的κ,其計算方法如 2.2中式(5)(6)所示.表2總結了武清[41]、香港[21]、北京[22]觀測的顆粒物吸濕和化學閉合研究結果,包括化學組分測定手段,無機鹽、有機物、化學組分的κ值(κ無機鹽,κ有機物/GF有機物,κ化學)估算方法.其中,化學組分的測定方法分為離線膜采樣(武清)和高分辨率飛行時間氣溶膠質譜(HR-Tof-AMS) (香港,北京).由于離線膜采樣存在時間分辨率低,陰陽離子不完全平衡等誤差,近年來興起使用了HR-Tof-AMS,可提供高時間分辨的化學組分粒徑譜分布信息,有效地提高了閉合度.需要注意的是HR-Tof- AMS不能測定600℃以上難揮發的組分,例如氯化鈉,黑碳等[21],因此會造成閉合研究中化學組分的缺失,影響閉合程度.Wu等[22]在閉合研究中考慮了黑碳的影響,并將其應用于化學組分的體積分數計算,結果顯示 150, 250及350nm顆粒物可以實現較好的閉合.

運用 ZSR方法對化學組分的κ進行估算前,需將顆粒物中各無機鹽和有機物的κ分別進行估算.目前基于熱動力學模型如 ISORROPIAⅡ, E-AIM,離子配對模型等估算無機鹽的κ較為精準[26],而由于大氣顆粒物中有機物的復雜性,其κ不能準確測定.

大氣有機物κ的估算方法有3種,即經驗值法,建立有機物κ與氧化態線性關系法和正交因子矩陣(PMF)解析法.經驗值法是指根據單個或某類有機物的κ或模型模擬值來估算實際大氣中有機物的κ.例如,Gysel等[26]通過總結在90%的相對濕度下,各有機物如類腐殖酸(～1.18),煙霧箱模擬二次氣溶膠(～1.17),H-NMR官能團模擬值(～1.11)等的吸濕性,估算出大氣顆粒物中有機物的GF大約為(1.20±0.10),并驗證出當GF=1.18時,吸濕與化學的閉合效果最好.此經驗值被后來的閉合研究廣泛采用.Jimenez等[36]發現大氣顆粒物中有機物κ與其氧化態呈線性關系,為表征有機物吸濕性提供了一個新思路.顆粒物氧化態可由AMS測得的f44或O:C來表征.f44是指核質比為44的質譜信號,常用作高氧化態物種的示蹤物;O:C是指顆粒物中氧和碳的比值,值越大代表有機物的氧化程度越高[21].通過建立κ有機物與f44[49]或O:C[36]的線性方程,可估算κ有機物.然而,Wu等[22]總結不同環境有機物κ與氧化態的線性方程中發現,不同環境線性方程斜率變化很大且較為離散,此方法的應用具有一定的局限性.第3種方法是PMF解析法.通過PMF解析出顆粒物的一次有機物及二次有機物所占比例,并結合其 GF/κ從而估算出總有機物的吸濕參數.其中,一次有機物不吸濕,κ為 0.不同文獻對于二次有機物吸濕性取值不同,如 Wu等[22]及Yeung等[21]分別為κ=0.1及GF=1.29.Yeung等[21]采用3種有機物κ估算方法的閉合結果發現,當有機物的GF為1.18時,各粒徑閉合效果最好.而其他2種方法(包括建立f44與GForg,f44與GForg線性方程法,PMF解析法)閉合效果與顆粒物粒徑,觀測時間等有關,并未改善閉合結果.

表2 吸濕性與化學組分閉合研究總結表Table 2 Summary of closure study between particle hygroscopicity and chemical composition

此外,為了深入探究顆粒物吸濕性與化學組分的關系,Wang等[50]將H-TDMA與AMS聯用,同時測定了 250nm顆粒物的吸濕性與化學組分.結果解析出5種顆粒物:無機鹽/塵粒,生物質燃燒顆粒物,EC/OC顆粒物,富含有機胺的有機碳顆粒物及高質量有機碳顆粒物,并給出吸濕模態和不吸濕模態的化學組分特征及混合態信息.結果顯示有機碳含量升高會降低顆粒物的吸濕性而有機胺及二次無機組分的升高會使顆粒物更吸濕.

3 結論

3.1 城市點的κ觀測值約為0.1～0.3;鄉村點比城市點略高,約 0.15～0.4,尤其是華北平原鄉村點夏季觀測值高達0.3～0.4;高山點κ約為0.2～0.3;郊區近海岸點的κ約為 0.2～0.4,受海洋氣團影響時大氣顆粒物吸濕性較強,κ高達0.3～0.4.

