陸文濤,馬 嫣,2*,鄭 軍,蔣友凌

不同污染條件下南京春季CCN活化特征分析

陸文濤1,馬 嫣1,2*,鄭 軍1,蔣友凌1

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)雷丁學(xué)院,江蘇 南京 210044)

在2018年3～4月對南京北郊地區(qū)的氣溶膠開展了云凝結(jié)核(CCN)特征的外場觀測,并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、PM2.5濃度和化學(xué)組分信息以及光學(xué)特性等數(shù)據(jù),對觀測期間的污染天和清潔天進(jìn)行了對比,分析了典型污染過程和新粒子生成天的CCN特征.結(jié)果表明,本次觀測中氣溶膠CCN活性總體較高,各過飽和度(SS)下的平均吸濕性參數(shù)()為0.30,在最低過飽和度下(SS=0.17%)最低,且最大活化率()僅為0.72,表明氣溶膠中有較多不易活化的物質(zhì).污染天高于清潔天,但活化率更低且外混程度更高,主要是受交通和工業(yè)排放的吸濕性較差的粒子影響,而顆粒物在夜間可迅速老化,使其吸濕性提升,CCN數(shù)濃度增加.新粒子生成天的受到粒子成核的影響有明顯日變化,對總氣溶膠數(shù)濃度(CN)和CCN數(shù)濃度(CCN)也有顯著貢獻(xiàn).

氣溶膠；云凝結(jié)核；活化特征；吸濕性

在中國,氣溶膠粒子污染事件日趨頻發(fā),由其直接導(dǎo)致的空氣質(zhì)量下降和重大灰霾事件的發(fā)生也逐漸引起人們的廣泛關(guān)注.同時,氣溶膠粒子可以形成CCN,進(jìn)一步影響全球輻射平衡,這也是評價氣溶膠對氣候影響的最大不確定度之一[1].CCN是大氣氣溶膠或凝結(jié)核(CN)的一部分,它能改變云滴數(shù)濃度和大小[2]、云反照率和壽命,從而影響降水[3].因此其對區(qū)域和全球氣候特征的影響不言而喻,尤其是在氣溶膠污染日益頻繁的今天,在全球不同地區(qū)和不同大氣條件下開展CCN觀測研究很有必要[4].

關(guān)于CCN的觀測技術(shù)自20世紀(jì)中葉問世以來,在世界各地都開展了廣泛的實(shí)地觀測應(yīng)用.在印度坎普爾地區(qū)三個不同季節(jié)的觀測發(fā)現(xiàn),隨著粒徑的增大,化學(xué)成分的差異也不斷擴(kuò)大,從而影響了CCN的活性[5];而同是印度的大吉嶺地區(qū)[6]及阿拉伯海沿岸[7]的觀測發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)嘏欧藕瓦h(yuǎn)距離輸送通過對黑碳(BC)和海鹽的影響能改變CCN數(shù)濃度和活性;在亞馬遜雨林中的觀測則表明該地的CCN活化率明顯高于其他大陸背景點(diǎn)的值[8].這些研究都印證了CCN的活化特性因各地時空條件的不同差異很大.而目前國內(nèi)對CCN的觀測研究主要集中在京津冀、長江三角洲和珠江三角洲等.這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),工業(yè)排放使得污染物來源和種類復(fù)雜,CCN特性和氣溶膠吸濕性隨地域和季節(jié)變化差異很大.2014年和2016年在北京的觀測證明了污染物對CCN數(shù)濃度的增強(qiáng)影響很大,且隨過飽和度不同差異較大,并且氣溶膠粒徑和化學(xué)成分的不同對CCN數(shù)濃度的影響程度也隨地區(qū)和季節(jié)有所變化[9].在珠江三角洲(主要是廣州)的觀測表明有機(jī)物能通過改變氣溶膠的吸濕性和表面張力來影響CCN活性[10],并且主要通過人為排放影響冬夏兩季氣溶膠的老化和活性[11].在長江三角洲的南京[4]和臨安[12]等地的觀測研究表明污染天的氣溶膠老化程度更高,更均質(zhì),CCN數(shù)濃度也相應(yīng)提升,且由于氣象條件及污染物的來源種類差異,同一地區(qū)季節(jié)性差異也很顯著[13-15].

