机载质谱仪研究北京上空气溶胶化学组成的垂直分布特征

Knowledge about the vertical distribution of aerosol chemical compositions and ageing processes are important to investigate aerosol extinction effect，atmospheric transport process, aerosol-cloud interactions process and model improvement. To realize the vertical distribution characteristics of aerosol chemical composition and size distribution, this project prepares to carry out ground- and aircraft- based observations with two aerosol mass spectrometers (AMS). The research includes following contents: 1) to eliminate the fluctuations of the AMS onboard in aerosol sizing and transmission efficiency due to changing pressure with altitudes by improving measurement method and data quality control; 2) combined with the results of ground- and aircraft- AMS data analysis, to further realize the differences of aerosol chemical compositions, mixing state and aging extent between inside and outside PBL; 3) to investigate variation characteristics and effect factors of aerosol vertical profiles under different pollution stages during haze events, and combined with one-dimensional integrated boundary layer model to calculate the contribution of vertical transport to ground aerosol loadings.

正确认识气溶胶化学成分的垂直分布特征对研究气溶胶消光效应、气溶胶大气输送过程、气溶胶-云的相互作用以及模型验证和发展等方面具有重要的科学和应用意义。本项目拟基于地面和飞机搭载气溶胶质谱仪，针对北京地区上空开展气溶胶化学成分、粒径分布以及气象要素的垂直探测研究。具体的研究内容主要包括：1）对机载气溶胶质谱仪的测量方法和数据质控等方面进行改进，解决由于外界大气压力随高度不断变化造成的仪器测量误差等问题，提高机载气溶胶质谱仪探测准确度；2）结合地面和空中气溶胶质谱数据的解析结果，进一步认识边界层内外不同高度气溶胶化学组成、混合状态和“老化”程度的差异；3）针对典型大气污染过程进行连续的垂直探测，研究气溶胶垂直廓线在污染发展不同阶段的变化特征及影响因素，并结合一维积分边界层模型，定量计算污染过程中垂直输送对地面气溶胶积累的贡献。

气溶胶对地球系统的影响包括了从局地和区域空气污染到全球气候变化等诸多方面。气溶胶的粒径分布和化学组成与粒子的光学性质和活化能力密切相关，是影响其气候效应的重要因素。特别是气溶胶理化性质在垂直方向上的信息，对相关的研究至关重要。然而气溶胶物理化学结构复杂且时空分布不均匀，受观测手段的限制，目前对其垂直风方向的分布特征认识十分不足。本课题利用飞机搭载气溶胶质谱仪、粒径谱仪等多种观测设备，在0-3000m的高度范围内，对气溶胶物理化学性质进行垂直探测，并结合地基探空等多种观测手段，分析气溶胶化学组成的垂直分布和区域输送的影响。具体内容包括；1）首次获得了北京上空气溶胶化学组分的垂直分布特征，揭示高空气溶胶组分与近地面存在显著差异；2）区域输送过程对北京近地面气溶胶浓度和性质的影响；3）边界层过程对气溶胶化学成分垂直分布的影响。.结果显示：近地面气溶胶以有机物和硝酸盐为主，高空则转为硫酸盐和铵盐为主。对于有机气溶胶，近地面以一次排放的烃类有机气溶胶（HOA）为主，而高空则转为二次转化的氧化性有机气溶胶（OOA）为主。气溶胶及其气态前体物在向上输送过程中的化学转化是造成上述现象的主要原因，导致高空气溶胶二次组分所占比例大幅增加。.外源污染物可在不同高度范围内向北京输送。结合多种观测资料对一次污染物高空输送过程进行了综合分析，结果表明，在反气旋环流和地形的影响下，北京上空的西南气流将南部污染地区的污染物输送至北京上空；当白天边界层发展充分时，高空污染层的污染物在边界层内混合均匀，进而影响边界层内气溶胶的浓度和化学组成。.另外本课题利用飞机探测所获得的北京上空气溶胶化学组成资料，对研究该地区气溶胶大气输送过程、消光效应以及气溶胶与云相互作用等方面具有重要意义。