高分辨率气溶胶质谱仪研究大气一次和二次有机气溶胶的来源、混合状态及演化机制

本项目将基于目前唯一能够同时在线测量气溶胶化学组成和粒径分布的高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪对城市复合大气气溶胶，特别是有机气溶胶进行实时外场观测，全面表征有机气溶胶的来源，化学特征，粒径分布，混合状态以及季节变化。发展最新多元统计分析方法解析有机气溶胶高分辨率谱图，定量和解析有机气溶胶各组分包括一次而二次有机气溶胶，半挥发性有机气溶胶和低挥发性有机气溶胶的来源、粒径分布和形成演化机制，重点研究一次有机气溶胶的大气演化过程以及二次有机气溶胶的生成机理。同时结合大量的平行观测数据包括痕量气体和气溶胶光学特性等深入研究大气气溶胶的复合、氧化和老化过程，追因气溶胶的来源及其对灰霾成因的影响，为防控我国日益严重的大气灰霾空气污染提供科学依据。

有机气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，然而其来源，演化机制以及对灰霾形成的影响仍存在很大的不确定性。本项目基于目前唯一能够同时在线测量有机气溶胶质量浓度和粒径分布的高分辨率气溶胶质谱仪，开展了北京冬夏季综合观测实验，表征了北京不同季节有机气溶胶的质量浓度、日变化、季节变化和演变规律。结果发现，夏季有机气溶胶气溶胶在PM1中的平均贡献约为40%，而冬季则高于50%，凸显了有机气溶胶在冬季大气污染中的重要性。运用受体模型PMF对有机气溶胶进行源解析发现，北京夏季二次有机气溶胶贡献超过60%，且其贡献量随污染程度的增加而增加，说明二次有机气溶胶在夏季大气污染中起重要作用。而在冬季，PMF共解析出三类典型一次有机气溶胶，包括机动车、餐饮和燃煤有机气溶胶，和两类老化程度不同的二次有机气溶胶。结果表明，一次有机气溶胶是冬季有机气溶胶的主要组成部分，其中燃煤有机气溶胶贡献总量的约三分之一，且随着污染程度的加剧贡献量显著增加。上述研究结果表明一次和二次有机气溶胶在冬季和夏季的颗粒物污染重作用显著不同。基于源解析结果，利用多线性回归模型，发现二次有机气溶胶的消光贡献显著高于一次有机气溶胶，而在冬季，燃煤有机气溶胶的消光贡献显著增加，凸显燃煤排放在冬季重污染形成中的作用。发展了气溶胶质谱谱图解析的正矩阵因子分解法，首次将PMF应用于解析有机组分和无机组分统一合并的质谱矩阵。新方法可以很好地研究有机组分和无机组分的混合情况，气溶胶酸碱性以及与大气化学过程密切相关的关键机制。另外，发展了多元线性回归技术解析气溶胶质谱三维粒径谱图的新方法，可以直接获取典型有机组分的粒径分布，进而深入研究城市有机气溶胶老化过程中粒径分布的演变规律。建立了基于示踪质荷比m/z 57和m/z 44快速估算北京大气一次和二次有机气溶胶组分浓度的新方法，可以更快地了解大气复合污染的成因。项目研究成果对防控我国严重的大气复合污染具有重要的启示意义。如项目研究所揭示的夏季高浓度二次有机气溶胶和冬季高浓度燃煤有机气溶胶表明优先控制二次有气溶胶前体物和燃煤排放是改善北京夏季和冬季有机颗粒物污染的最有效途径之一。

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