此外,基于現(xiàn)場觀測得到的數(shù)據(jù)之上,利用數(shù)值模擬和參數(shù)方法對CCN進(jìn)行閉合預(yù)測也是近些年研究CCN的重要方法.數(shù)值模擬的結(jié)果普遍表明氣溶膠的粒徑分布、化學(xué)成分甚至混合狀態(tài)等性質(zhì)都會對CCN特性產(chǎn)生影響[16-18],并且各種因素的相對重要性也不同[19].為了提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度,需要針對不同的區(qū)域進(jìn)行大量的觀測才能完善CCN的閉合方法.

南京位于中國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)之一的長江三角洲地區(qū),雖然空氣質(zhì)量優(yōu)于華北地區(qū),但近年來的研究表明,除了受到當(dāng)?shù)嘏欧庞绊懸酝?遠(yuǎn)距離傳輸也是重要的污染源之一[20].由于冬季污染較重,之前有較多關(guān)于南京冬季CCN活化特征的研究,春季雖然空氣質(zhì)量普遍優(yōu)于冬季,但CCN的活化特征隨季節(jié)差異較大,目前國內(nèi)外都很缺少對于春季CCN的觀測結(jié)果,因此有必要進(jìn)行春季CCN活性研究分析并與南京當(dāng)?shù)仄渌竟?jié)進(jìn)行對比研究.本文從南京春季CCN總體活化特征展開,對污染天和清潔天CCN特征進(jìn)行了對比,分析了一次污染過程的CCN特征,并對新粒子生成天CCN活化特征及影響因素進(jìn)行了探究.

1 實(shí)驗與方法

1.1 觀測點(diǎn)介紹

2018年3月1日～2018年4月12日在南京信息工程大學(xué)(118.7°E, 32.2°N)校園內(nèi)對大氣氣溶膠的理化性質(zhì)進(jìn)行了綜合觀測,校區(qū)東面為交通樞紐(寧天城際S8號線和江北大道),東北和東南面有南鋼集團(tuán)、揚(yáng)子石化等大型化工企業(yè),西南面緊靠龍王山風(fēng)景區(qū),西面和北面有大量農(nóng)田和村莊,因此該觀測點(diǎn)可能同時受到交通、工業(yè)和生活源的影響,能夠作為南京北郊復(fù)合污染區(qū)域的典型代表[21-22].

1.2 觀測氣路及儀器介紹

觀測氣路如圖1所示,待測的環(huán)境大氣經(jīng)過切割頭去除大粒徑顆粒物,通過Nafion干燥管(Nafion drier)干燥,將相對濕度降至30%以下后再經(jīng)過Kr-85放射源(Charger, TSI Model 3077)使其正態(tài)分布帶電,帶電氣溶膠經(jīng)過差分電遷移率分析儀(DMA)進(jìn)行篩分粒徑成為單分散氣溶膠.單分散氣溶膠再分為兩路,一路進(jìn)入凝結(jié)核粒子計數(shù)器(CPC)進(jìn)行總氣溶膠數(shù)濃度及氣溶膠粒徑譜分布的測量;另一路進(jìn)入云凝結(jié)核計數(shù)器(CCNC)在設(shè)定好的過飽和度環(huán)境下進(jìn)行活化,對能夠活化成云滴的氣溶膠粒子的數(shù)濃度進(jìn)行測量.本次觀測采用連續(xù)全掃描的方法(掃描粒徑范圍為8.2～346nm),可同時得到氣溶膠的粒徑譜分布,及隨粒徑分布的CCN活化特征.

在此次觀測中,采用DMA電壓連續(xù)掃描的方式實(shí)現(xiàn)對全粒徑譜分布和粒徑分辨的CCN活化特征的觀測.DMA的掃描粒徑范圍為8.2～346nm,時間分辨率為3min,CCNC共設(shè)置5個過飽和度(SS=0.1%, 0.2%,0.4%,0.6%,0.8%),經(jīng)過標(biāo)定后的實(shí)際值分別為SS=0.17%,0.26%,0.46%,0.65%,0.85%.觀測期間的氣象數(shù)據(jù)(包括氣溫、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、降水量)來自南京信息工程大學(xué)氣象觀測站,PM2.5數(shù)據(jù)通過Met One Instruments公司的PM2.5在線監(jiān)測儀獲得.

