南京大气气溶胶理化特性对其消光系数的影响机制研究

The aerosol pollution has been a serious environment problem, especially the occurrence of haze. The serious haze has an important impact on visibility and human health. However, the observation study on the effect of aerosol physical and chemical characteristics on its optical properities for hazy days is far from completeness. The aerosol size distribution, chemical composition, hygroscopic growth and optical properties will be launched by using online-offline instrument, such as the H-TDMA, WPS, IC, OC/EC analyzer, integrating nephelometer and aethalometer during clean and polluted episodes in Nanjing. The relationship between physical and chemical characteristics, ambient environment conditions and optical properties can be clarified. The difference mechanism between theoretical and measured aerosol hygroscopicity parameters will be discussed. The hygroscopicity properties of aerosol particles in the different pollution conditions will be presented. And then, the effect of size distribution, size-resolved chemical composition and hygroscopic growth on its extinction coefficients can be revealed. After finished the research, the knowledge of the influence of aerosol physical and chemical characteristics on the visibility will be enriched, the detailed data will be provided for the assessment of aerosol radiative forcing, and the scientific evidence will be offered for the control of air pollution, the improvement of air quality and the visibility in the Yangtze River Delta.

大气气溶胶污染已成为一个严重的环境问题，特别是近年来霾天气的频发严重影响大气能见度和人体健康。然而，此污染条件下气溶胶理化特征对其光学性质影响的研究甚少。本项目拟利用双电迁移性颗粒物吸湿粒径分析仪（H-TDMA）、宽范围颗粒粒径谱仪（WPS）、离子色谱仪（IC）、碳分析仪、浊度仪和黑碳仪等在线-离线监测仪器，在南京清洁和污染天气下开展气溶胶数谱分布、化学组成、吸湿增长及光学性质的同步观测研究，识别实际大气气溶胶的理化特征和环境条件与其光学性质的关系，分析探讨理论与观测的气溶胶吸湿性参数的差异机制，明确不同污染条件下气溶胶粒子的吸湿特性；进而揭示气溶胶粒径谱-化学组分-吸湿增长对其消光系数的影响。本研究结果可丰富气溶胶理化特性对大气能见度影响的深入认识，也为评估气溶胶辐射强迫提供更多更细致的数据支撑，并为长三角大气污染控制、空气质量和大气能见度改善提供科学依据。

近年来霾天气的频发严重影响大气能见度和人体健康，高浓度的细粒子污染对城市霾形成及能见度恶化有极大的贡献，但关注不同粒径颗粒物的化学组分与其消光系数关系的研究却较少。同时，相对湿度通过气溶胶的吸湿增长对消光也产生影响。本项目在南京地区分析了污染天气溶胶理化特征及其光学性质，研究气溶胶数谱分布、不同粒径分级的化学组分和气溶胶的吸湿性参数对大气消光系数的影响，提出了导致南京低能见度的主控因子。结果发现：（1）重度污染天PM2.5中SO42-、NO3-和NH4+（SNA）的平均浓度分别为清洁天的6.4、3.1和3.9倍，且均以(NH4)2SO4和NH4NO3的形式存在。霾日SNA在细粒径段中占比最高，达到77.4%。OC与EC的最高浓度均出现在重度污染天，且主要富集在细粒子中。（2）污染天平均气溶胶散射和吸收系数达到620 Mm-1和102 Mm-1。从散射Angstrom指数、后向散射比和不对称因子看出，污染天较粗粒径的颗粒物比例增加。清洁天气溶胶散射系数集中在160 Mm-1以下，且以小于1.5 μm的细粒子为主。（3）相对湿度为80%时，气溶胶总散射系数、吸收系数和单次散射反照率的吸湿增长因子变化范围分别为1.38~1.49、1.00和1.03~1.08。四种混合状态下散射系数和单次散射反照率均随RH的升高而增大，吸收系数因“核-壳”混合状态气溶胶的“核”“壳”比例差异呈现不同的变化趋势。不同混合方式气溶胶消光系数吸湿增长因子差别不大，说明气溶胶消光系数的吸湿增长因子对混合状态并不敏感。（4）0.5~2 µm 的细粒子及相对湿度是导致南京北郊秋冬季大气能见度下降的主要因素。春夏季(NH4)2SO4对消光系数的贡献最大，秋冬季最大的贡献组分是有机物（OM）；重污染期间NO3-和OM对消光系数贡献最高。基于化学组分以及不同RH、PM2.5质量浓度区间计算的能见度与实测值具有较好的一致性。运用Mie 散射理论结合气溶胶数浓度谱分布计算能见度的方案在RH较高时效果理想，低RH下计算值偏高。本研究结果可丰富气溶胶理化特性对大气能见度影响的深入认识，也为长三角大气污染控制、空气质量和大气能见度改善提供科学依据。