中国东部城市和高海拔地区三级分档雾水有机化学特性及其相关性的观测研究

Further research in the relationship between　organic chemical characteristics of the three-stage fog water and organic aerosols, gaseous pollutants and fog micro physical parameters can be the key of the relationship study of atmospheric compound pollution and fog microphysical structure,also helpful for exploring how aerosols converted into fog droplets under compound pollution. The project aims at carrying out comprehensive observation in Nanjing and Lushan Mountain, involving collection of three-stage fog water, PM10, trace gaseous pollutants and data of droplets spectral and meteorological elements of boundary layer, etc., around two scientific issues: the relationship between organic chemical characteristics of the three-stage fog water and accumulation characteristics of pollutants in fog area of city and high-altitude region, the relationship between organic chemical characteristics of the three-stage fog water and organic aerosols and micro structure. Fifty percent droplet size cuts of 22, 16, and 4 µm diameter are featured in stages one, two and three, respectively. Through comparing and analyzing pH values, total organic carbon concentrations, concentrations of water soluble organic acid and 16 USEPA priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in each stage, in combination with organic aerosols in PM10 and fog micro structure, to reveal the the relationship between organic chemical compositions of fog droplets in each stage and organic aerosols and micro physical structure, to explore the influence of pollutants accumulation formed under the boundary layer characteristics of city and high-altitude area on the organic chemical compositions of fog droplets in different sizes, to provide theoretical basis for the research in micro physical and chemical process of fog.

研究三级分档雾水的有机化学特性与有机气溶胶、气态污染物、雾微物理量的关系，是能否深入研究大气复合污染和雾微结构关系的关键，也是前一个自然基金研究的延续，有助于探究复合污染中气溶胶吸湿转化成雾滴的成因。本项目围绕三级分档雾水有机化学特性的形成与城市雾区、高海拔雾区的污染物积累特征之间的关系，三级分档雾水有机化学特性与有机气溶胶、气态污染物、雾微物理量之间关系两个科学问题，在南京、庐山开展综合观测，涉及三级分档雾水采集、PM10分级采集、气态污染物、雾滴谱、边界层气象要素等；以对比分析雾滴粒径 4-10、10-16、﹥22μm的雾水pH值、总有机碳浓度、水溶性有机酸浓度和16种优控多环芳烃浓度特征，揭示不同尺度雾滴的有机化学成分与有机气溶胶、气态污染物和雾微物理结构之间的关系，探索城市及高海拔地区边界层特征形成的污染物积累对不同尺度雾滴有机化学成分的差异性的影响，为雾物理化学研究提供理论依据。

本项目分别在南京、庐山、深圳、西双版纳、江苏省东海县开展观测，涉及三级分档雾水采集、PM10分级采集、气态污染物、雾滴谱、边界层气象要素等。系统研究了雾滴的有机酸特征，揭示不同尺度雾滴的有机化学成分与有机气溶胶、气态污染物和雾微物理结构之间的关系，探索城市及高海拔地区边界层特征形成的污染物积累对不同尺度雾滴有机化学成分的差异性的影响，为雾物理化学研究提供理论依据。取得的研究成果主要为：（1）南京三级雾水的主要有机酸组分为甲酸根(HCOO-)、甲基磺酸根(CH3SO3-)、草酸根(C2O42-)和乙酸根(CH3COO-)，有机酸离子浓度间均存在显著相关性。Ca2+、NH4+、SO42-和NO3-为三级分档雾水的主要无机离子组分，与2013年相比，2017年雾水酸度大幅降低；（2）庐山地区冬季雾水酸化严重，pH 3.96-5.82，小雾滴酸性和电导率更强；NH4+、Ca2+、NO3-、SO42-是雾水主要离子组分， [NH4++Ca2++NO3-+SO42-]分别在三级分档雾水中占总离子浓度(TIC) 的83.8%、88.9%和87.3%；综合三次雾过程，TIC、NH4+、K+、NO3-、SO42-在小雾滴存在富集，表现出尺度依赖特征；86%雾水样品[SO42-]/[NO3-]介于0.5-3.0，属于硫酸和硝酸混合型酸化；（3）庐山地区三级分档雾水化学特征的对比分析表明，2015年和2016年冬季3级雾水多呈酸性，2016年酸性更强，pH值与雾滴粒径大小有依赖性关系，4~16μm小雾滴酸性更强。NH4+、SO42-、NO3-主要集中在4~16 μm的小雾滴。Mg2+,Ca2+主要集中在＞22μm的大雾滴中。SO2、NOx排放逐年降低导致2016年雾水中SO42-和NO3-浓度明显小于2015年；（4）庐山地区过冷雾谱分布分析表明， 218个雾团，持续时间小于10min和大于10min的雾团分别占91.3%和8.7%。平均时间间隔为10.3min。降雨时雾滴谱在2-15μm和30-50μm数浓度增加，降雪时雾滴谱在2-27μm数浓度减少。过冷雾的密集出现、较低的温度及风速增加提高了干雪过程中的积冰增长率。该项目已在核心以上期刊发表论文9篇（其中有3篇SCI），建立雾水有机酸浓度、无机离子成分谱。培养3名博士研究生，6名硕士研究生，2名成员晋升副教授。