海岸和海洋污染大气中新粒子增长到云凝结核所需粒径的关键物理化学过程研究

It has been shown that only >50-80 nm particles can be activated as cloud condensation nuclei (CCN) under different supersituation in the atmosphere. In the coastal and marine atmosphere, Aitken mode (30-50 nm) aerosol particles mainly come from nucleation followed by the particle growth. Thus, three important questions are: 1) how much Aitken mode particles can grow to 50-80 nm in size;2)which chemicals determine the growth; 3) what is the contribution of anthopogenic pollutants to the growth? The answers to these questions will help better quantify the interactions between aerosol and cloud in the marine atmoshere. In the last two years, we have made a few measuremnts in a Qianliyan island, the Yellow sea and the East China sea and found that new particles can't grow over 40 nm in about 80% new particle burst events. In the remaining 20% events, Aitken mode particles indeed grew over 50 nm. Using a CMAQ model, we slimulated formation of secondary aerosols and found that formation of NH4NO3 was thermodynamically forbiden in the 80% events. Moreover, the modeling resulst showed that NH4NO3 can be formed in the 20% events. However, a large uncertainty still existed in the thermodynamic analysis of NH4NO3 formation because of lack of simultaneous measurements of NH4NO3 in the particle phase and HNO3 and NH3 in the gas phase. In this proposal, we will combine a suite of instruments including a fast mobility particle sizer,a CCN-100, a SPAMS05, nano-MOUDI,denuder samplers, gas analyzers to examine the hypothesis, i.e., the growth of Aitken mode particles to CCN size determined by gas/particle condensational formation of NH4NO3 in polluted coastal and marine atmosphere.

研究表明，对应不同的水汽过饱和度，粒径大于50-80 nm的大气气溶胶方有可能活化成云凝结核（CCN）。海洋大气中爱根模态粒子（30-50nm）主要来自新粒子生成，该模态粒子能否、如何进一步增长到50-80 nm，增长是否需要污染大气的参与？这些是海洋大气气溶胶-云相互作用研究需要回答的核心科学问题。近年来，我们对海岛、黄/东海大气中新粒子生成事件的观测发现，在80%的事件中，新粒子没能够增长到40 nm;而在20%的事件中，新粒子可以增长到50 nm以上。数值模拟表明，80%的事件中，NH4NO3的形成过程受热力学禁阻；20%的事件中，能够形成NH4NO3。但这些模拟结果仍缺乏NH4NO3、HNO3和NH3实时观测数据的支持。本研究拟将气溶胶化学成分、粒径谱和CCN浓度以及HNO3和NH3浓度的实时观测和空气质量模式模拟相结合，探讨NH4NO3气/粒分配平衡对爱根模态粒子增长的决定作用。

新粒子生成导致超细颗粒物数浓度急剧增加，是大气颗粒物的重要来源。新粒子生成后可增长为不同粒径大小的颗粒物，但小于50 nm 的新粒子几乎不具备活化为云凝结核的能力，对气候几乎没有影响。粒径增长到大于 50 nm 的新粒子则可能会通过云过程、降水过程等直接或间接影响气候。本项目通过对城市、海岸、海洋的大气观测、数值模拟研究，来分析大气环境中新粒子的生成及增长机制。.（1）通过对比不同污染程度（清洁：多伦多；污染：青岛；重度污染：香港）下新粒子的增长特征，发现在污染大气环境中生成的新粒子更容易增长到能活化为云凝结核的粒径范围，从而影响气候；多伦多观测和黄东海的观测结果表明，陆地上新颗粒以水平方向传输为主，而海上相反，即新颗粒以垂直方向传输为主。后者暗示，海上新颗粒的爆发增长更可能发生在混合层以上，其气候影响比混合层内更重要。.（2）分析了新粒子的两阶段性增长特征，发现有机物和硫酸气体是促使新粒子第一阶段增长的主要化学物质，而新粒子在夜间的第二阶段增长是硝酸铵和有机物共同控制的，这也是新粒子二次增长到云凝结核粒径范围的关键化学过程。同时CMAQ模型模拟显示新粒子在夜间增长阶段，PM2.5中硝酸盐和铵盐的浓度也有所升高。.（3）西太航次中我们观测到新粒子爆发且增长粒径超过50nm时，CCN数浓度相对未发生NPF时增长了50%，更加明确了新粒子爆发对云凝结核的贡献；海岸和海洋的观测表明气溶胶呈现爱根模态和积聚模态的双峰分布及积聚模态的单峰分布两种模式，这可能与气溶胶颗粒物的化学成分有关。.（4）观测表明气溶胶化学成分对新粒子的生成和增长具有重要的作用。我们综合分析了氨的来源，特别分析了水气挥发对城市大气中氨的贡献；并通过有机胺与氨的相对变化分析气溶胶的相态，为研究新粒子在不同阶段增长提供新的思路；另外在纳米粒径段，大量存在的乙二酸，可相比于硫酸盐，说明有机酸盐对环境及气候具有重要的潜在效应。