中国环境科学 2015,35(1)：13~22 China Environmental Science

黄山大气气溶胶新粒子生长特性观测分析

郝 囝,银 燕*,肖 辉,袁 亮,高晋徽,陈 魁 (南京信息工程大学,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实

验室,江苏 南京 210044)

摘要：利用 2012年 9月 22日~10月 28日黄山地区大气气溶胶、二氧化硫和臭氧观测数据,结合气象数据,分析气溶胶新粒子的生成-增长

特征.分析发现,在33个有效观测日中,有新粒子生成-增长的观测日占总数的18.2%,其中晴天的发生频率为37.5%,新粒子生成-增长都开始

于晴天上午,与无新粒子观测日相比,太阳辐射量、风速、SO2及 O3浓度较高,环境温度和相对湿度较低.气溶胶新粒子的增长具有由小及大

的特点,核模态气溶胶粒子(10~20nm)数浓度最先增加,爱根核模态粒子(20~50nm)数浓度随着时间推移逐渐增大,但浓度峰值依次下降,平

均增长率为 3.58nm/h. SO2浓度先于核模态气溶胶数浓度到达峰值,其氧化后的产物 H2SO4为新粒子的核化提供前体物,并且参与新粒子的

增长过程,当 SO2浓度较低时,不会发生新粒子生长事件.

关键词：新粒子生长；粒子增长率；痕量气体；黄山

中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2015)01-0013-10

Observation of new particle formation and growth on Mount Huang. HAO Jian, YIN Yan*, XIAO Hui, YUAN Liang, GAO

Jin-hui, CHEN Kui (Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing

University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2015,35(1)：13~22

Abstract：Growth of newly formed particles on Mount Huang in eastern China was investigated using the measured

aerosol particle data, trace gas and meteorology data over the period from 22 September to 28 October, 2012. The new

particle formation (NPF) events appeared on 6 out of 33 days, occurring before the noon of sunny days. Moreover, the

occurrence frequency of the NPF events during sunny days was 37.5%. Compared with other days (non-NPF days), solar

radiation, wind speed, SO2 and O3 concentrations were higher in NPF days on average with lower temperature and relative

humidity (RH). The nucleation mode particle (10~20nm in diameters) concentrations increased first, and then the Aiken

nuclei mode particle concentrations (20~50nm in diameters) increased over time. However, the peaks of large aerosol

particle concentration were lower. The mean growth rate (GR) of the newly formed aerosol particles was estimated as

3.58nm/h. SO2 concentration reached the peak faster than nucleation mode particle number concentration does, and the

oxidation of SO2 produced H2SO4 which was thought to participating in the particle nucleation as a kind of precursor. So

the nucleation won’t appear under low concentration of SO2 even on sunny days.

Key words：new particle formation；growth rate of particles；trace gas；Mount Huang

新粒子生长过程是影响气溶胶特性的重要

因素,也是气溶胶的主要来源之一,有时与一次排

放的气溶胶颗粒浓度相当[1]

.新粒子生成过程是

指大气中低挥发性的物质达到饱和状态时冷却

成核的现象,通常大气成核过程就是大气中低挥

发性分子簇在气相中自然生成的过程[2]

.到目前

为止,研究认为新粒子生成的气-粒转化机制有 4

种形态,二元成核[3]、三元成核

[4]、离子诱导成核

[5]

以及有机物参与成核[6]

.Guo 等[7]指出,在粒子的

增长过程中也有化学成分的参与,包括 SO2、O3、

硫酸气体以及有机化合物.

近年来国内外对新粒子生成和增长进行了

大量观测研究,包括在清洁大陆地区[8-10]、污染大

陆地区[11-12]

、沿海地区[13]以及边界层

[14-16].我国

对此项研究开展的较晚,主要集中在北京[17-20]

、

收稿日期：2014-05-12

基金项目：国家自然科学基金项目(41030962);江苏高校优势学科建

设工程项目 (PAPD);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目

(N0782002251)

* 责任作者, 教授, yinyan@nuist.edu.cn

14 中 国 环 境 科 学 35 卷

长江三角洲[21-22]

、珠江三角洲[23]以及香港地

区

[24-25].Kulmala 等

[26]总结了以往的研究,在边界

层内,粒径为 3nm 的气溶胶粒子成核率在 0.01~

10/(cm3⋅s),一般情况下城市地区的成核率要高于

这个范围,基本到达 100/(cm3⋅s),在沿海地区和工

业烟羽中观测得到的成核率为 104~10

5/(cm

3⋅s).

