中國超大城市綜合實驗:京、滬、穗氣溶膠理化和吸濕特性

摘要 氣溶膠對環(huán)境、氣象和人體健康都有較大影響，這些影響與氣溶膠理化特性（粒子尺度譜、化學(xué)組分、混合狀態(tài)等）密切相關(guān)。為了深入研究氣溶膠的環(huán)境和氣候效應(yīng)，發(fā)展了一套氣溶膠在線綜合觀測系統(tǒng)。本文介紹了利用該系統(tǒng)在北京、上海、廣州三個超大城市開展的綜合觀測實驗結(jié)果。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，廣州氣溶膠數(shù)濃度最高，其粒子尺度譜分布特征與北京特征相似，均以核模態(tài)為主，上海氣溶膠數(shù)濃度則整體較低。對比三個超大城市的新粒子生成（New Particle Formation，NPF）特征發(fā)現(xiàn)，北京NPF的發(fā)生頻率低于廣州，主要由于北京地區(qū)大氣中大粒徑氣溶膠更多，較高的碰并匯抑制了NPF的發(fā)生和發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，觀測期間北京和上海站點氣溶膠的吸濕性強于廣州，人為一次性排放氣溶膠吸濕性較弱。氣溶膠吸濕性日變化特征與人為活動、氣溶膠老化程度密切相關(guān)。此外，三個超大城市中氣溶膠光吸收系數(shù)的日變化特征存在明顯差別，北京站點的氣溶膠吸收系數(shù)呈現(xiàn)白天高、夜間低的特點，而廣州站點氣溶膠的吸收系數(shù)呈現(xiàn)相反的日變化趨勢，這可能是由觀測站周邊的環(huán)境差異及大氣邊界層的變化特征差異造成的。

關(guān)鍵詞超大城市;氣溶膠理化特性;吸濕性;新粒子生成;綜合觀測系統(tǒng)

大氣氣溶膠是指懸浮在空氣中的固體和液體顆粒的混合物，它們既可以由自然源和人為源直接排放產(chǎn)生，也可以通過氣體前體物的二次轉(zhuǎn)化過程生成。在環(huán)境領(lǐng)域，它們通稱為大氣顆粒物（Particulate Matter，PM），依據(jù)顆粒物尺度大小，又常被分為PM1、PM2.5和PM10，即空氣動力學(xué)直徑分別小于1、2.5和10 μm的顆粒物。新生成的顆粒物通過物理、化學(xué)（尤其是光化學(xué)）等過程進(jìn)一步增長或老化，形成更大的顆粒物。

氣溶膠對環(huán)境和天氣影響顯著（史湘軍等，2020;陸春松等，2021;銀燕等，2021），氣溶膠的環(huán)境效應(yīng)主要是指氣溶膠化學(xué)成分、光化學(xué)反應(yīng)等對大氣能見度、人體健康等多方面的影響。氣溶膠能夠通過改變大氣輻射傳輸和云的特性，從而影響天氣和氣候。氣溶膠既可通過輻射效應(yīng)改變大氣熱力結(jié)構(gòu)，也可以作為云凝結(jié)核（Cloud Condensation Nuclei，CCN）改變云滴形成和增長，進(jìn)而影響降雨過程。因此，氣溶膠是影響全球氣候變化的重要因素之一（Rosenfeld et al.，2008;Li et al.，2011;Tao et al.，2012;吳國雄等，2015;Chen et al.，2016;李占清，2016;王東東等，2017;Wang et al.，2017;李占清，2020）。氣溶膠的輻射效應(yīng)與氣溶膠的理化特性和吸濕增長特性緊密相關(guān)（Swietlicki et al.，2008;劉新罡和張遠(yuǎn)航，2010;Tao et al.，2012;Li et al.，2019）。

