【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院郝吉明院士和蔣靖坤教授團(tuán)隊(duì)在大氣顆粒物測量領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)使用自主研發(fā)的科學(xué)儀器，聯(lián)合多家合作單位，在北京、上海、深圳、武漢、珠海、昆明等地建立了同步在線測量大氣氣溶膠粒徑譜的觀測網(wǎng)絡(luò)。新儀器采用大氣離子對氣溶膠的天然荷電過程代替了傳統(tǒng)的人工荷電，提升了大氣顆粒物粒徑譜測量的準(zhǔn)確性，顯著降低了觀測成本。相關(guān)數(shù)據(jù)有助于促進(jìn)對大氣顆粒物理化特性、氣候效應(yīng)和健康影響等方面的認(rèn)知。
大氣氣溶膠的粒徑分布是決定其氣候效應(yīng)和健康影響的關(guān)鍵參數(shù)，長期監(jiān)測并獲得大氣顆粒物粒徑譜數(shù)據(jù)具有重要意義。世界氣象組織和世界衛(wèi)生組織均建議開展相關(guān)監(jiān)測工作，美國和歐洲已經(jīng)建立了一些觀測網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)有測量氣溶膠的電遷移率粒徑譜儀使用人為荷電器產(chǎn)生離子對氣溶膠進(jìn)行荷電，并假設(shè)氣溶膠的荷電分布是固定不變的。然而，在長期大氣觀測中，荷電離子的性質(zhì)會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致氣溶膠荷電分布的變化，偏離所假設(shè)的固定值。并且，這些變化不能被現(xiàn)有觀測網(wǎng)絡(luò)所用儀器獲知和記錄，這給粒徑譜測量結(jié)果帶來了無法追溯的不確定性。
團(tuán)隊(duì)前期研究提出了新的測量思路，將目前僅測量帶單一極性電荷的氣溶膠改為同時測量帶正電和負(fù)電的氣溶膠，使用團(tuán)隊(duì)新提出的數(shù)據(jù)分析方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時追蹤離子性質(zhì)和氣溶膠荷電分布的變化，提高粒徑譜測量的準(zhǔn)確性。因?yàn)橛钪孑椛浜头派湫栽厮プ儗?dǎo)致的離子化，大氣環(huán)境中本來就存在大量的天然離子，它們不斷地調(diào)節(jié)著氣溶膠的荷電分布。團(tuán)隊(duì)使用新的測量思路證明，這一天然荷電過程可被用來替代傳統(tǒng)的人工荷電測量氣溶膠粒徑分布。
團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了使用新測量思路和數(shù)據(jù)分析方法的雙極電遷移率粒徑譜儀，同多家單位合作，在北京、上海、深圳、武漢、珠海、昆明等地建立了同步在線測量大氣氣溶膠粒徑譜的觀測網(wǎng)絡(luò)，自2023年4月起開始持續(xù)運(yùn)行。這些新儀器使用大氣離子對氣溶膠的天然荷電代替了傳統(tǒng)的人工荷電，并建立了一套包含實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定、外場觀測比對、數(shù)據(jù)反演與驗(yàn)證的質(zhì)控體系，同時顯著降低了觀測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)行成本。
圖1.自主研發(fā)的雙極電遷移率粒徑譜儀實(shí)物圖和觀測網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)情況
所建立的觀測網(wǎng)絡(luò)持續(xù)獲得了各地的10-700納米大氣顆粒物粒徑分布，與大氣顆粒物總數(shù)濃度觀測結(jié)果的比較驗(yàn)證了粒徑譜測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。各站點(diǎn)所用的雙極電遷移率粒徑譜儀實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)果和大氣外場比對結(jié)果一致性好。同時，該研究發(fā)現(xiàn)在六個大氣站點(diǎn)的長期觀測中，天然離子性質(zhì)比較穩(wěn)定，證明了這些站點(diǎn)的天然荷電過程可用于其氣溶膠粒徑分布的測量。各站點(diǎn)的氣溶膠粒徑譜呈現(xiàn)出不同的日變化規(guī)律。其中，北京、上海和武漢三個城市站點(diǎn)的氣溶膠數(shù)濃度顯著高于深圳、珠海和昆明的三個郊區(qū)站點(diǎn)，這也反映了城區(qū)人為活動對大氣氣溶膠的影響。
圖2. 各站點(diǎn)大氣氣溶膠粒徑分布強(qiáng)度圖
該研究成果以“使用天然離子荷電測量大氣氣溶膠的雙極電遷移率粒徑譜儀觀測網(wǎng)絡(luò)”(A bipolar SMPS network for measuring atmospheric aerosols using natural air ions)為題發(fā)表于《大氣環(huán)境》(Atmospheric Environment)。
環(huán)境學(xué)院2019級博士生李怡然為論文第一作者，指導(dǎo)教師為郝吉明院士和蔣靖坤教授，蔣靖坤為論文通訊作者。論文合作單位包括北京大學(xué)、上海市環(huán)境科學(xué)研究院、上海市環(huán)境監(jiān)測中心、武漢大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)、中山大學(xué)和昆明理工大學(xué)。研究得到國家自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金的支持。
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