基于GAC–雾化器–AMS联用的PM2.5中水溶性有机物的在线测量和来源解析

Water-soluble organic matter (WSOM) is an important component in atmospheric PM2.5, contributing significantly to aerosol hygroscopicity and thus affecting the cloud formation processes. WSOM may also play a key role in the formation of frequent hazy days in Chinese cities. Previous chemical characterization of WSOM was mostly offline, with low time resolution, and thus not able to provide information about the fast variation of WSOM in the atmosphere. In this proposal, we will establish a new method to online measure the concentration and chemical structure of WSOM in PM2.5, with the conjunction of gas and aerosol collector (GAC), nebulizer, and aerosol mass spectrometer (AMS). This newly developed system will be deployed in Shenzhen, China, to measure WSOM in urban and rural atmospheres in four seasons. The obtained high time resolution dataset will be used to analyze the tempo-spatial variations of WSOM concentrations, mass spectrum, elemental composition, and size distribution. The new AMS-PMF (positive matrix factorization) method will be used to perform source apportionment of WSOM for understanding the quantitative contributions of biomass burning and secondary organic aerosol. The results obtained with such study will be helpful for evaluating the PM2.5 pollution and its environmental effects in China and for making effective policy to solve the pollution.

水溶性有机物(WSOM)是大气PM2.5的重要组分，对颗粒物吸湿性具有显著贡献，进而影响成云过程，并可能在我国城市频繁发生的灰霾天气中起到重要作用。以往国内外对WSOM化学结构的测量几乎都是离线的，时间分辨率低，不能反映WSOM在大气中的快速迁移转化规律。本项目拟探索性地将GAC(气体和气溶胶在线收集系统)、雾化器、AMS(高分辨气溶胶质谱仪)进行联用，实现对PM2.5中WSOM总量与化学结构的同步在线测量；并以深圳为例进行系统的城市和乡村大气四季加强观测，利用高时间分辨的多维数据揭示WSOM浓度水平、质谱结构、元素组成和粒径分布等理化性质精细的时空演变特征与影响因素；应用新型的AMS-PMF(正向矩阵因子解析)源解析技术有效地量化生物质燃烧和二次有机气溶胶等不同来源对WSOM的贡献率及其变化特征，为全面掌握我国大气PM2.5污染特征和环境影响并采取有效的控制对策提供可靠的科学依据。

水溶性有机物（Water-soluble organic matter，WSOM）是大气PM2.5中的重要成分，约占细颗粒物质量的10-70%。WSOM具有较强的吸湿性，可以改变气溶胶的光学和作为云凝结核的特性，从而对区域环境质量和全球气候变化带来影响。当前，对WSOM的化学结构和来源的科学认识仍然有限，重要原因之一是缺乏快速的WSOM监测技术。本项目依照“联用技术开发–野外观测应用–来源机理揭示”的思路，依托“在线实时观测”与“离线辅助观测”结合的手段，以深圳市为例，全面获得了高时间分辨率、具有详细质谱结构的PM2.5中WSOM的演变特征以及WSOM在气溶胶粒径谱中的分布特征。本项目将连续液化采样器（PILS）、雾化器与气溶胶质谱仪（AMS）连接，搭建了一套在线测量PM2.5中WSOM的系统，能够得到高时间分辨率（15 min）的WSOM和无机离子的浓度信息以及WSOM的质谱结构信息。测试表明，各组分的检测限均小于1 μg/m3，精密度为8.4%，标准曲线拟合优度达到0.99以上。将系统应用于深圳市不同季节的大气连续观测，质谱显示WSOM具有高氧化态有机气溶胶（OOA）的质谱特征，且WSOM与无机二次离子具有强相关性，说明观测期间WSOM可以较好地代表二次有机气溶胶（SOA）。WSOM的日变化特征说明SOA氧化态比较稳定，是经历了长距离传输的老化气溶胶。PMF模型对WSOM质谱数据的解析表明，生物质燃烧在冬季可以贡献14%，而其余86%仍为二次有机气溶胶。利用该联用技术对深圳大气PM2.5中WSOM的时空分布研究显示，无论在背景点还是市区，四季中WSOM的O/C（氧碳比）在0.72–0.91之间，均位于二次有机气溶胶的O/C变化范围，但秋季背景大气中WSOM较多地受生物质燃烧一次排放的影响。特殊的生物质燃烧事件中，WSOM在有机气溶胶中的比例显著提升。对WSOM的粒径分布（0.056–18 µm）测定显示，O/C在0.46~1.4范围内，平均为0.96。在细粒子的粒径段内，WSOM与硫酸盐、硝酸盐、氯离子和铵盐之间较好的相关性说明其主要以二次生成为主；而粗粒子的粒径段中，WSOM与硝酸盐较高的相关性说明它可能来源于非均相反应。本项目建立的PILS-雾化器-AMS联用系统为研究PM2.5中WSOM和SOA的生成和演变特征提供了一种有效的技术手段。