北京水溶性有机气溶胶化学组成和光学性质的季节变化

有机气溶胶（OA）是大气细颗粒物的主要组分，对空气质量、辐射平衡和人体健康都具有重要影响。OA的组成和来源复杂，其中水溶性有机气溶胶（WSOA）是影响OA理化性质的关键组分之一。然而目前国内外相关研究大多集中于单一季节或较短时间观测，缺乏整年连续观测，这限制了对气溶胶理化特征和环境效应的准确理解。

为此，中国科学院大气物理研究所研究团队利用气溶胶质谱仪、紫外-可见吸收光谱仪和三维荧光光谱仪在内的系列仪器，结合正矩阵因子分解法和多元线性回归定量表征了2020-2021一整年期间北京大气中WSOA的化学组成、来源及其光学性质的季节变化。研究结果表明WSOA对有机气溶胶的年均贡献为66%，在春季和夏季以低氧化的二次有机气溶胶（SOA）为主（39–61%），在秋季和冬季以高氧化的SOA 为主（图1）。SOA对WSOA的年均共献为77%，与2018和2016年相比增加了13–28%，这表明近年来二次生成的贡献正在逐步增加。

图1. 观测期间（a，b）WSOA的元素比、（c，d）不同来源OA因子的质量浓度和质量分数，以及（e，f）WSOA和WIOA的质量浓度和质量分数的时间序列。

光学性质分析发现，冬季水溶性棕碳（WS-BrC）的芳香度和分子量相对较高，其单位质量吸收效率是夏季的1.88倍（图2）。然而，自《大气污染防治行动计划》实施以来，北京由于煤炭和生物质燃烧等一次排放的持续降低，导致WS-BrC的吸光能力比2013年降低20–30%。WS-BrC对棕碳总吸光的贡献为33–48%，无明显季节差异，是有机气溶胶吸光的重要组分。

图2. 不同季节WS-BrC的（a）Abs365、（b）E2/E3、（c）AAE、（d）MAE365、（e）AbsWS-BrC/AbsPP-BrC和（f）各OA因子对WS-BrC的吸光贡献。

平行因子分析模型（PARAFAC）解析出WSOA含有三个腐殖质荧光团（C1、 C2 和 C3）和一个蛋白质荧光团（C4）。定量分析发现腐殖质荧光团是WSOA荧光的重要来源，年均贡献为82%。蛋白质荧光团对总荧光的贡献在夏季最大（33%），冬季最小。WS-BrC吸光和荧光发色团的结构和形成机制不同，它们分别与二次来源和一次来源的含氮有机物具有较好相关性，表明含氮有机物是影响WSOA光学性质的重要组分。

图3. （a）平行因子分析模型（PARAFAC）解析得到的四种荧光发色团和（b）不同季节各荧光组分在总荧光中的平均相对丰度。

本研究重点关注了有机气溶胶的水溶性组分，阐明了大气中WSOA组成、来源和光学性质的季节变化特征。然而，非水溶性OA（WIOA）也是有机气溶胶的重要组成成分，同样对环境、气候和健康有重要影响，未来仍需对WIOA的化学组成和光学性质进行观测和分析研究。

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