我國大氣氣溶膠質(zhì)量濃度和數(shù)濃度均較高，且空間差異顯著，需要開展廣泛的氣溶膠理化特性和吸濕增長特性的觀測研究。近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，已在多地開展了氣溶膠理化特性和吸濕性的相關(guān)觀測實驗，取得了諸多研究成果。如在一些研究中發(fā)現(xiàn)新粒子生成（New Particle Formation，NPF）事件產(chǎn)生的大量顆粒物是我國氣溶膠污染的重要來源（Guo et al.，2014;Zhang et al.，2015），也是大氣中CCN的重要來源（Yue et al.，2011）。結(jié)合煙霧箱實驗的研究表明，我國城市氣溶膠快速生成和老化過程都增強了氣溶膠的吸濕能力和消光能力，從而能夠顯著增強氣溶膠的輻射效應(yīng)（Peng et al.，2016，2017）。不同來源和不同老化程度的氣溶膠的吸濕活化能力顯著不同，如華北平原地區(qū)氣溶膠吸濕性受二次氣溶膠影響較大，重污染階段二次顆粒物（主要包括硫酸鹽、硝酸鹽、二次有機物）的大量生成增強了氣溶膠吸濕性，使得氣溶膠液態(tài)水含量（Aerosol Liquid Water Content，ALWC）在高濕環(huán)境下明顯增多，ALWC的增多加快了粒子表面的液相化學(xué)反應(yīng)，從而進(jìn)一步促進(jìn)了二次氣溶膠的形成。因此，氣溶膠吸濕性的增強對華北平原地區(qū)的空氣污染的形成具有正反饋作用（Wang et al.，2017，2018;Jin et al.，2020）。氣溶膠數(shù)濃度譜分布、化學(xué)成分、混合狀態(tài)的多變性使得我國CCN濃度的估算具有不確定性（Zhang et al.，2017;Ren et al.，2018），這使我國氣溶膠環(huán)境及其氣候效應(yīng)呈較大不確定性。目前，天氣和氣候模式中使用的氣溶膠-云參數(shù)化方案幾乎都基于國外的觀測資料，尤其多來自歐美國家的研究結(jié)果，造成中國地區(qū)的模擬結(jié)果存在較大偏差（Li et al.，2019）。為提高中國天氣和氣候模式模擬的準(zhǔn)確性，建立適用于中國氣溶膠-云參數(shù)化方案，亟須在我國典型區(qū)域大量開展氣溶膠、云特性的綜合觀測。

為此，本團隊發(fā)展了一整套集國際領(lǐng)先技術(shù)于一體的氣溶膠特性綜合在線觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時在線監(jiān)測大氣氣溶膠物理特性、化學(xué)成分、光學(xué)特性、吸濕特性、活化特性以及光學(xué)特性垂直分布等。利用該系統(tǒng)已在全國多個地區(qū)開展了累計十多次觀測實驗，包括2013年的香河試驗，2014年山西忻州試驗，2016年的邢臺實驗，以及近幾年在北京（2017—2019年）、廣州（2019—2020年）、上海（2020年），南京（2020—2021年）等地開展的綜合外場觀測實驗。以往實驗結(jié)果及發(fā)現(xiàn)可參見Li et al.（2019）。

本文將基于在北京、上海和廣州開展的超大城市大氣環(huán)境綜合觀測實驗，介紹氣溶膠特性綜合觀測系統(tǒng)及實驗結(jié)果。三個超大城市分別位于我國華北、華東、華南地區(qū)，比較這三個超大城市間氣溶膠理化特性及吸濕性的差異，對于探究我國超大城市空氣污染現(xiàn)狀及改進(jìn)氣溶膠-云參數(shù)化方案都具有重要意義。

1 實驗和數(shù)據(jù)采集

1.1 超大城市大氣環(huán)境綜合外場觀測實驗

本研究利用氣溶膠理化特性綜合觀測系統(tǒng)相繼在北京、廣州、上海開展了超大城市氣溶膠特性綜合觀測實驗（圖1）。北京外場觀測實驗于2017年7月20日—2019年10月23日在北京市南郊觀象臺開展，此次觀測先后在地面和實驗樓四樓樓頂展開，其中以地面觀測為主。地面觀測點臨近北京南五環(huán)，期間獲取了豐富的氣溶膠理化特性觀測數(shù)據(jù)，觀測時段能夠覆蓋不同季節(jié)和重大節(jié)假日人類活動明顯減少的時段，包括春節(jié)期間煙花爆竹污染、春季沙塵、夏季新粒子生成、強降水、秋季重霾污染等。這都為研究超大城市氣溶膠理化特性及人為活動影響提供觀測基礎(chǔ)資料。