3.2 除北京懷柔點冬季觀測結果外,其他鄉村點以及城市點均觀測到顆粒物吸濕性隨粒徑的增加而增強.而近海岸點香港和黃山地區亞微米顆粒物吸濕性隨粒徑的變化不顯著.

3.3 吸濕性模態分布,除高山點(黃山)觀測到較高頻率的單模態分布(只有 1個吸濕模態)外,其他觀測點均呈現2～3個模態分布,表現出外混態的分布特征.華北平原的鄉村點(如香河,武清)顆粒物吸濕模態的吸濕增長比北京城市點更強.而對于近海岸香港點,顆粒物吸濕性受海陸氣團交替影響顯著.

3.4 北京和杭州的 H-TDMA觀測結果顯示顆粒物吸濕性隨著 RH的增加而增加,并沒有表現出與純硫酸銨類似的潮解行為.

3.5 顆粒物吸濕性與其化學組分密切相關,有限的顆粒物吸濕與化學組分閉合研究顯示,與離線膜采樣提供的化學組分相比,利用在線高分辨的化學粒徑譜分布信息可以有效提高閉合度.此外,精確估算有機物的密度和吸濕參數以及黑碳顆粒物的質量濃度譜分布將進一步提高閉合度.

4 展望

我國大氣顆粒物吸濕性外場觀測相對較少且集中在京津冀,珠江三角洲及長江三角洲城市群的經濟快速發展地區,在未來研究中應增加在不同環境下顆粒物吸濕性測定.首先,可在污染較重的城市點進行吸濕性的長期觀測,探究顆粒物吸濕性或者由其估算的含水量與污染程度之間的關系,探究顆粒物吸濕性在大氣污染發生和發展過程中的重要作用.其次,目前顆粒物吸濕性研究主要測定顆粒物在80%～90%相對濕度下的吸濕行為,而中等濕度(50%～60%)及高濕(90%～99%)狀態下的吸濕性測定較為匱乏.未來研究中可增加該濕度范圍的吸濕性測定.最后,可增加顆粒物吸濕性與高時間分辨率的化學組分同步觀測,從而更深入的解釋顆粒物吸濕性與其化學組分的關系.從顆粒物吸濕性與化學組分閉合研究總結中發現,精確測定有機物密度與吸濕性,黑碳顆粒物質量濃度譜分布有助于提高吸濕性-化學組分的閉合度.

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致謝：感謝北京大學環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室提供觀測平臺的支持及學術指導,感謝萊布尼茲對流層研究所 Alfred Wiedensohler教授提供H-TDMA儀器.本文引用了全國其他地區顆粒物吸濕性觀測結果,在此對作者致以由衷的謝意.

Hygroscopicity of atmospheric sub-micrometer particles in various environments in China.

WANG Yu, WU Zhi-jun*, HU Min (State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1601～1609

In the past several years, the measurements of particle hygroscopicity were deployed using H-TDMA (Hygroscopicity-Tandem Differential Mobility Analyzer). This study compiled the outcomes in our group and published results to summarize the hygroscopicity of the sub-micrometer particles in various environments in China. The κ values in the urban areas were around 0.1～0.3. In rural areas, the κ values ranged from 0.15 to 0.4, which were slightly higher than the urban one. The κ values at a mountain site (118.11°E, 30.07°N) and a near-coastal site (114.17°E, 22.28°N) were 0.2～0.3 and 0.2～0.4 respectively. Except for the observation in a rural site of Beijing during wintertime, the particle hygroscopicity increased with increasing particle size in other rural and urban sites. No significant dependency between the hygroscopicity and particle size in the mountain and coastal areas. Typically, particle hygroscopicity showed 2～3 modes distribution, indicating an external mixing state of atmospheric particles. However, high frequency of a single mode (hydrophilic mode) was observed in the mountain site. The growth factor (GF) smoothly enhanced with increasing relative humidity (RH) in the atmosphere of Beijing and Hangzhou, without showing a delinquent behavior. The closure studies between particle hygroscopicity and chemical composition showed that the hygroscopicity can be well predicted using size-resolved particle chemical composition. The precise detections of particle density and hygroscopicity of organics, and the mass size distribution of black carbon are still needed for the improvement of closure study.

particle hygroscopicity；size distribution；hygroscopic mode distribution；effective hygroscopic parameters；chemical composition

X513,X831

A

1000-6923(2017)05-1601-09

王 渝(1992-),女,河北唐山人,碩士研究生,主要從事大氣顆粒物吸濕性研究.

2016-10-19

國家自然科學基金(41475127,41571130021);國家重點研發計劃(2016YFC0202801);環保部公益項目(201409010)

* 責任作者, 研究員, zhijunwu@pku.edu.cn