珠三角地区新粒子生成特性及其二次组分的作用

New particle formation (NPF) is an important gas-to-particle secondary transformation process that the gases nucleate to clusters, flowed by their subsequent condensation and coagulation growth to observable particles. The NPF event can impose significant influence on global radiation balance via absorbing and scattering the sun rays, affect climate change indirectly through physical process of cloud condensation nuclei, and cause adverse health effect. The air pollution in the Pearl River Delta (PRD) region is characterized of complex air pollution with high concentrations of ozone and fine particle mass. NPF is one of the key scientific questions to reveal secondary formation of aerosols and to know about and control the regional complex air pollution in PRD. This research, based on the long-term,high time resolution, and high particle size resolution observation for the size distributions of particle number cocentration and chemical compositions and single particle compostions at Guangdong Atmospheric Supersite, develops several aerodynamic models to investigate the formation and growth properties of the newly formed particles, analyzes the roles of gaseous sulphuric acid and secondary compositions, including sulfate, nitrate, ammonium, and organic compounds in the formation and growth processes of new particles, and evaluates the contribution of NPF to the fine particles in PRD. This work will also help to reveal the evolution process and environmental effects of atmospheric aerosols, especially in the atmosphere with complex air pollution.

新粒子生成是大气气态分子核化生成分子簇，继之通过凝结与碰并等增长为可观测颗粒物的过程，是气态污染物向颗粒物二次转化的重要途径。新生成的颗粒物不仅可通过吸收、散射太阳光改变全球辐射平衡，还可通过改变云凝结核物理过程间接影响全球气候，且具有潜在负面健康效应。珠三角地区以高浓度细颗粒物和臭氧为特征的大气复合污染形势较为严峻。新粒子生成事件及其特性是揭示颗粒物二次转化和大气复合污染本质的关键科学问题之一。本研究利用珠三角地区大气超级监测站颗粒物数谱、细颗粒物化学成分粒径谱与单颗粒化学组成的长期、高时间分辨率、高粒径分辨率观测数据等，改进新粒子生成气溶胶动力学模型，掌握珠三角新粒子生成事件的变化规律，揭示新粒子生成与增长特性，并探讨气态硫酸和硫酸盐、硝酸盐、铵盐与有机物等二次组分在新粒子生成与增长中的作用，分析新粒子生成事件对珠三角地区细颗粒物的贡献，为深入了解大气气溶胶的演变及其环境效应提供支持

本研究基于珠三角大气超级站小至3nm高时间分辨率、高粒径分辨率的颗粒物数谱分布与细颗粒物化学组成的外场观测及气溶胶动力学模型，在把握珠三角新粒子生成（NPF）事件发生条件与变化规律的基础上，揭示珠三角新粒子的生成与增长特性，并深入分析NPF过程中二次组分的作用，为认识珠三角大气气-粒二次转化和大气区域污染成因、为区域与全球空气质量与气候模型中更合理地考虑NPF事件的贡献、削减模型的不确定性提供重要依据。.（1）揭示珠三角二次反应活跃地区颗粒物数谱分布特征。珠三角大气超级站冬、春、夏和秋季总颗粒物数浓度分别为2.17×104cm-3、1.97×104cm-3、2.36×104cm-3和2.24×104cm-3。颗粒物总数浓度、表面积浓度和体积浓度中，积聚模态颗粒物的贡献均非常显著，体现了该站点的区域性。夏、秋季颗粒物数谱分布中可以看到明显的颗粒物增长过程，体现了NPF事件的重要影响。. (2)明确NPF事件发生的规律与参数特性。超级站NPF事件的平均发生频率为23%，夏秋季较高。新粒子生成速率为0.4-6.6cm-3s-1，增长速率为3.0-24.1nm h-1。新粒子的生成速率、平均增长速率、可凝结蒸汽浓度在夏季最高，秋季次之，冬季最低。珠三角夏秋季节植物生命活动较为活跃，大气氧化性较强，光化学过程非常活跃，有利于可凝结蒸汽的生成，促进了NPF事件的发生。.(3)量化NPF事件能否发生的关键条件。新粒子天与非新粒子天的气象参数与大气成分的对比发现，高温、低湿、强辐射、高风速、低颗粒物表面积浓度与高臭氧浓度等条件有利于珠三角地区NPF事件发生。当气态硫酸成核强度超过1×108cm-3s-1时，NPF事件将会发生，是决定珠三角NPF能否发生的关键阈值。.(4)识别硫酸盐和有机物等二次组分对NPF事件的重要贡献。秋季3-6nm新粒子生成速率与气态硫酸浓度三次方有较好的拟合结果，体现了热力学成核的显著影响；但不同新粒子天，不同成核机制的相对影响不同。气态硫酸凝结对新粒子增长的贡献为17-50%；新粒子增长速率>8nm/h时，其贡献为17-20%，指示其他物种（如低挥发性有机物）可能会参与并主导颗粒物增长过程。以硫酸盐增长为主的新粒子天比以有机物增长为主的新粒子天具有更高的颗粒物有效吸湿性参数，导致云凝结核临界粒径更小，对云凝结核数浓度的影响更显著。