廣州外場觀測實驗于2019年11月1日—2020年3月31日在廣州市番禺區(qū)和海珠區(qū)開展。觀測分為兩個階段，首先是所有儀器在廣州市氣象局院內(nèi)氣象觀測場地面觀測，獲取廣州番禺氣溶膠譜分布和理化特性等信息。在地面進(jìn)行1 mon左右的觀測以后，于2019年12月18日將部分儀器移至廣州塔頂（454 m處）進(jìn)行高空、地面對比觀測。由于廣州塔高空受到交通源和人為源的局地污染影響較小，這為研究超大城市背景氣溶膠提供了一個獨特的觀測平臺。廣州觀測獲得了4 mon的塔地對比觀測資料。

上海外場觀測實驗于2020年4月5日—2020年6月9日在上海寶山氣象局站點開展。此次實驗集成了站點各類氣象數(shù)據(jù)的觀測，獲取了上海市北郊地區(qū)氣溶膠顆粒物的理化特性及吸濕性。結(jié)合寶山氣象站的業(yè)務(wù)探空數(shù)據(jù)和同期氣象要素和廓線的變化，可深入研究華東地區(qū)超大城市氣溶膠特性，也為研究氣溶膠-邊界層、云降水等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 氣溶膠基本理化特性參數(shù)與觀測系統(tǒng)

圖2展示了氣溶膠物理、化學(xué)、光學(xué)、吸濕和活化綜合觀測系統(tǒng)組成。物理系統(tǒng)主要測量氣溶膠粒子的數(shù)濃度尺度譜分布;化學(xué)系統(tǒng)測量氣溶膠的化學(xué)成分;光學(xué)系統(tǒng)測量氣溶膠的光學(xué)散射系數(shù)、吸收系數(shù)及散射吸濕性增強因子;吸濕系統(tǒng)測量氣溶膠在高濕條件下的粒徑吸濕性增強因子（即吸濕性），該吸濕系統(tǒng)改變工作模態(tài)也可以測量高溫條件下的粒徑收縮因子（即揮發(fā)性）;活化系統(tǒng)測量不同過飽和條件下不同粒徑氣溶膠粒子的核化（即活化）效率和云凝結(jié)核數(shù)濃度。

氣溶膠數(shù)濃度尺度譜分布測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三部分組成：掃描電遷移率粒徑譜儀（Scanning Mobility Particle Sizer，SMPS;粒徑范圍為11.3～532 nm），納米-掃描電遷移率粒徑譜儀（Nano-SMPS;粒徑范圍為2～63 nm），以及空氣動力粒子譜儀（Aerodynamic Particle Sizer，APS;粒徑范圍為0.5～20 μm）。它們都由美國TSI公司生產(chǎn)，核心部件是兩種差分電遷移率分析儀（Differential Mobility Analyzer，DMA;型號：3086和3081L）及兩種醇基凝聚核粒子計數(shù)器（Condensation Particle Counter，CPC;型號：3756和3772）。

串聯(lián)差分電遷移率分析儀（Tandem Differential Mobility Analyzer，TDMA）系統(tǒng)，即將兩個DMA串聯(lián)在一起的設(shè)備儀器。中和后的氣溶膠樣氣進(jìn)入第一個DMA（DMA1）進(jìn)行篩選，篩選出某一粒徑的單分散氣溶膠，單分散氣溶膠進(jìn)入氣溶膠調(diào)節(jié)器（Aerosol Conditioner，AC）進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨后用第二個DMA（DMA2）和CPC對調(diào)節(jié)后的氣溶膠數(shù)譜進(jìn)行掃描，這就是TDMA的基本工作原理。選用不同類型的調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)測量氣溶膠不同的特性，比如使用加濕器將單分散氣溶膠加濕到較高濕度，不同化學(xué)組成的單分散氣溶膠會有不同程度的增長，測量加濕后的數(shù)譜分布可以獲得詳細(xì)的氣溶膠吸濕性信息。

在水汽過飽和條件下，氣溶膠可作為云凝結(jié)核（CCN）活化成云粒子。影響氣溶膠活化能力的因子主要有粒子粒徑、化學(xué)成分及混合狀態(tài)等。然而上述因子的重要性在不同地區(qū)呈現(xiàn)差異（Dusek et al.，2006;Cubison et al.，2008;Deng et al.，2011;Ren et al.，2018）。目前廣泛使用的美國DMT公司生產(chǎn)的云凝結(jié)核計數(shù)器（Cloud Condensation Nuclei counter，CCNc）只能測量CCN總濃度，而不能對不同粒徑氣溶膠的活化能力進(jìn)行測量。為此，本研究將SMPS與CCNc的管路相連，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行重新反演，成功搭建了分粒徑云凝結(jié)核測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于對影響氣溶膠活化能力的因子進(jìn)行深入研究，結(jié)合其他觀測數(shù)據(jù)，可建立適用于不同地區(qū)的氣溶膠-云凝結(jié)核轉(zhuǎn)化關(guān)系。

