【儀表網 研發快訊】近日，清華大學環境學院郝吉明院士和蔣靖坤教授團隊在大氣顆粒物測量領域取得了新進展。團隊使用自主研發的科學儀器，聯合多家合作單位，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絡。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的人工荷電，提升了大氣顆粒物粒徑譜測量的準確性，顯著降低了觀測成本。相關數據有助于促進對大氣顆粒物理化特性、氣候效應和健康影響等方面的認知。
大氣氣溶膠的粒徑分布是決定其氣候效應和健康影響的關鍵參數，長期監測并獲得大氣顆粒物粒徑譜數據具有重要意義。世界氣象組織和世界衛生組織均建議開展相關監測工作，美國和歐洲已經建立了一些觀測網絡。現有測量氣溶膠的電遷移率粒徑譜儀使用人為荷電器產生離子對氣溶膠進行荷電，并假設氣溶膠的荷電分布是固定不變的。然而，在長期大氣觀測中，荷電離子的性質會發生變化，進而導致氣溶膠荷電分布的變化，偏離所假設的固定值。并且，這些變化不能被現有觀測網絡所用儀器獲知和記錄，這給粒徑譜測量結果帶來了無法追溯的不確定性。
團隊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電的氣溶膠，使用團隊新提出的數據分析方法，進而實現實時追蹤離子性質和氣溶膠荷電分布的變化，提高粒徑譜測量的準確性。因為宇宙輻射和放射性元素衰變導致的離子化，大氣環境中本來就存在大量的天然離子，它們不斷地調節著氣溶膠的荷電分布。團隊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的人工荷電測量氣溶膠粒徑分布。
團隊自主研發了使用新測量思路和數據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絡，自2023年4月起開始持續運行。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的人工荷電，并建立了一套包含實驗室標定、外場觀測比對、數據反演與驗證的質控體系，同時顯著降低了觀測網絡的建設和運行成本。
圖1.自主研發的雙極電遷移率粒徑譜儀實物圖和觀測網絡站點情況
所建立的觀測網絡持續獲得了各地的10-700納米大氣顆粒物粒徑分布，與大氣顆粒物總數濃度觀測結果的比較驗證了粒徑譜測量結果的準確性。各站點所用的雙極電遷移率粒徑譜儀實驗室標定結果和大氣外場比對結果一致性好。同時，該研究發現在六個大氣站點的長期觀測中，天然離子性質比較穩定，證明了這些站點的天然荷電過程可用于其氣溶膠粒徑分布的測量。各站點的氣溶膠粒徑譜呈現出不同的日變化規律。其中，北京、上海和武漢三個城市站點的氣溶膠數濃度顯著高于深圳、珠海和昆明的三個郊區站點，這也反映了城區人為活動對大氣氣溶膠的影響。
圖2. 各站點大氣氣溶膠粒徑分布強度圖
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絡”(A bipolar SMPS network for measuring atmospheric aerosols using natural air ions)為題發表于《大氣環境》(Atmospheric Environment)。
環境學院2019級博士生李怡然為論文第一作者，指導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、上海市環境科學研究院、上海市環境監測中心、武漢大學、哈爾濱工業大學(深圳)、中山大學和昆明理工大學。研究得到國家自然科學基金和中國博士后科學基金的支持。
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