圖1 觀測氣路

Aerosol:氣溶膠;Monodisperse aerosol:單分散氣溶膠

此外,觀測期間對大氣顆粒物PM2.5進(jìn)行石英濾膜采樣,采樣流量為100L/min,采樣時長12h,每天早7:00晚19:00更換一次濾膜.隨后分別使用青島普仁的PIC-10A離子色譜儀和美國沙漠所(DRI)的Model 2001A熱光碳分析儀對采樣得到的PM2.5濾膜中的水溶性陰陽離子、有機(jī)碳(OC)、元素碳(EC)進(jìn)行組分濃度測定.另外,使用美國DMT公司的三波長光聲黑碳光度儀(PASS-3)在線測定觀測期間氣溶膠在3個波長(405,532和781nm)下的吸收和散射系數(shù).

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

本次觀測的CCN數(shù)據(jù)經(jīng)過SMAC軟件[23]進(jìn)行處理,可以得到粒徑分辨的CCN分布和活化動力學(xué)參數(shù)(,,).其中是活化曲線的上漸近線,表示氣溶膠隨著粒徑增大能達(dá)到的最大活化率;是各活化率下對應(yīng)的氣溶膠粒徑,當(dāng)活化率為/2時對應(yīng)的粒徑即為臨界粒徑(p50),在相應(yīng)的過飽和度下粒徑大于p50的氣溶膠能被活化;是活化曲線在p50處擬合的斜率,它能夠代表被活化成CCN的這部分氣溶膠的化學(xué)異質(zhì)性.利用SMCA方法可得到粒徑分辨的CCN活化率計算公式為:

利用Petters等[24]提出的κ- K?hler理論簡化公式,可以得到氣溶膠的吸濕性參數(shù)(),具體公式為:

式中:為過飽和度;p50為對應(yīng)下的臨界粒徑;為理想氣體常數(shù);w為水分子的摩爾質(zhì)量;ω為純水的密度.假設(shè)各類液滴的表面張力與純水一致時,s/a=0.072J/m2,=298.15K.

此外,由PASS-3測得的532nm波長下的散射和吸收系數(shù),可以計算得到單散射反照率SSA,公式表示為:

2 結(jié)果與討論

2.1 觀測期間CCN總體活化特征

圖2 觀測期間氣象要素時間序列

如圖2所示,此次春季觀測期間氣溫變化較大,平均氣溫為14.0℃,平均相對濕度(RH)為65.6%.風(fēng)向主要以東風(fēng),東南風(fēng)為主,風(fēng)速較為平和,平均風(fēng)速2.2m/s,最大風(fēng)速出現(xiàn)在3月4日夜間,最大值為7.2m/s.整個觀測期間PM2.5平均值為37.8mg/m3,大氣清潔度總體較高,但仍有輕微污染事件發(fā)生.按照24h平均濃度低于35mg/m3空氣質(zhì)量為優(yōu)來看,共有18d空氣質(zhì)量為優(yōu),將其定義為清潔天,分別出現(xiàn)在3次主要降水過程(3月4～8日,3月15～18日以及4月5日)期間或之后,此外根據(jù)圖3銨鹽、硝酸鹽和硫酸鹽的時間序列也可以看出這期間3種主要無機(jī)鹽濃度也顯著下降,可見大型降水過程對大氣顆粒物有很明顯的清潔作用.另外,在3月3日夜間～次日凌晨以及3月9日夜間～次日上午出現(xiàn)兩次PM2.5超過75mg/m3的過程,兩次污染過程的平均值為125.6mg/m3,達(dá)到輕度污染到中度污染的標(biāo)準(zhǔn),本文將其定義為污染天.