氣溶膠化學(xué)組分測量系統(tǒng)使用的儀器是美國Aerodyne公司生產(chǎn)的氣溶膠化學(xué)組成在線監(jiān)測儀（Aerosol Chemical Speciation Monitor，ACSM），可對大氣中PM1、PM2.5中非難熔性氣溶膠化學(xué)組分進(jìn)行實時測量，能夠測量的非難熔性化學(xué)組分主要包括有機物（Org）、硫酸鹽（SO2-4）、硝酸鹽（NO-3）、銨鹽（NH+4）和氯化物（CI-）。ACSM的有機物質(zhì)譜數(shù)據(jù)也可以通過正交矩陣因子分解（Positive Matrix Factorization，PMF）進(jìn)行解析，根據(jù)有機物氧化程度的差異，PMF的解析結(jié)果可將有機物分解為一次有機氣溶膠和二次有機氣溶膠。難熔性氣溶膠化學(xué)組分（主要包括黑碳）使用美國Magee公司生產(chǎn)的黑碳儀（Aethalometer，型號：AE33）進(jìn)行實時測量。

氣溶膠光學(xué)觀測系統(tǒng)包括氣溶膠散射系數(shù)及散射吸濕增長因子測量單元和氣溶膠吸收系數(shù)測量單元。其中氣溶膠散射系數(shù)及散射吸濕增長因子測量單元包括光學(xué)測量單元和加濕單元兩部分。樣氣經(jīng)干燥管干燥后，將濕度控制在40％以下，后經(jīng)Y型管分為兩路，一路進(jìn)入干濁度儀測量干狀態(tài)下氣溶膠的散射系數(shù)和后向散射系數(shù);另一路經(jīng)加濕管，加濕到指定的濕度后通入濕濁度儀，測量加濕后氣溶膠的散射系數(shù)和后向散射系數(shù)。氣溶膠光吸收單元包含一臺黑碳儀（AE33），可獲得880 nm波段下黑碳的吸收系數(shù)和質(zhì)量濃度，時間分辨率為1 min，流量為5 L/min。

2 中國超大城市氣溶膠綜合觀測實驗結(jié)果

2.1 氣溶膠粒子數(shù)濃度尺度譜分布觀測比較

氣溶膠粒子數(shù)濃度尺度譜分布（Particle Number Size Distribution，PNSD）對于研究氣溶膠形成機制、評估氣溶膠污染對氣候和人類健康的影響非常重要。將本文所述的三種粒徑譜儀器所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并可以得到寬粒徑范圍（2 nm～20 μm）的PNSD數(shù)據(jù)，圖3給出三個超大城市寬粒徑范圍PNSD的觀測結(jié)果，分別選取具有典型新粒子生成（New Particle Formation，NPF）事件的冬春季觀測結(jié)果進(jìn)行對比，其中北京在春季的NPF事件頻發(fā)，廣州在12月出現(xiàn)了連續(xù)5 d的NPF事件，上海春季觀測中NPF事件則很少出現(xiàn)。

從圖中還可以看出北京、廣州的氣溶膠數(shù)濃度明顯高于上海，其中北京的PNSD偏向于小粒徑范圍，尤其是午夜后小粒徑粒子的增加非常明顯，這可能是由于該站點受南五環(huán)高速路汽車尾氣影響較為嚴(yán)重。廣州地區(qū)的粒子尺度譜呈現(xiàn)較典型的日變化，幾乎每天白天都有NPF的發(fā)生，甚至存在連續(xù)6 d每日10時（北京時，下同）左右都有NPF出現(xiàn)。廣州的NPF事件幾乎都是于當(dāng)天下午結(jié)束，增長過程沒有持續(xù)到第二天的情況，說明新生成的粒子迅速碰并清除，沒有形成持續(xù)污染的潛力，這和北京的觀測結(jié)果明顯不同。上海地區(qū)觀測的數(shù)濃度最低，相比于其他兩個站點，不同粒徑氣溶膠數(shù)濃度都較低，并且觀測期間新粒子生成事件較少，在一個月的連續(xù)觀測中只出現(xiàn)了5次NPF事件。

