在线三维荧光光谱法识别棕碳气溶胶的来源及生消过程研究

Atmospheric brown carbon (BrC) plays an important role in aerosol photochemical reactions, and potentially affects the atmospheric radiative forcing effect of aerosols. Therefore, it is important to study the sources, the formation and vanishing mechanisms of BrC aerosol in the atmosphere, which are of great significance for comprehensively understanding the heterogeneous chemical reaction process of aerosols and quantitatively predicting the global climate impact of aerosols. The excitation-emission matrix (EEM) can reflect the types of chromophores, chemical structure and source of environmental organic matter, and is suitable for the study of the source of atmospheric BrC aerosols and formation and vanishing reaction process. In this study, acquire the time-sequence optical properties, EEMs and absorption spectra of ambient aerosol using an on-line EEM system will be practised through at four seasons in Xi’an. Spectral data will be analysis by mathematical statistical methods of parallel factor analysis for identify the different types of chromophores contained in the aerosol, for clarify the trends and regularities of the concentration levels of different types of chromophores, for identify the sources and the formation and vanishing processes of BrC aerosols in the atmosphere. Further, off-line chemical analysis and photobleaching experiments of aerosol samples will be combined to infer the formation, mutual transformation and vanishing chemical reaction mechanism of different types of chromophores.

大气棕碳（BrC）在气溶胶光化学反应中扮演着重要角色，并对气溶胶的大气辐射强迫效应具有潜在影响。因此，研究BrC气溶胶的来源、生消化学反应过程与机制对于全面掌握气溶胶的多相化学反应过程以及定量预测气溶胶对全球气候的影响具有重要意义。三维荧光光谱能够获取环境复杂有机质的发色团类型、化学结构、来源等信息，适合用于大气BrC气溶胶来源以及生消化学反应过程的研究。本研究自主组装并应用在线三维荧光光谱气溶胶观测系统，以雾霾频发的西安市为例，分春、夏、秋、冬四季获取基于高时间分辨率的水溶性气溶胶光吸收和三维荧光光谱数据，并采用平行因子数学统计方法鉴定气溶胶中含有的不同类型发色团，阐明不同类型发色团浓度水平的动态变化趋势和规律，识别气溶胶中BrC的来源构成和生消过程，结合离线化学分析和光漂白实验进一步推测不同类型发色团的生成、相互转化以及消去化学反应机制。

大气棕碳可能对全球气候和空气质量具有重要影响。三维荧光光谱具有直接的、多维度表征复杂环境有机质化学组成的主流手段，适合于大气棕碳的研究。基于此，本项目开发出了一套新颖的大气观测平台－在线三维荧光光谱气溶胶监测系统（PILS-EEM-TOC），实验结果也证明开发的系统稳定、可靠，而且可以给出不同类型棕碳的动态变化趋势，这项研究提供了一种将来研究棕碳气溶胶来源和化学反应机制的有效手段。其次，以中国雾霾频发的汾渭平原为例，应用开发的在线系统对实际大气气溶胶进行了观测研究，并结合离线分析开发出了基于荧光指纹技术的大气气溶胶来源鉴定技术，阐明了汾渭平原典型城市区域实际大气棕碳气溶胶的化学组成、粒径分布、来源及其季节污染变化规律，研究确定了一次燃烧是冬季雾霾时期棕碳的最主要来源，其中煤炭和餐饮具有重要贡献，这个结果对于区域大气污染控制措施的制定具有重要指导意义。第三，结合实验室模拟实验，对大气棕碳的在线观测结果进行深度剖析，揭示了大气棕碳关键生成和消去化学机制，发现了冬季早晨液相反应生成二次棕碳的重要过程，阐明了夏季太阳光和大气氧化剂在棕碳氧化状态转变中的驱动作用，这些结果增加了我们对棕碳气溶胶大气化学过程和机制的了解。此外，部分依托本项目还开展了大气气溶胶毒性研究，首次构建了大气棕碳类型与气溶胶毒性之间的关系，综合探索了大气长寿命自由基的理化性质，其结果提供了人们对大气气溶胶毒性机制的新认知。