圖3 觀測期間PM2.5中銨鹽,硝酸鹽,硫酸鹽濃度時間序列

圖4 觀測期間氣溶膠數(shù)濃度(NCN)及各CCN參數(shù)(NCCN, NCCN/NCN,DP50, B, κ)的時間序列

從表 1可以看到春季觀測期間的CN平均值為12000個/cm3,該數(shù)值與2017年南京冬季[15]的觀測(約12200個/cm3)接近,遠(yuǎn)低于2016年南京冬季[4](約17800個/cm3)的數(shù)值,但遠(yuǎn)高于印度較清潔地區(qū)坎普爾[5](約4300個/cm3)和亞馬遜背景站點(diǎn)[25](約250個/cm3)的數(shù)值,這說明作為典型的復(fù)合污染區(qū)域的南京北郊,即使在春季仍有一定程度的氣溶膠污染,因此需對春季污染條件下氣溶膠的CCN活化特征進(jìn)行進(jìn)一步分析.如圖4所示,在觀測期間,CCN/CN和CCN都隨過飽和度提高而上升,各SS下的變化趨勢也較一致.CCN在各個SS下的值均略低于2017年南京冬季[15]的數(shù)據(jù),SS=0.26%的數(shù)值高于2015年南京夏季[13]的觀測數(shù)據(jù),但SS=0.46%,0.65%,0.85%的數(shù)值都比其顯著降低.在幾次明顯的降水過程之后,CCN都呈現(xiàn)不同程度的低值,這說明雨雪天氣對CCN也有一定的沖刷作用[26-28].各SS下的活化率CCN/CN都顯著低于2017年南京冬季[15]的觀測結(jié)果,這體現(xiàn)出了南京郊區(qū)氣溶膠CCN活性有明顯的季節(jié)差異.最大活化率()在最低過飽和度(SS= 0.17%)下僅為0.72,這表明在這一過飽和度下有約30%的非CCN活性物質(zhì)(如新鮮排放的煙炱等),這一最大活化率數(shù)值也遠(yuǎn)低于在臨安(=0.89)[12]和較為清潔的亞馬遜地區(qū)(=0.91)[25]的觀測數(shù)值,但比污染更嚴(yán)重的洛杉磯地區(qū)[29]要高,并且在南京春季的觀測,高下的值仍只有0.85,這時仍有相當(dāng)多的不吸濕或弱吸濕性物質(zhì),這說明城市煙炱的排放能嚴(yán)重影響CCN活性.P50則隨升高而快速降低,說明越高,CCN越易被活化.南京春季觀測的臨界干粒徑在較高下(SS>0.46%)與臨安[12]、廣州[17]、北京[30]的觀測較接近,但在低(SS=0.17%)條件下,此次觀測的臨界干粒徑低于臨安等地的數(shù)值,且各下的P50都低于亞馬遜清潔地區(qū)觀測值(尤其是低下)[25],這可能主要是由于亞馬遜地區(qū)大氣氣溶膠組分中含有大量的礦物和有機(jī)物,而南京春季觀測期間與國內(nèi)其他地區(qū)含有無機(jī)鹽組分特征相似有關(guān).

整個春季觀測期間的均值為0.30,這一均值略小于2013年南京江心洲地區(qū)夏季[31](=0.35)觀測數(shù)值,與國內(nèi)其他地區(qū)(廣州[8]、香港[16]、北京[30])觀測值相當(dāng),與亞洲其他地區(qū)相比,低于韓國濟(jì)州島地區(qū)(=0.48)[32]而高于印度坎普爾地區(qū)(=0.24)[5].而歐洲及南北美洲等地區(qū)[33-36]的大多在0.1～0.2,遠(yuǎn)低于南京春季觀測數(shù)值,這也與之前的研究認(rèn)為國內(nèi)氣溶膠普遍大于國外相一致[10,18,37].這些能夠說明南京地區(qū)氣溶膠有較強(qiáng)的吸濕性,可能與無機(jī)鹽含量較高有關(guān).另外,南京春季觀測變化范圍為0.26～ 0.35,當(dāng)SS>0.26%時,隨上升而降低,但當(dāng)SS= 0.17%時為最低值,這種在低條件下下降的情況在之前的南京和國內(nèi)其他地區(qū)的研究中也有報道[4,15,17-18,30].主要原因可能為低下的氣溶膠CCN活性對化學(xué)組分更加敏感,當(dāng)氣溶膠中含有不吸濕或弱吸濕物質(zhì)(如新鮮BC和一次有機(jī)氣溶膠(POA))較多時,會導(dǎo)致低下的整體吸濕性和活化率下降,而之前發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象的觀測點(diǎn)大多位于人為排放較嚴(yán)重的地區(qū),這些地區(qū)排放的顆粒物中含有大量有機(jī)物和BC[38],導(dǎo)致了低條件下整體顆粒物吸濕性的下降.