三個城市的氣溶膠粒子數(shù)濃度均值分別為24 005 cm-3（北京）、23 104 cm-3（廣州）、7 250 cm-3（上海）。對不同尺寸粒徑范圍內(nèi)的PNSD進(jìn)行積分，可得到不同模態(tài)氣溶膠粒子的數(shù)濃度。基于模態(tài)的常規(guī)分類法，本文將三個超大城市顆粒物劃分為四個模態(tài)：即核模態(tài)（Nucleation mode，Nu，lt;25 nm）、細(xì)艾根模態(tài)（Small Aitken mode，SA，25～50 nm）、粗艾根模態(tài)（Large Aitken mode，LA，50～100 nm）、積聚模態(tài)（Accumulation mode，Acc，gt;100 nm）。圖4展示了在北京、廣州以及上海觀測期間四個模態(tài)粒子數(shù)濃度均值的占比。其中，北京站點的核膜態(tài)以及細(xì)艾根模態(tài)粒子數(shù)濃度要顯著高于其他模態(tài)的粒子數(shù)濃度，均值分別為10 909 cm-3和6 746 cm-3，占總粒子數(shù)濃度的比值則分別高達(dá)44％和27％。廣州站點與北京站點類似，核膜態(tài)粒子和細(xì)艾根粒子也同樣呈現(xiàn)與之相近的極高數(shù)濃度均值和占比，核膜態(tài)粒子和細(xì)艾根粒子的占比分別為40％和31％。考慮到粒徑小于50 nm的氣溶膠粒子的主要來源是新粒子生成和道路交通排放（Brines et al.，2015;Rnkk et al.，2017），北京和廣州站點高濃度的核膜態(tài)和細(xì)艾根模態(tài)粒子說明站點周圍具有較強的局部排放源。上海站點則明顯區(qū)別于上述兩個超大城市站點，核膜態(tài)以及細(xì)艾根模態(tài)的粒子數(shù)濃度均值分別為2 021 cm-3和2 186 cm-3，且與其他模態(tài)的粒子數(shù)濃度均值差距不大，因此四個模態(tài)在總粒子數(shù)濃度中的占比也相差不大，分別為27％、29％、25％和19％。另外，核模態(tài)和艾根模態(tài)顆粒物的凝結(jié)和碰并增長是積聚模態(tài)顆粒物的重要來源之一，且由于積聚模態(tài)在大氣中的生命周期較其他模態(tài)顆粒物更長，因此上海地區(qū)較高的積聚模態(tài)顆粒物占比可能是由于該站點受周邊區(qū)域的輸送影響較大。

綜上，因排放源、氣象條件及采樣季節(jié)不同，三個超大城市氣溶膠粒徑尺度譜分布和氣溶膠濃度均值呈現(xiàn)出明顯的差異性，但在三個站點均發(fā)現(xiàn)較高濃度的超細(xì)粒子占比（UltraFine Particles，UFP，直徑小于100 nm），分別達(dá)到了86％、88％和81％。這些小粒徑氣溶膠顆粒對健康影響很大，這是因為它們的單位質(zhì)量表面積比更大，生物活性更強（Perera，2017;Yin et al.，2019;Grate-Vélez et al.，2020），因此建議未來還應(yīng)更仔細(xì)地研究我國超大城市地區(qū)超細(xì)粒子對健康的潛在影響。

從三個超大城市的四個模態(tài)氣溶膠數(shù)濃度日變化分析（圖5）可以看到，三個超大城市的四個模態(tài)氣溶膠數(shù)濃度日變化特征明顯不同。其中廣州站點四個模態(tài)氣溶膠數(shù)濃度存在明顯的晝夜差異，尤其是核模態(tài)和細(xì)艾根模態(tài)，表現(xiàn)為夜間高而白天低，夜間核模態(tài)的濃度可以達(dá)到白天的八倍之多。廣州站點的核模態(tài)的濃度高峰值出現(xiàn)在夜間02—04時（北京時，下同），而其他三個模態(tài)的濃度高峰值則出現(xiàn)在20時左右，這是由它們的來源不同造成的。

