分子水平表征城市边界层大气有机气溶胶的垂直分布特征

Atmospheric aerosols are formed from a large variety of natural and anthropogenic sources. In recent years, studies that focus on the molecular composition and size distribution of organic aerosols, as well as stable isotope ratios of aerosol particles are among the most active research fields in atmospheric chemistry. Although exellent studies on the chemical composition and source apportionment of atmospheric aerosols have been conducted in urban regions in China, little is known about the vertical distributions of organic aerosols in the urban boundary layer, especially at a molecular level. In this project, the vertical distribution of organic aerosols will be investigated based on the meterological tower (325 m above ground level) at a urban site in Beijing. The organic molecular compositions, size distributions of different organic species as well as their mass concentration ratios will be characterized at a comprehensive way, together with their seasonal and vertical patterns. Fluorescenc properties of water soluble organic carbon (WSOC) and their vertical distributions will also be one of the main topics in this study. In general, the objective of this project is to broaden our knowledge of the vertical distributions of organic aerosols in the urban boundary layer and their sources, formation and aging processes during long-range transport, which provides useful scientific evidence to protect the atmospheric environment and improve the air quality in urban regions.

大气气溶胶的研究，尤其是有机气溶胶的分子组成、粒径分布以及稳定同位素组成的研究一直是国际大气化学领域的研究热点。在我国城市地区，对于灰霾和非灰霾时期的大气气溶胶的化学组成及来源解析等已有系统地阐述，然而对城市边界层中气溶胶化学组成的垂直分布特征研究相对匮乏。本课题拟利用中国科学院大气物理研究所的325米气象铁塔，对北京市区大气气溶胶的垂直分布特征等进行系统研究。采用稳定C和N同位素分析相结合，利用有机气溶胶的分子标志物浓度、同位素比值、初次和二次有机气溶胶标志物的比值、粒径分布，以及水溶性有机碳的荧光光谱特性等在边界层中的垂直分布特征，研究该地区大气气溶胶的来源、组成和老化过程、季节性变化规律等。目的是增进理解各种典型霾天气下，城市大气边界层的化学组分的垂直分布特征及其形成和演化机制，为区域城市大气环境保护和改善提供科学依据。

项目立项前，大量研究报道了中国大气重污染地区的近地面有机气溶胶特性，而与人类活动关系最为密切的近地面数百米内的城市边界层中一次和二次有机气溶胶的垂直分布特征却鲜有报道，对气溶胶的有机分子组成、荧光特性以及稳定同位素更是知之甚少。基于此，项目以北京325-m气象塔为依托，分季节在近地面（8 m）和北京325-m气象铁塔的两个高度（120 m和260 m）采集了气溶胶膜样品，结合各项分析技术，获得了气溶胶的有机分子、OC/EC、TC/TN及其稳定同位素、粒径分布、单体同位素和三维荧光光谱等大量气溶胶垂直分布特征的信息，同时结合源解析方法辨析了气溶胶来源。项目研究的重要结果：（1）北京城市边界层内，近地面到上层空间有机气溶胶的组成、来源和大气化学过程具有明显的差异性；（2）近地面气溶胶受本地源影响较大，主要为一次源的贡献（如塑料垃圾排放和化石燃料燃烧）；高层气溶胶明显受到了外来输送源的影响（如土壤尘的远距离输送），且高层气溶胶中二次源的贡献明显增加；（3）二次有机产物的贡献在北京灰霾过程中明显增加，说明其对北京污染形成起到了重要作用；（4）气溶胶的单体同位素能够有效的辨析污染物来源，且具有明显的季节变化特征；（5）气溶胶中共解析出三个荧光组分（HULIS-1，HULIS-2和PLOM），它们的组成、比例和来源具有季节变化。冬季以生物质燃烧源为主，夏季二次光化学过程明显,且冬季荧光强度高于夏季。重霾天HULIS受到输送和二次生成作用影响较大，而PLOM受地面源影响大。以上研究有助于全面了解城市气溶胶的组成、来源、反应和垂直特征，帮助人们了解区域空气质量水平，以及有机气溶胶在灰霾过程中的作用和潜在的健康效应，并为合理的减排措施提供科学参考依据。