表1 觀測期間的CCN參數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.2 污染天與清潔天CCN特征對比

此次春季觀測期間共出現(xiàn)兩次明顯的污染期(3月3～4日和3月9～10日),另有18d PM2.5小時平均濃度在35μg/m3的清潔天.對比圖2和圖4可以看出,污染發(fā)生時CN和PM2.5濃度同時快速上升,兩次污染期間CN平均值約為18700個/cm3.由表1污染天和清潔天CCN參數(shù)比較可以看出,污染天在各下的CCN和CN均明顯高于清潔天,污染天各下的平均CN約為清潔天的1.7倍,但污染天各下對應(yīng)的值都低于清潔天,尤其是污染天最低條件下的僅為0.68,這說明其中含有相當(dāng)一部分與污染排放有關(guān)的吸濕性較差的粒子.值得注意的是,污染天各下的卻都略高于清潔天,各下的平均值為0.34,這一點(diǎn)與之前南京冬季觀測[4,15]得到的污染天小于清潔天的結(jié)果不同,可能與冬春季污染類型不同有關(guān),春季污染天雖有局地排放的弱吸濕性粒子導(dǎo)致值下降,但同時也可能含有吸濕性較強(qiáng)的無機(jī)鹽組分從而拉高了整體的值,因此需對污染天和清潔天的化學(xué)組分進(jìn)行研究對比.觀測期間測得的PM2.5中水溶性離子組分和OC、EC質(zhì)量濃度如表2所示,相比于清潔天,污染天的多數(shù)水溶性離子和OC、EC質(zhì)量濃度都顯著升高,主要無機(jī)鹽如NH4+、NO3-、SO42-上升兩倍或以上,EC比OC上升更明顯,因此OC/EC從清潔天的5.14降至污染天的3.46.對比水溶性離子和OC、EC的質(zhì)量占比可以發(fā)現(xiàn),污染天的水溶性離子總量占比從清潔天的82.2%上升到88.2%,OC、EC總量占比相應(yīng)減少,水溶性離子含量的增長促進(jìn)了整體的上升.同時分析污染天和清潔天的SSA發(fā)現(xiàn),污染天的平均SSA為0.90,遠(yuǎn)大于清潔天的平均值0.75,可見污染天比清潔天散射型氣溶膠如硫酸鹽等含量更高,而BC等吸收型氣溶膠含量有所減弱,并且根據(jù)NH4+,NO3-,SO42-劇增的結(jié)果可以初步認(rèn)為可能在污染天生成了硫酸銨、硝酸銨等吸濕性較強(qiáng)的組分,從而導(dǎo)致整體有所上升.

表2 污染天和清潔天PM2.5中水溶性離子、OC、EC質(zhì)量濃度(μg/m3)

圖5 污染天和清潔天κ, B, c, χ在對應(yīng)臨界粒徑下的平均分布

從反映氣溶膠混合狀態(tài)的參數(shù)和的變化來看,清潔天的參數(shù)大于污染天,小于污染天,說明清潔天氣溶膠比污染天混合更均勻,污染天氣溶膠的外混程度更高.隨粒徑上升,清潔天和污染天的混合均勻程度都有提高,表明隨著粒徑的增加,氣溶膠趨于內(nèi)混并且CCN活化能力也有提升.

