北京城市大气二次有机气溶胶生成潜势研究

Secondary organic aerosol (SOA) is one of the main components in PM2.5, and it is mainly derived from the complicated oxidation process of volatile organic compounds (VOCs) and the subsequent partition to aerosol phase in ambient air. SOA formation potential is defined as the maximum concentration from the oxidation reaction of VOCs during the oxidation. At present, investigation on SOA formation potential of ambient air is quite limited, while previous researches mainly focused on the SOA formation potential of single VOC in laboratory simulation. This study will focus on the SOA formation potential of ambient air in urban Beijing by using oxidation flow reactor (OFR) observation system. SOA formation potential and VOCs will be quantified by the high revolution time of flight aerosol mass spectrometer and proton transfer reaction mass spectrometer with high time solution. Firstly, the variation of SOA formation potential with time will be studied, include the diurnal variation, seasonal variation, year-to-year variation and temporal variation during high pollution event. Secondly, combined with the observation of other pollution factors, the effects of inorganic pollutants, temperature, relative humidity and air mass transmission on SOA formation will be qualitatively estimated. Thirdly, based on the simulation of SOA formation from mixed VOCs and the observation results, the main VOCs precursors and their contribution to SOA formation potential will be quantified, and the main influential sources of SOA in Beijing will be evaluated using positive matrix factorization analysis.

二次有机气溶胶（SOA）是大气PM2.5的重要组成。SOA主要是由挥发性有机物（VOCs）经过复杂的氧化反应生成低挥发性物种分配到颗粒相生成的。目前国内对实际环境大气SOA生成潜势（VOCs氧化生成的SOA最大量）的研究十分有限，前期研究主要集中于对个别VOC或典型污染源SOA生成的实验室模拟。本项目拟采用氧化流动反应装置（OFR）针对北京城市地区的实际空气进行观测研究，利用高分辨气溶胶质谱仪和质子转移反应飞行时间质谱仪等获得高时间分辨率的SOA生成潜势及其主要前体物浓度，研究SOA生成潜势的日-季节-年变化规律，以及重污染事件中的演变特征；结合其他环境要素和污染物的观测，定性分析各种无机污染物、大气温湿度以及大气传输条件对SOA生成潜势的影响；利用烟雾箱等研究混合VOCs的SOA生成，确定大气环境主要的前体物VOCs物种及其对SOA生成潜势的贡献率，通过正交矩阵因子分析识别主要的影响源。

二次有机气溶胶（SOA）是大气细颗粒物（PM2.5）的重要组成部分，但对于大气SOA的来源及生成机制认识不清，极大限制了对有机气溶胶污染的科学施控。目前，对于SOA生成机制的研究主要通过实验室模拟的方式开展，能否代表实际真实大气条件具有较大不确定性。因此，针对实际大气的SOA生成潜势和关键影响因素开展长时间研究对于认知SOA的生成转化机制及其对大气细粒子污染的贡献具有重要意义。研究本项目以北京城市地区环境空气为研究对象，利用孪生氧化流动管反应器研究了2016年至2020年期间实际大气条件下SOA生成潜势的变化规律与影响因素。结果显示北京SOA生成潜势远高于欧美城市，呈现夜高昼低的特点，且在春季和冬季相对更高。观测期间，北京SOA生成潜势没有呈现明显的年际变化规律，但我们发现与2016年冬季对比，2017年冬季SOA生成潜势显著下降，重要原因是北京及周边城市“煤改气”和“煤改电”行动实施导致的散煤燃烧排放的前体物VOCs大幅减少。在SOA生成潜势研究的基础上，结合实验室研究完成了SOA生成潜势和大气污染物浓度、气象条件、大气传输之间的相关性分析，并利用在线测量的VOCs组成及浓度，结合实验室获得的VOCs产率数据，定量分析了不同季节、污染程度条件下VOCs组成及浓度对SOA生成潜势的影响。发现除了源排放外，SOA生成主要受大气氧化条件变化的影响，包括气相氧化和气溶胶相氧化两个方面。我们发现SOA相对生成潜势（EROA = 1 + SOAFP / OA）随着污染程度增加而增加，表明随着颗粒物浓度增加，光化学反应减弱抑制氧化剂生成，限制了VOCs的气相氧化。然而随着污染程度的继续升高，SOA相对生成潜势维持在高位不变，且SOA氧化程度却不断升高，表明气溶胶相的氧化反应得到增强，气相氧化和气溶胶氧化过程共同决定了重污染条件下的SOA生成。本项目研究成果表明，在空气质量不断改善的背景下，VOCs向SOA的转化可能加快，北京地区有机气溶胶的污染控制还有待针对性加强，能源清洁化是控制有机气溶胶污染的有效措施之一。通过项目实施，已发表标注SCI论文19篇，进行学术报告9次，7名学生参与项目，并有2名博士毕业和1名博士后出站，项目负责人楚碧武晋升研究员，获基金委优青项目资助，并先后入选中国科学院青年创新促进会会员和优秀会员，项目骨干张鹏晋升副研究员。