热点研究 | 无机气溶胶质量分数增加对中国空气污染和霾事件的影响

原文题目：Increased inorganic aerosol fraction contributes to air pollution and haze in China

发表期刊：Atmos. Chem. Phys.  

作者：Yonghong Wang, Yuesi Wang, Lili Wang, et al.

第一作者机构: State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry (LAPC), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 

出版年：2019年

近年来中国一直遭受严重的空气污染，由于气溶胶特性的时空变化和观测信息有限，对于高浓度PM2.5霾事件的理解有待提高。最近研究发现，二次气溶胶组分对2013年1月北京、西安、成都和广州强霾事件的产生起到重要影响，减少气溶胶前体物是减少气溶胶污染的关键。2005-2011年中国NO2柱浓度呈上升趋势，而2012-2015年呈下降趋势。2012-2015年，华北平原SO2浓度下降了约50%。2015-2017年中国PM2.5和SO2呈显著下降趋势。大气气溶胶中无机和有机组分占比较高，它们的时空变化较大。确定影响霾形成的关键气溶胶物种及其变化，对于制定有效的大气污染防治计划至关重要。由于硝酸盐、硫酸盐等无机组分及其前体物的强吸水能力，以及在高相对湿度（RH）情况下的光散射能力，大气气溶胶中无机组分的增加可能是导致霾污染事件的关键因素之一。本研究利用综合地面数据集揭示大气气溶胶中无机组分的变化趋势，探究无机气溶胶质量分数增加对中国空气污染和霾事件的影响。

数据与方法

01

中国262个地点的日平均能见度和相对湿度数据来自美国NCDC 1980-2010年的综合地面数据集（ISD）（https://www.ncdc.noaa.gov/isd）。本研究使用参数Ri分析气溶胶吸湿性的长期趋势。Ri为i年20天以上日均相对湿度低于40%的平均能见度（Vdry）与20天以上相对湿度80%-90%的平均能见度（Vwet）之比。NO2和SO2数据的大气柱浓度分别从2002-2012年和2004-2012年的SCIAMACHY卫星产品获取。使用了1998-2012年中国GEOS-Chem模型反演和卫星观测的气溶胶光学厚度（AOD）产品中的气溶胶化学组分。2010年11月至2011年1月，在北京市区采用高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪测量了有机气溶胶、硫酸盐、硝酸盐、铵和氯化物的气溶胶化学组分。

结果与分析

02

1）高相对湿度下能见度呈下降趋势。华北平原（NCP）、四川盆地（SCB）、长江平原（YRP）和全国在低相对湿度下的能见度分别为18.2、21.4、19.5和23.3 km，高相对湿度下的能见度分别为10.6、13.7、13.7和17.4 km。总体而言，在高相对湿度下能见度呈下降趋势。Figure 1显示了1980-2010年低相对湿度与高相对湿度的平均能见度比值。在中国东部和一些西部城市比值最大。根据高Ri值确定的三个严重污染区域为华北平原、四川盆地和长江平原，这也与气溶胶质量浓度和霾日分布一致。也就是说，在华北平原和四川盆地等空气污染较为严重的地区，吸湿性气溶胶的贡献比非吸湿性粒子更为明显。华北平原、四川盆地和长江平原1980-1984年的平均Ri值分别为1.62、1.41、1.29和1.31，而2006-2010年分别为1.98、1.81、1.70和1.52，分别增加22.3%、27.3%、31%和16%。该比值在某一特定地点的长期趋势可以揭示无机气溶胶组分和有机组分由于其吸湿性和吸水能力以及相关的消光能力不同而发生的变化。对于华北平原、四川盆地、长江平原和全国范围，区域平均Ri值与该区域30年（1980-2010年）平均值的差值如Figure 2所示。华北平原、四川盆地和长江平原三个重污染区域该差值呈逐年上升趋势，华北平原的上升趋势最大，为每年0.0168，表明过去30年由于吸湿性无机气溶胶组分的增加，这些地区的霾日数显著增加。

Figure 1. The distribution of the average surface visibility ratio in dry and wet conditions based on observations at 262 surface observation sites in China. The aerosol in the industrialized regions of China in the east is more hygroscopic than aerosol particles in the west of China.