2.3 3月3～4日污染過程CCN特征分析

如上文所述,3月3日20:00～3月4日4:00是本次觀測期間污染程度最高的過程,污染發(fā)生時,PM2.5濃度從3月3日20:00前的平均30μg/m3迅速上升到20:00時的225μg/m3,在3月3日20:00～3月4日1:00這一時間段內(nèi),PM2.5平均濃度在200μg/m3以上,在3月4日1:00達(dá)到最高值258μg/m3,隨后逐漸下降,到4:00以后濃度下降至75μg/m3以下,低于輕度污染標(biāo)準(zhǔn),污染過程結(jié)束.從圖4可以看出污染發(fā)生時CN濃度發(fā)生驟升,同時活化率和呈下降趨勢,且最低條件下的最大活化率均值僅為0.69.在這期間的3月3日夜間～3月4日凌晨,夜間邊界層下降,大氣垂直擴(kuò)散能力較差,平均風(fēng)速僅為2.7m/s,又不利于污染物水平擴(kuò)散,平均RH為89.2%,這種高RH無降水的氣象條件有利于氣態(tài)前體物向顆粒物的轉(zhuǎn)化[40],這也導(dǎo)致了CN和高下的CCN在污染發(fā)生時出現(xiàn)快速上升,在3月4日0:00～1:00之間達(dá)到最高值,CN最高約36000個/cm3,與此同時最高下的CCN為18000個/cm3,都遠(yuǎn)高于污染天平均水平.通過表3對這一事件出現(xiàn)前中后期PM2.5濾膜中水溶性離子濃度測量發(fā)現(xiàn),在這一污染事件發(fā)生時,含量較高的陰陽離子都出現(xiàn)劇增,部分離子增加一倍以上,可以認(rèn)為該時段受到排放源影響,而在3月4日此污染事件結(jié)束后,各離子濃度基本回到污染前同一水平.從圖6的PM2.5上升期間風(fēng)玫瑰圖可以看出,該時段盛行東南風(fēng),而觀測點(diǎn)東南方向有車流量較大的主干道和工業(yè)園區(qū),因此這些排放源可能是導(dǎo)致PM2.5上升的原因.根據(jù)該時段粒徑譜(圖7(a))可以看出,3月3日夜間～3月4日凌晨氣溶膠的粒徑主要集中在10～100nm,這些由汽車尾氣和工業(yè)排放的細(xì)粒子大多含有吸濕性較差的BC和POA,導(dǎo)致污染剛發(fā)生時(3月3日20:00起)和值下降明顯,并且由于這些細(xì)粒子提高了CN,但粒徑達(dá)不到臨界粒徑而導(dǎo)致活化率下降,由于低下臨界粒徑更大,因此低下活化率下降更多.而在污染過程的后期(3月4日0:00～4:00)和活化率又出現(xiàn)較明顯的上升趨勢,最高下的和活化率的峰值分別為0.61和0.60,并且到3月4日7:00左右才開始出現(xiàn)快速下降.同時4個下 (SS=0.26%,0.46%,0.65%,0.85%)的臨界粒徑P50都出現(xiàn)顯著下降,這可能主要是由于夜間相對濕度的提升促進(jìn)了大氣致顆粒物中強(qiáng)吸濕性組分(如硫酸鹽、硝酸鹽)含量的增加,從而使低吸濕性的小粒子迅速老化.通過對3月3日19:00～3月4日7:00的PM2.5濾膜含碳組分分析發(fā)現(xiàn),這期間OC/EC為3.40,表明此夜間污染過程確實(shí)受交通源排放影響較大,且污染過程結(jié)束后的3月4日7:00～3月5日19:00的12h采樣PM2.5中OC/EC仍只有3.30,除早晚高峰影響以外,可能前一次污染過程排放的BC尚未完全老化,因此這也導(dǎo)致了和活化率下降的滯后.與其污染過程相似但PM2.5濃度較低的3月9日夜間～3月10日凌晨也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象,污染期間夜間OC/EC為3.48,污染結(jié)束后12h仍只有4.04,隨后經(jīng)歷幾天清潔天才逐漸上升.

圖7 污染過程和新粒子生成天氣溶膠粒徑分布

表3 3月3～4日污染過程PM2.5中主要水溶性離子濃度(μg/m3)

2.4 新粒子生成天CCN特征分析

由圖4可以看出4月6～12日CCN和CCN/CN在高下的波動很大,比低下明顯很多,由氣象數(shù)據(jù)可以看出在這之前的4月5日出現(xiàn)了幾乎整天的連續(xù)降水,之后大氣清潔度較高,相對濕度較低,這也有利于新粒子的生成[41].從該時間段的粒徑譜(圖7(b))可以看出在每日約12:00有較多核模態(tài)的顆粒物產(chǎn)生并逐漸增長,表明發(fā)生了新粒子生成現(xiàn)象,且這期間每日粒徑譜的生長趨勢比較一致.從圖8新粒子生成(NPF)期間CCN數(shù)濃度和活化率的日變化可以看出,新粒子生成初期,由于產(chǎn)生的核模態(tài)粒子低于臨界粒徑以下,因此CCN數(shù)濃度和活化率都有略微下降,這點(diǎn)與四川鄉(xiāng)村站點(diǎn)[41]CCN數(shù)濃度隨新粒子生成同步增長不同,可能是由于四川站點(diǎn)新粒子生成時間較晚且顆粒物本身濃度較高導(dǎo)致的差異.而隨著核模態(tài)粒子逐漸生長成積聚模態(tài),此時更多粒子達(dá)到臨界粒徑,CCN數(shù)濃度和活化率出現(xiàn)快速增長,并且高下的增長更顯著,這點(diǎn)與Leng等[42]2012年在上海觀測的結(jié)果一致,由于高下對應(yīng)的臨界粒徑更小,因此受新粒子生成的影響也更大.同時根據(jù)以往的研究[43]發(fā)現(xiàn),新粒子生成主要能通過提升氣溶膠總濃度來達(dá)到使CCN數(shù)濃度快速增加的效果.而在新粒子生成初期出現(xiàn)顯著下降,而后隨粒子進(jìn)一步增長而迅速上升,與SS= 0.26%下對比,SS=0.85%條件下對新粒子生成的敏感性更高,12:00左右降至約0.23,接著上升至約0.38(17:00左右),這表明新生成粒子的吸濕性較低,可能為有機(jī)物主導(dǎo)的粒子成核與初始增長,而在進(jìn)一步增長過程中由于光化學(xué)反應(yīng)生成吸濕性較高的二次無機(jī)鹽,使得顆粒物吸濕性逐漸增強(qiáng).如圖3化學(xué)成分分析結(jié)果也表明,新粒子生成期間的主要顆粒物組分為有機(jī)物和硫酸鹽.

