华北区域不同类型站点大气氨特征及其对PM2.5形成的影响研究

High time resolution observation of ammonia will be conducted for one year at the three different kinds of measurment sites in North China, including a Beijing urban site, the Shangdianzi regional background station and the Gucheng integrated ecological-meteorological observation station. In addition, continuous measurements of PM2.5 will be made at the stations, and the real-time measurements of acidic gases and water-soluble ions in PM2.5 will be implemented at the urban site. Air mass backward trajectories will be calculated and analyzed to gain an insight into the impact of transport on ammonia and water-soluble ions in PM2.5 at the urban, rural and regional background areas in North China. The thermodynamic equilibrium model ISORROPIA will be used to study the gas-particle conversion mechanisms for ammonium, sulfate and nitrate aerosols in the region.The variations of NH3 will be characterized and their impacts on PM2.5 formation will be investigated in North China. This study has very important value for the research on the formation mechanisms of ambient ammonia in North China and making policy on how to control air pollution.

本项目拟采用高时间分辨率的连续观测仪器，在我国华北区域3个不同类型的站点（北京城区站、上甸子区域本底站和河北固城农业生态站）开展为期一年大气氨浓度水平强化观测，取得超大城市、区域背景地区和乡村地区大气氨的浓度水平特征及影响因素；在城区站对酸性气体和PM2.5离子成分进行连续观测，获得高时间分辨率数据，在背景和乡村观测站连续采集气溶胶PM2.5样品，获得PM2.5中水溶性离子组分的浓度；借助气团后向轨迹聚类分析，研究华北区域乡村-城市-背景地区NH3和细粒子大气输送特征；利用热力学平衡模式ISORROPIA研究气-粒转化机理。本项目对华北区域大气氨的浓度水平、变化规律及其对PM2.5的形成影响进行深入和系统的研究，其研究成果有益于进一步揭示我国华北区域大气氨的形成机制，对该区域污染控制对策的制定提供科学依据。

本项目采用高时间分辨率的连续观测仪器，于2013-2016在我国华北区域三个不同类型的站点（北京城区站、上甸子区域本底站和华北乡村固城站）分别开展了为期一年以上的大气氨浓度水平强化观测。华北区域北京城市、乡村和区域背景站点大气氨浓度水平的空间变化明显。2013年6月至2015年9月北京城区站NH3小时平均浓度为32.4±16.5 ppb。2015年4月至2016年6月华北区域乡村固城站NH3小时平均浓度为29.5±18.8 ppb。北京城区和固城站NH3浓度有明显的日变化。2014年6月至2015年12月上甸子区域本底站NH3小时平均浓度为8.6±7.1 ppb。. 2014年至2016年在三个观测站分别采集了为期一年以上的气溶胶PM2.5样品，分析了PM2.5中水溶性离子组分的浓度，并在河北固城和北京城区站对PM2.5离子成分进行了在线观测。膜采样结果发现，河北固城、北京城区和上甸子本底站PM2.5日均浓度优于二级标准的天数分别占53%，60%和81%。北京城区、河北固城和上甸子站二次无机离子（SO42-、NO3-和NH4+）在PM2.5中的占比分别为46%，40%和38%。后向轨迹分析表明观测站点的NH3和NH4+浓度水平受到了华北区域和长距离输送的影响。. 华北农村固城站夏季硫氧化率（SOR）、氮氧化率（NOR）和氨转化率（NHR）平均值分别为0.64，0.24和0.30。NHR在18:00出现峰值，与此刻高浓度NH4+和SO42-及高RH相对应。夜间SOR值较高，二氧化硫溶解性强，夜间高RH下气溶胶粒子中较为充足的含水量增强了SO2的吸附和液相转化速率，促进了非均相氧化反应过程。NOR最高值出现在10:00，与高O3浓度和高jNO2水平的光化学反应相关。利用热力学平衡模式ISORROPIA II模拟计算，显示华北农村站点SO42-, NO3-和NH3的模拟值和观测值有很好的相关关系，SO42-和NO3-的模拟值和观测值基本相等。有机酸如草酸和其他二元酸等的存在可能是导致气态NH3被高估而NH4+被低估的原因。模拟结果发现细颗粒在夏季呈现中等酸性，平均pH值为3.5。在中等酸性条件和高NH3浓度条件下，有机酸易与氨反应形成铵盐。研究表明NH3对PM2.5中水溶性离子的形成起着重要作用，研究成果有助于促进华北区域NH3排放控制政策的制定。