廣州站點臨近大排檔等餐飲排放源，夜間餐飲行業(yè)、交通等一次排放會成為艾根模態(tài)的主要貢獻(xiàn)源，而積聚模態(tài)在夜間數(shù)濃度也比較高，則可能是由于邊界層降低，顆粒物的累積并增長造成的。北京站點核模態(tài)和細(xì)艾根模態(tài)氣溶膠數(shù)濃度也表現(xiàn)為夜間高白天低的現(xiàn)象，一方面是可能受到邊界層變化的影響，另一方面也與周圍繁忙的交通排放有關(guān)。而上海站點的高峰值并未像北京和廣州站點一樣出現(xiàn)在夜間，兩個高峰分別出現(xiàn)在早06時和晚20時，峰值的出現(xiàn)可能與早高峰和晚高峰高強度的汽車尾氣排放有關(guān)。

2.2 新粒子生成特征比較

三個超大城市NPF的平均粒徑增長速率（Growth Rate，GR）都在5.0 nm／h左右。如圖6a所示，廣州塔（綠色）的增長速率最高（平均為6.79 nm／h），北京（黃色）為4.48 nm／h，廣州地面（藍(lán)色）為4.25 nm／h，上海（紅色）為4.14 nm／h。廣州塔高空的高增長速率可能與垂直傳輸有關(guān)，地面向上傳輸?shù)臍鈶B(tài)前體物和強光化學(xué)反應(yīng)造成該層NPF事件中新形成的粒子能夠迅速增長（Lampilahti et al.，2020），但發(fā)生在這里的NPF持續(xù)時間是最短的（平均177.5 min）（圖6b），相比于廣州地面（229.4 min）減少了接近1 h的持續(xù)時間，上海為210 min，與廣州接近。但是三個超大城市中NPF持續(xù)時間最長的是北京，持續(xù)時間平均達(dá)到了823.6 min，這也說明在北京發(fā)生的NPF事件新形成粒子具有較長的增長時間，粒子平均粒徑能增大到100 nm以上，這就對氣溶膠質(zhì)量濃度增加有顯著貢獻(xiàn)。

2.3 散射吸濕增長因子對比

圖7展示了三個超大城市氣溶膠光散射吸濕增長過程。在高相對濕度條件下，北京和上海站點的氣溶膠散射吸濕增長因子較高，吸濕性較強，而廣州站點氣溶膠的吸濕性較弱。主要是因為北京和上海站點氣溶膠的化學(xué)組成中強吸濕性的二次無機氣溶膠的占比較高，而廣州站點氣溶膠化學(xué)組成中吸濕性較弱的有機物占比較重。在低濕度條件下，北京站點氣溶膠光學(xué)散射吸濕性增長因子（f（RH），定義為某一濕度（RH）條件下氣溶膠散射系數(shù)與干氣溶膠散射系數(shù)之比）普遍都比另外兩個城市站點要高，而上海站點f（RH）在低濕度條件下通常較低。

從三個站點觀測期間f（RH=85％，525 nm）的頻率分布情況（圖8a）來看，北京和上海站點氣溶膠的吸濕性較強，而廣州站點氣溶膠的吸濕性較弱。從日變化上來看（圖8b），廣州觀測期間f（RH=85％，525 nm）呈現(xiàn)出明顯的白天高、夜間低的日變化特征，由于觀測站點西側(cè)新光快速道的限行規(guī)定，所以以西風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向時，每天早上07時之前和20時后PM2.5濃度處于高值。這主要是因為該時間段貨車通行量處于峰值，柴油車尾氣排放許多吸濕性較弱的物質(zhì)，從而導(dǎo)致相應(yīng)時段（夜間）氣溶膠的散射吸濕增長因子處于低值。而清晨07時開始，由于貨車通行數(shù)量的減少，PM2.5質(zhì)量濃度開始逐漸降低，疏水性氣溶膠占比降低;同時由于光化學(xué)反應(yīng)變強，二次無機鹽占比得到提升，所以散射吸濕增長因子在白天較強。此外，觀測站東側(cè)是商圈、居民區(qū)，餐飲業(yè)較多，在東風(fēng)為盛行風(fēng)向時，人為排放對站點的觀測影響較大。早晨的早餐市場和夜間的宵夜市場都很大，餐飲排放嚴(yán)重，排放的氣溶膠中吸濕性較弱的有機物占比較高，使得氣溶膠吸濕性較弱，散射吸濕增長因子也較低。而北京站點f（RH=85％，525 nm）的峰值出現(xiàn)在午后，主要是由于午后光化學(xué)反應(yīng)增強，受到氣溶膠化學(xué)組成中的硫酸鹽占比上升的影響。

