科研进展 | 研究揭示北京夏季二次气溶胶长期变化及成因

《打赢蓝天保卫战三年行动计划（2018-2020年）》实施以来，北京的空气质量持续改善。然而，以高浓度臭氧和光化学反应为特征的夏季，细颗粒物化学组分、来源和生成机制如何变化仍不清晰。为此，LAPC国家重点实验室李岩博士和孙业乐研究员联合复旦大学张宏亮教授团队等深入分析了过去5年期间（2018-2022）北京夏季气溶胶化学组分特征变化，并利用WRF-CMAQ模式模拟量化了气象和减排对化学组分变化的影响贡献。

研究发现，北京夏季细颗粒物（PM2.5）平均质量浓度从2018年夏季的42.9 μg m-3下降至2022年的20.2 μg m-3，造成该变化的主要原因来自二次无机组分和与光化学相关的二次有机气溶胶（SOA）的大幅降低（55-67%），而一次组分和气态前体物的降低幅度显著小于二次组分。该结果与冬季细颗粒物化学组分变化显著不同，即一次气溶胶组分降低幅度显著高于二次气溶胶组分。研究还发现粗颗粒物降幅明显低于细颗粒物，表明粗颗粒物在夏季污染中的作用逐渐增强。尽管臭氧(O3)浓度降低~8%，PM2.5和O3的双高天数减少82%，SOA相对氧化潜势依然很高。气溶胶液态水的大幅减少和气溶胶酸度的微弱增加(<0.2)导致硝酸盐和铵盐气粒分配效率的降低（>28%）是硝酸盐浓度降低的主要原因。进一步分析发现五个夏季相对湿度为50-60%时不同气溶胶化学组分及其形成机制发生明显且类似的转变，但高相对湿度下二次无机气溶胶降幅更小。

图1. 2018-2022年夏季（a, b）PM2.5化学组分和（c, d）OA因子平均质量浓度和质量分数的变化。

图2. （a）不同情景天数变化，包括高PM2.5（24小时平均PM2.5>35 μg m-3）、高O3（MDA8 O3>160 μg m-3）、双高天（24小时平均PM2.5>35 μg m-3且MDA8 O3>160 μg m-3）和双低天（24小时平均PM2.5≤ 35μg m-3且MDA8 O3≤160 μg m-3）。（b）2018-2020年和2021-2022年夏季MDA8 O3与24小时平均PM2.5的关系，其中虚线代表使用O3=a*PM2.5+b*PM2.5^(5/3)+c方程的拟合结果。2018-2022年夏季（c）NOR和（d）SOR的统计。（e）2018-2022年夏季LO-OOA和MO-OOA的平均SOA增强因子（SOAEF表示每增加100 μg m-3 Ox所增加的质量浓度）的变化，其中白天（10:00-22:00）和夜间（22:00-10:00）根据NO2和O3的相对贡献划分。

图3. 模拟的PM2.5化学组分平均质量浓度相对于2018年夏季的百分比变化，包括（a）Org、（b）SO4、（c）NO3、（d）POA、（e）SOA、（f）ASOA 和（g）BSOA。虚线分别表示控制气象和排放影响的模拟结果。

通过WRF-CMAQ模式固定排放和固定气象的情景模拟发现，过去5年期间，硫酸盐、一次有机气溶胶和人为源SOA 的降低主要来自排放减少，而硝酸盐和生物源SOA的变化则主要受气象要素的影响。这一研究结果显示进一步加强人为排放控制尤其是挥发性有机化合物以及粗颗粒物对未来降低北京夏季二次污染的重要性。

该研究结果发表在Environmental Science & Technology上。研究得到国家自然科学基金项目（42061134008）和中德空气变化项目（448720203）的支持。

【论文信息】

Li, Y., Lei, L., Sun, J., Gao, Y., Wang, P., Wang, S., Zhang, Z., Du, A., Li, Z., Wang, Z., Kim, J. Y., Kim, H., Zhang, H., and Sun, Y.: Significant Reductions in Secondary Aerosols after the Three-Year Action Plan in Beijing Summer, Environ. Sci. Technol., https://doi.org/10.1021/acs.est.3c02417, 2023.