基于在线质谱技术研究北京大气硝基酚类来源及生成机制

Nitrated phenols is an important atmospheric pollutants. They can produce HONO and then OH radicals through photolysis. They can also participate the formation of secondary organic aerosol. As a major component of particulate brown carbon, nitrated phenols are important for particle optical properties. However, there are still lack of real time measurements of nitrated phenols in China. The sources and formation mechanisms remain unclear. This proposal plans to conduct online measurements for both gaseous and particle-phase nitrated phenols in urban Beijing by using recent-developed time-of-flight chemical ionization mass spectrometer. Based on intensive measurements in different seasons and enhanced measurements for particular cases, this proposal aims to understand the sources and secondary formation mechanisms of nitrated phenols in urban China. With a box model, we will also evaluate the potential influence of the photolysis of atmospheric nitrated phenols on the concentrations of HONO, OH radicals and secondary organic aerosol, and hence on the optical properties of fine particles. It aims to improve our understanding of atmospheric oxidation capacity and the effects of fine particles on radiative forcing and human health and to provide scientific evidence for supporting pollution control under high NOx conditions in China.

硝基酚类污染物是大气环境中的重要污染物，它可影响大气氧化性、二次有机气溶胶生成和颗粒物光学性质，亦能危害生态系统和人体健康。但目前我国尚缺乏对这类污染物的在线测量，对其来源和生成机制仍很不清楚。针对这一问题，本项目拟基于在线化学电离质谱技术，在典型城市地区（北京）系统开展气态、颗粒态硝基酚类污染物的在线测量和来源解析。通过集中观测和加强观测，开展精细化过程研究，探讨其二次生成机制。结合盒子模型，认识这类污染物光解可能对大气中HONO、OH自由基浓度的贡献，及这类污染物对二次有机气溶胶生成和颗粒物光学性质的影响。这将有助于认识大气氧化性、细颗粒物的辐射强迫和健康效应，有利于全面评价大气污染对环境和人群的影响，在氮氧化物污染凸显的当今中国，为污染防治提供科学依据。

大气中硝基酚类污染物可影响大气氧化性和二次有机气溶胶生成，但其来源和生成机制仍很不清楚。本项目利用高分辨化学电离在线质谱技术，在北京城区于2021年和2022年开展了两次外场观测综合实验，对大气硝基酚类污染物进行了在线测量；对2016-2018年同站点化学电离在线质谱数据进行了校正和半定量，并对同期采集的116个颗粒物膜样品进行了FIGAERO进样离线化学电离质谱分析。最终获得了2016-2022年冬夏季节、气态和颗粒态两相、六类主要硝基酚的浓度时间序列，在此基础上开展了来源解析，并结合MCM机理和流动管氧化实验结果构建了盒子模型，对这类污染物开展了收支分析。研究结果表明与其他地区相比北京城区大气硝基酚类浓度水平居中，冬季燃煤源、生物质燃烧源等一次来源贡献显著、夏季则以二次生成为主。高前体物浓度、高氮氧化物水平和强大气氧化性导致北京城区大气硝基酚类二次生成强，日间净生成速率可达数个ppt h-1。除日间OH自由基氧化外，夜间NO3氧化和凝聚相生成也是大气硝基酚类重要的二次生成途径。光解是气态硝基酚类污染物最重要的去除途径，外场约束的硝基酚光解速率常速介于实验室计算值之间，有待后续研究验证。根据本项目约束的光解速率常数，估算得到光解对OH自由基生成速率的贡献小于1 ppb h-1，不足以解释城区缺失的大气氧化性。虽然硝基酚类在二次有机气溶胶中质量占比不高，但冬季重霾期间有显著二次生成，可加重细颗粒物污染。研究成果提升了对我国城区大气硝基酚类污染物来源和二次生成机制的认识，定量评估了其污染效应，为制定有效的大气污染减排策略提供了重要的科学依据。