而夜間f（RH=85％，525 nm）的低值主要與觀測站周圍的南五環(huán)快速路夜間貨車通行數(shù)量增加，尾氣排放增多，黑碳等吸濕性較弱的成分占比加重有關(guān)。上海觀測期間，f（RH=85％，525 nm）的日變化規(guī)律并不明顯。由此可見，觀測點地理位置、氣候特征、排放源的不同造成三地區(qū)超大城市氣溶膠吸濕性日變化特征的顯著差異。

2.4 氣溶膠光吸收系數(shù)對比

圖9展示的是北京、廣州和上海觀測期間880 nm波長下氣溶膠（主要是黑碳）的光吸收系數(shù)。北京站點的數(shù)據(jù)來源于中國氣象局探測中心，觀測數(shù)據(jù)的時間跨度較短，僅為2019年9月18日至2019年10月5日，光吸收系數(shù)基本低于80 Mm-1。廣州觀測期間，除了1月15日之前出現(xiàn)過幾次光吸收系數(shù)較高的情況，其他時段氣溶膠中氣溶膠的光吸收較弱，基本在60 Mm-1以下。上海觀測期間黑碳的濃度一直較低，氣溶膠的光吸收比較弱。

從氣溶膠光吸收系數(shù)的日變化（圖10）來看，北京站點氣溶膠吸收系數(shù)呈現(xiàn)白天升高、夜間降低的特點，這表明氣溶膠中吸收能力較強的黑碳濃度在日間不斷累積增多，而在夜間，氣溶膠光吸收系數(shù)逐漸降低。廣州站點氣溶膠吸收系數(shù)呈現(xiàn)明顯的白天低、夜間高的日變化特征。從17時開始，吸收系數(shù)逐漸升高，至19時達(dá)到高值，并持續(xù)到午夜12時，后開始逐漸下降，直至清晨08時達(dá)到最低。由于黑碳在880 nm處的吸收最強，所以氣溶膠在880 nm處吸收系數(shù)的日變化情況也反映了黑碳濃度的日變化情況。這一特征主要是受到測站西側(cè)新光快速道限行規(guī)則和測站周圍餐飲排放的影響。此外，邊界層高度的日變化，也是廣州站點氣溶膠吸收系數(shù)呈現(xiàn)白天低、夜間高這一日變化特征的原因之一。而在上海觀測期間，氣溶膠吸收系數(shù)的峰值出現(xiàn)在清晨06時（早高峰時期），夜間更低的邊界層及更多大型柴油車排放的黑碳?xì)馊苣z使得夜間氣溶膠吸收系數(shù)略高于白天，但與其他兩個站點相比，上海站點氣溶膠吸收系數(shù)日變化特征不顯著。

3 結(jié)論與討論

氣溶膠理化特性的綜合觀測對研究空氣污染形成機制、氣溶膠-邊界層-云降水相互作用以及氣溶膠氣候效應(yīng)具有十分重要的意義。本文介紹了在北京、上海和廣州開展的超大城市氣溶膠特性綜合實驗。在這三個超大城市中，北京的氣溶膠小粒徑粒子濃度較高，尤其是午夜后小粒徑粒子的增加非常明顯，表明夜間受南五環(huán)高速路汽車尾氣排放的細(xì)粒子影響較重;廣州地區(qū)的氣溶膠粒子尺度譜有明顯的日變化特征，受到邊界層演變的影響明顯;上海地區(qū)觀測的氣溶膠數(shù)濃度較低，表明上海北郊地區(qū)較為清潔，且因受區(qū)域傳輸?shù)挠绊懀髿猸h(huán)境中粗模態(tài)粒子占比較高。因排放源、氣象條件及采樣季節(jié)的不同，三個超大城市的氣溶膠粒子尺度譜分布和氣溶膠濃度均值呈現(xiàn)出明顯的差異性，但三個超大城市站點均發(fā)現(xiàn)超細(xì)粒子濃度較高，數(shù)濃度占比分別達(dá)到了86％、88％ 和81％。

