城市大气有机气溶胶氧化性、挥发性和光学特性研究

Organic aerosol (OA) constitutes a large fraction of fine particles and plays a critical role in severe haze formation. The formation and evolution processes of OA are closely linked to its oxidative properties and volatilities. However to date, studies on the oxidative properties, volatilities and optical properties of OA in China are rare. The proposed research will use a newly developed Thermodenuder-Aerosol Mass Spectrometer-Cavity Attenuated Phase Shift SSA Monitor (TD-AMS-CAPS) system for synchronous measurements and systematic investigation of oxidation states, volatilities and optical properties of OA during four seasons in megacity Beijing. This project will: 1) elucidate the evolution and aging mechanisms of oxidation states of OA under various meteorological conditions and polluted levels; 2) determine the volatilities of OA and key OA components, and characterize the impacts of ageing on the variations of OA volatilities; 3) quantify the contributions of primary and secondary OA to particle light extinction, study the impacts of volatilities and ageing processes on optical properties, and elucidate the roles of OA in severe haze formation; 4) establish a conceptual framework coupling oxidative properties, volatilities, and optical properties, and finally provide scientific data and mechanisms to modelers for modeling OA.

有机气溶胶是大气细颗粒物的重要组成成分,在重霾污染的形成中起重要作用。有机气溶胶的生成和老化机制与其氧化性和挥发性直接相关，然而我国目前鲜有有机气溶胶的氧化性、挥发性和光学特性的系统研究。本项目拟基于热扩散管-气溶胶质谱-单次散射反照率仪（TD-AMS-CAPS）观测系统对北京四季有机气溶胶的氧化性、挥发性和光学特性进行同步观测和研究。阐明不同天气和污染条件下有机气溶胶的氧化性变迁规律和老化机制，测定有机气溶胶及其主要组分的挥发性，揭示有机气溶胶老化过程对挥发性的影响机制。量化一次和二次有机气溶胶对颗粒物消光的贡献，研究有机气溶胶挥发性和老化过程对光学特性的影响，阐明有机气溶胶在重霾污染形成中的关键作用。最终建立有机气溶胶氧化性、挥发性和光学特性三者之间的协同耦合机制，为数值模式模拟有机气溶胶提供可参数化的科学数据和理论依据。

有机气溶胶是大气细颗粒物的重要组成成分,在重霾污染的形成中起重要作用。深入研究有机气溶胶的氧化性、挥发性和光学特性及其之间的耦合机制对阐明有机气溶胶在大气污染形成中的作用具有重要的意义。本项目基于热扩散管-气溶胶质谱-单次散射反照率仪开展了北京不同季节有机气溶胶的氧化性、挥发性和光学特性的同步观测和研究。研究揭示了城市有机气溶胶在不同天气和污染条件下的氧化性变迁规律和老化机制，特别是不同季节光化学反应和液相反应对二次有机气溶胶生成和转化的影响。结果发现，光化学反应和液相反应分别显著影响新鲜二次有机气溶胶（LO-OOA）和低挥发性二次有机气溶胶（MO-OOA）的生成及其氧化属性。特别是与液相相关的MO-OOA在冬季高湿重霾污染期间，可贡献总有机气溶胶的40%。定量表征了不同季节有机气溶胶和具有不同氧化态的有机组分的挥发性分布。研究发现北京城市有机气溶胶以半挥发性组分为主，约占63%。其中LO-OOA具有较高的挥发性，其半挥发性物质约贡献70%，而MO-OOA和烹饪有机气溶胶的挥发性则相对较低。项目还基于多元线性回归模型和有机气溶胶源解析结果，定量解析了一次和二次有机气溶胶对颗粒物消光的贡献。结果发现北京夏季一次和二次有机气溶胶分别贡献颗粒物消光的14%和22%，而在冬季，一次和二次有机气溶胶则分别贡献12%和39%，该研究结果佐证了有机气溶胶，特别是二次有机气溶胶是大气颗粒物消光和能见度降低的重要贡献者。项目还深入研究了气溶胶光学特性和气溶胶老化程度的关系，结果发现单次散射反照率（SSA）随着有机气溶胶老化程度（O/C）的增加而显著增加，进而建立了SSA与O/C和气溶胶化学组分之间的参数化关系。项目研究成果不仅定量解析了有机气溶胶在重霾污染形成中的作用，同时为数值模式改进和提高有机气溶胶的数值模拟提供了可参数化的科学数据和理论依据。