圖8 新粒子生成天(4月6～12日)不同SS下NCCN、NCCN/NCN和κ的日變化

圖9對比了新粒子生成天和非新粒子生成天的日變化規(guī)律,可見新粒子生成天平均值在12:00時左右有明顯下降,而非新粒子生成天則無此明顯變化,根據(jù)Ma等[44]研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠的吸濕性在新粒子期間有很大的變化,這主要與成核的過程有關(guān).而盡管新形成粒子的值較低,其增長后可快速成為有效的CCN,因而不僅對大氣中氣溶膠數(shù)濃度,也對CCN數(shù)濃度有重要貢獻(xiàn).

3 結(jié)論

3.1 2018年南京北郊春季觀測期間CN平均值為12000個/cm3,CCN/CN隨過飽和度上升而上升,各下的變化范圍為0.23～0.57.平均為0.30,在SS= 0.26%時最大,為0.35,隨增大而降低;而在最低下(SS=0.17%)和最低,分別為0.26和0.72,表明此時氣溶膠中有較多不易活化的物質(zhì).

3.2 污染天各下的CCN、CN和均高于清潔天,但CCN/CN低于清潔天,且外混程度更高.對一次污染過程的分析表明,不利氣象條件下,交通和工業(yè)排放產(chǎn)生大量吸濕性較差的粒子,會導(dǎo)致CCN/CN、和下降,而夜間顆粒物迅速老化,CCN、和CCN/CN又升高.

3.3 新粒子生成天有明顯日變化,新粒子生成初期,有機(jī)物的成核導(dǎo)致顯著下降;進(jìn)一步增長后,受二次無機(jī)鹽影響,CCN、和CCN/CN提升,表明新粒子生成對CN和CCN有重要貢獻(xiàn).

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Investigation of cloud condensation nuclei activity under different pollution conditions in spring of Nanjing.

LU Wen-tao1, MA Yan1,2*, ZHENG Jun1, JIANG You-ling1

(1.Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control, School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China；2.Reading Academy, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)., 2021,41(9)：4096～4106

Filed observation of cloud condensation nuclei (CCN) activation properties of aerosols were carried out from March 2018 to April 2018 in the northern suburbs of Nanjing. Meteorological data, PM2.5number concentration, chemical composition and optical properties of particles are also collected for analysis. The CCN activities of aerosols in polluted days and clean days during the observation period were compared, and the characteristics of typical pollution processes and new particle formation days were analyzed. Results showed that the CCN activity of aerosols are generally high during this observation, with an average hygroscopicity parameter () of 0.30under each supersaturation(SS) condition. The lowestwas observed under the lowest supersaturation (SS=0.17%), and the maximum activation ratio () was 0.72, indicating that aerosols contains many substances that are difficult for activation.was seen higher in polluted days than in clean days. When compared to that in clean days, the activation ratio in polluted days was relatively lower and the level of external mixing was higher, which was mainly due to the large amount of less hygroscopic particles emitted by traffic and industry. Aging process of particulate matters are observed fast at night, making particles more hygroscopic and leading to higher CCN number concentration. In new particle formation days,showed diurnal variation due to particle nucleation, and new particle formation process also made significant contribution to total aerosol number concentration(CN) and CCN number concentration(CCN).

aerosol；CCN；activation characteristics；hygroscopicity

X513

A

1000-6923(2021)09-4096-11

陸文濤(1996-),男,江蘇宜興人,南京信息工程大學(xué)碩士研究生,主要研究方向為大氣環(huán)境.

2021-02-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(41975172,41730106)

* 責(zé)任作者, 教授, my_nj@163.com