北京水溶性有機氣溶膠化學組成和光學性質的季節變化

有機氣溶膠（OA）是大氣細顆粒物的主要組分，對空氣質量、輻射平衡和人體健康都具有重要影響。OA的組成和來源復雜，其中水溶性有機氣溶膠（WSOA）是影響OA理化性質的關鍵組分之一。然而目前國內外相關研究大多集中于單一季節或較短時間觀測，缺乏整年連續觀測，這限制了對氣溶膠理化特征和環境效應的準確理解。

為此，中國科學院大氣物理研究所研究團隊利用氣溶膠質譜儀、紫外-可見吸收光譜儀和三維熒光光譜儀在內的系列儀器，結合正矩陣因子分解法和多元線性回歸定量表征了2020-2021一整年期間北京大氣中WSOA的化學組成、來源及其光學性質的季節變化。研究結果表明WSOA對有機氣溶膠的年均貢獻為66%，在春季和夏季以低氧化的二次有機氣溶膠（SOA）為主（39–61%），在秋季和冬季以高氧化的SOA 為主（圖1）。SOA對WSOA的年均共獻為77%，與2018和2016年相比增加了13–28%，這表明近年來二次生成的貢獻正在逐步增加。

圖1. 觀測期間（a，b）WSOA的元素比、（c，d）不同來源OA因子的質量濃度和質量分數，以及（e，f）WSOA和WIOA的質量濃度和質量分數的時間序列。

光學性質分析發現，冬季水溶性棕碳（WS-BrC）的芳香度和分子量相對較高，其單位質量吸收效率是夏季的1.88倍（圖2）。然而，自《大氣污染防治行動計劃》實施以來，北京由于煤炭和生物質燃燒等一次排放的持續降低，導致WS-BrC的吸光能力比2013年降低20–30%。WS-BrC對棕碳總吸光的貢獻為33–48%，無明顯季節差異，是有機氣溶膠吸光的重要組分。

圖2. 不同季節WS-BrC的（a）Abs365、（b）E2/E3、（c）AAE、（d）MAE365、（e）AbsWS-BrC/AbsPP-BrC和（f）各OA因子對WS-BrC的吸光貢獻。

平行因子分析模型（PARAFAC）解析出WSOA含有三個腐殖質熒光團（C1、 C2 和 C3）和一個蛋白質熒光團（C4）。定量分析發現腐殖質熒光團是WSOA熒光的重要來源，年均貢獻為82%。蛋白質熒光團對總熒光的貢獻在夏季最大（33%），冬季最小。WS-BrC吸光和熒光發色團的結構和形成機制不同，它們分別與二次來源和一次來源的含氮有機物具有較好相關性，表明含氮有機物是影響WSOA光學性質的重要組分。

圖3. （a）平行因子分析模型（PARAFAC）解析得到的四種熒光發色團和（b）不同季節各熒光組分在總熒光中的平均相對豐度。

本研究重點關注了有機氣溶膠的水溶性組分，闡明了大氣中WSOA組成、來源和光學性質的季節變化特征。然而，非水溶性OA（WIOA）也是有機氣溶膠的重要組成成分，同樣對環境、氣候和健康有重要影響，未來仍需對WIOA的化學組成和光學性質進行觀測和分析研究。

該文章以“Seasonal characterization of chemical and optical properties of water-soluble organic aerosol in Beijing”為題，發表在Science of the Total Environment。