在中纬度地区 ,典型的气溶胶粒子增长率为

1~20nm/h,而在极地地区,增长率只有 0.1nm/h.我

国观测得到的气溶胶粒子增长率在北京地

区

[17-20]为 0.1~11.2nm/h,成核率为 1.1~81.4/

(cm3⋅s),长江三角洲地区

[21-22]的粒子增长率为

4.8~7nm/h,珠江三角洲地区[23]粒子增长率为

2.2~19.8nm/h,粒子成核率为 0.5~5.2/(cm3⋅s),而在

香港地区[25]的粒子增长率为 1.5~8.4nm/h.总体

来说,污染地区较清洁地区的粒子增长率偏高.

我国关于新粒子生长的研究还需要大量的

观测研究来充实.黄山地处中国东部地区,通过

已有的观测研究[2,27-28]

证明,黄山地区的气溶胶

浓度较低,大气较为清洁,受到的污染比较轻微,

大气环境属于背景大气的类型,污染物来源主

要受到山谷风影响[27]

,这种影响大于人类活动

和大气结构的影响.由于背景气溶胶浓度较低,

气态污染物在液化成核后不会因背景气溶胶过

多而被大量碰并消除,继而可以增长至可观测

范围,有利于揭示大气气溶胶新粒子的生成及

增长特征.本文采用外场观测的方法,研究黄山

地区气溶胶新粒子生长特征,旨在充实我国新

粒子生长的观测研究.黄山地区的研究可以补

充华东背景地区新粒子生长观测研究的空白,

也反映出与我国城市污染地区新粒子生长特征

的鲜明对比.

1 资料与方法

1.1 观测地点、仪器介绍及数据处理

黄 山 (30°01′~30°18′N,118°01′~118°17′E) 处

在中国东部省份安徽省的南部,南北长约 40km,东

西宽约 30km,有丰富的植被覆盖.黄山地区具有亚

热带气候特征,一年四季具有春湿、夏凉、秋燥、

冬寒的特点.本研究于2012年9~10月在黄山进行

观测,秋季凉爽干燥,晴朗无云的天气偏多,很少有

降水及云海发生.观测地点位于安徽省黄山云谷

山庄(30.12°N,118.18°E),海拔高度为 869m,坐落在

黄山的东南方,受人类活动影响较小.

本观测使用 MSP公司生产的宽粒径颗粒谱

仪WPS(Wide-Range Particle Spectrometer),粒径

测量范围为 0.01~10μm,进行了为期 37d 的连续

观测,观测时间为 2012 年 9 月 22 日~10 月 28

日.WPS 对气溶胶粒子进行分档统计,设置其时

间分辨率为 5min,并且使用干燥管对进入采样器

的气溶胶粒子进行干燥,将气溶胶的相对湿度控

制在 40%以下.同时有自动气象站对温、压、湿、

风及降水进行同步观测,时间分辨率设置为 1min.

为探究污染气体对新粒子生成的作用,还在同一

时间段进行了对污染气体 SO2、O3的观测.为保

证数据可信可用,将WPS开机后 30min以及仪器

故障时的数据剔除,共得到 8806 组样本,在进行

新粒子特征分析时,将一天中连续观测时间少于

12h的观测日剔除,共得到 33个有效观测日.同样

将气象资料及污染气体资料也进行数据的质量

控制,剔除由于开关机及仪器故障时造成的浮动

较大的数据.