2）无机气溶胶前体排放增强。2002-2010年，全国的NO2柱浓度翻了一倍，2002年为1.4x1015 mol cm⁻²，2010年为2.8x1015 mol cm⁻²。此期间中国三个霾污染严重地区的NO2柱总量呈显著增长趋势，尤其是华北地区，增加值为0.14x1015 mol cm⁻² year⁻¹。作为重要的气溶胶前体，200-2010年NO2的增长趋势与模拟的气溶胶浓度增加趋势一致。2004-2010年华北平原、四川盆地和长江平原的SO2浓度呈上升趋势。

Figure 2. Anomalies and trends of the ratio of visibility in the North China Plain, Yangtze River Plain, Sichuan Basin and China as a whole. The relative contribution of hygroscopic aerosols to the visibility reduction has increased from 1980 to 2010 in China.

3）现场测量验证污染水平升高与无机气溶胶组分增加密切相关。如Figure 5所示，2010年11月至2011年2月北京市区的气溶胶化学组分和能见度观测数据表明，随着能见度从10 km（清洁时间）下降到2 km（严重污染时间）以下，SO2和NO2的无机气溶胶前体浓度几乎翻了一番。同时，硝酸盐、硫酸盐和铵组分的质量浓度分别增加到13.5 μg m⁻³、15.5 μg m⁻³和10.6 μg m⁻³。同时，这些无机物的质量分数分别从11.3%增加到17.3%，13.0%增加到19.9%和9.6%增加到13.6%。同时，有机组分的质量浓度和占比分别从12.2 μg m⁻³变为33.4 μg m⁻³和60%变为46%。随着相对湿度的升高，硝酸铵的含量增加最为明显（Figure 6b）。相反，硫酸铵作为另一种无机化合物，与相对湿度呈中度正相关（Figure 6a），而相对湿度大于75%时，体积分数下降。这可能与SO2在高相对湿度情况下液相氧化为硫酸盐气溶胶有关。有机气溶胶的体积分数与相对湿度的增加呈负相关(Figure 6c)，这可能是由于无机气溶胶的体积分数比有机气溶胶增长更快。

Figure 5. Variation of (a) NO2, SO2, (b) chemical composition and(c) mass fraction of organic aerosol, nitrate, sulfate, ammonium and chloride with decreased visibility during the intensive campaign in Beijing.

主要结论

03

颗粒物中无机气溶胶组分的增加对1980-2010年频繁发生的霾事件起着至关重要的作用。由于硝酸铵气溶胶较多，气溶胶在相对湿度较低的情况下发生了吸湿增长，大气气溶胶的光散射能力增强。高浓度的NOx可以促进严重污染期间SO2通过液相氧化转化为硫酸盐气溶胶。由于硝酸盐、硫酸盐及其前体的强吸水能力，以及在高相对湿度情况下的光散射能力，应优先控制无机气溶胶组分。考虑到未来几十年的巨大能源消耗和大气气溶胶中无机组分的来源，应持续减少硝酸盐、硫酸盐及其前体，以改善中国的大气能见度。

Figure 6. Relationship between RH and volume fractions of (a) ammonium sulfate, (b) ammonium nitrate and (c) organic aerosol.

【E文载道 整理；CCAPP秘书处 发布】

往期回顾

沙龙活动 | 2019年第4期学术沙龙“挥发性有机物治理的系统路径”在京顺利举办

专家观点 | 首钢集团绿色制造创新实践与展望（刘玉忠）

专家观点 | 焦化行业烟气治理现状及深度治理技术浅析（黄家玉）

让我们共同创造

   世界级洁净空气

长按扫码关注我们