對比三個超大城市的NPF演化特征表明，北京NPF的平均發(fā)生頻率低于廣州，可能歸因于北京地區(qū)大氣中大顆粒氣溶膠濃度較高，這些粒子具有較高的碰并匯，抑制了NPF的發(fā)生和發(fā)展，廣州地區(qū)秋季強輻射和高濃度的前體物是造成NPF頻繁發(fā)生的重要原因。此外，對三個站點氣溶膠吸濕性的對比研究表明，北京和上海站點氣溶膠的吸濕性強于廣州，超大城市中人為一次排放能夠顯著降低氣溶膠吸濕性，氣溶膠吸濕性的日變化特征與人為活動及氣溶膠的老化過程密切相關(guān)。三個超大城市中氣溶膠吸收系數(shù)的日變化特征存在明顯差別，其中北京站點的氣溶膠吸收系數(shù)呈現(xiàn)白天高、夜間低的特點，而廣州站點氣溶膠的吸收系數(shù)呈現(xiàn)相反的日變化，這可能是由觀測站周邊的環(huán)境差異及大氣邊界層的變化特征差異造成的。

以上研究表明我國華北、華東、華南三個地區(qū)超大城市的氣溶膠理化特性存在顯著差異，氣溶膠顆粒物濃度的差異是造成三個地區(qū)超大城市大氣污染程度差異的重要原因，氣溶膠吸濕性和光散射、吸收能力的差異會造成大氣能見度及氣溶膠輻射效應(yīng)的差異，氣溶膠吸濕性的差異也會導(dǎo)致氣溶膠的活化能力的差異，進(jìn)而對云微物理特性產(chǎn)生不同的影響。該研究對于探究我國超大城市空氣污染現(xiàn)狀及改進(jìn)氣溶膠-云參數(shù)化方案都具有重要參考價值。

致謝：本文所用數(shù)據(jù)來源于在北京、上海、廣州開展的三次外場科學(xué)實驗，實驗期間得到了中國氣象局氣象探測中心、廣州市氣象局、上海市氣象局等部門的大力支持，在此感謝相關(guān)人員在實驗觀測期間的辛勤付出。

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·ARTICLE·

Physicochemical and hygroscopic properties of aerosols in Beijing，Shanghai and Guangzhou：a comprehensive experiment of Chinese megacities

LI Zhanqing1，2，WANG Yuying1，3，WU Hao1，4，JIN Xiaoai1，LI Shangze1，CHEN Lu1，REN Rongmin1，ZHANG Dongmei1，ZHANG Fang1

1College of Global Change and Earth System Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;

2Department of Atmospheric ＆ Oceanic Science，University of Maryland，College Park，MD20740，USA;

3School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044，China;

4School of Electrical Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China

Abstract Aerosols have great impacts on the environment，meteorology，and human health.These effects are closely related the physical and chemical properties of aerosols （particle size distribution，chemical composition，mixing state，etc.）.In this paper，we develop an online，comprehensive aerosol observation system and report the results of comprehensive observation experiments of Beijing，Shanghai，and Guangzhou using this system to study aerosol environmental and climate effects.Through comparative analysis，it is found that Guangzhou has highest aerosol number concentration，but the pattern of its particle size distribution is similar to that of Beijing，both of which are dominated by smaller nuclear modes.However，the aerosol concentration in Shanghai is low in all modes.The comparison of new particle formation （NPF） in three megacities suggests that the occurrence frequency of NPF in Beijing is lower than that in Guangzhou，mainly due to more large-size aerosols in the atmosphere of Beijing，which inhibited the occurrence and development of NPF because of the higher coalescence sink.The results also show that aerosol hygroscopicity in Beijing and Shanghai is stronger than that in Guangzhou.Anthropogenic emissions could significantly weaken aerosol hygroscopicity in megacities，with the diurnal variation of aerosol hygroscopicity being closely related to anthropogenic activities and aerosol ageing processes.In addition，there are significant differences in the diurnal variation of the aerosol optical absorption coefficient in the three megacities，such that the absorption coefficient in Beijing is higher during the daytime than at night，while it is reversed in Guangzhou.This is likely caused by the differences in the environment surrounding the observation stations and the diverse characteristics of the atmospheric boundary layer.

Keywords megacity;aerosol physicochemical properties;hygroscopicity;new particle formation;integrated observation system

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20220207002

（責(zé)任編輯：袁東敏）