1.2 新粒子生成事件的判定标准

根据Maso等[10]在北欧森林连续 8年的观测

结果,本文采用其给出的判定新粒子生成的标准:

颗粒物的数谱分布中有一个新的模态出现;这个

新模态必须从核模态粒径范围开始出现;新的模

态在大气中存在一段时间(几个小时);新的模态

呈现增长的趋势.根据这一标准,有效观测日 33d

中共有 6d 符合这一标准,定义为新粒子日(event

day),分别为 9月 30日,10月 11日,10月 12日,10

月 17日,10月 18日和 10月 23日;另外,有 3d定

义为不明确日 (undefined day),即只满足新粒子

生成标准中的部分条件,但不可定义为有新粒子

生成;剩下的 24d 是无新粒子日(non-event day),

没有新粒子事件的发生,气溶胶数浓度保持在较

低的数值.

1.3 气溶胶粒子增长率的计算

气溶胶粒子的粒径增长率可以体现新粒子

在增长过程中,由较小粒径段长大到较大粒径段

的快慢程度.根据公式GR /m

D t= Δ Δ 来计算新粒

1 期 郝 囝等：黄山大气气溶胶新粒子生长特性观测分析 15

子的平均增长速率,其中△Dm为新粒子增长过程

中增大的粒径,△t 为新粒子增长过程所经历的

时间[29]

,不同粒径气溶胶的增长速率也具有差

别,GR 代表新粒子在整个增长过程的平均增长

速率.

2 结果与讨论

2.1 新粒子事件的统计

表 1 观测期间气溶胶粒子增长过程个例统计

Table 1 The statistics of aerosol particle growth during observation

日期 开始时间 持续时间(h:min) 结束时间 初始粒径(nm) 最终粒径(nm) 增长率(nm/h)

2012-09-30 9:10 9:49 18:59 13.79 55.70 4.27

2012-10-11 10:53 8:07 19:00 13.79 47.85 4.20

2012-10-12 10:14 9:33 19:47 11.95 44.37 3.40

2012-10-17 10:03 7:17 17:20 14.81 44.37 4.06

2012-10-18 9:55 8:22 18:17 13.79 32.94 2.29

2012-10-23 8:45 9:59 18:44 11.95 44.37 3.25

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

10

20

30

40

50

60

时刻

几何平均

直径

(nm

) (a) 2012-09-30 R2=0.96

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

10

20

30

40

50

(b) 2012-10-11 R2=0.96

时刻

几何

平均

直径

(nm

)

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00

10

20

30

40

50

(c) 2012-10-12 R2=0.98

时刻

几何平均

直径

(nm

)

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00

10

20

30

40

50(d) 2012-10-17 R

2=0.95

时刻

几何平均

直径

(nm

)

10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00

10

15

20

25

30

35

(e) 2012-10-18 R2=0.96

时刻

几何平均

直径

(nm

)

09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00

10

20

30

40

50(f) 2012-10-23 R

2=0.94

时刻

几何

平均

直径

(nm

)

图 1 颗粒物几何平均直径的变化趋势

Fig.1 Tendency of the geometric mean diameter of aerosol particle

表 1 给出了观测期间 6 次新粒子增长过程的

统计情况,根据新粒子增长的特征,规定开始时间

为气溶胶粒子数浓度显著升高、增长量达到几个

量级的时刻,结束时间为气溶胶粒子数浓度开始减

少的时刻.统计发现开始时间最早为 08:45,最晚为

10:53,都处于太阳辐射开始增强的阶段.结束时间

最早是17:20,最晚的是19:47,此时的太阳辐射非常

弱,这与新粒子生成-增长需要较强的太阳辐射非

16 中 国 环 境 科 学 35卷

常吻合[30]

.新粒子的增长时间长达 7~10h,平均持续

8.8h.根据Hamed等[12]提出的标准对此次观测进行

分型发现,观测期间发生的新粒子事件都属于 class

I 类型事件,即气溶胶粒子在增长过程中,小粒子

(10~30nm)呈现出紧凑鲜明的增长特征,这说明黄

山地区新粒子的生成-增长情况具有比较统一的

特征.但是每个事件的增长率具有差异,范围在

2.29~4.27nm/h 之间,平均增长速率为 3.58nm/h,与

其他清洁地区[25]新粒子生成的增长速率相近,比污

染地区[17-18]数值偏低.气溶胶颗粒增长率高的事件,

对应粒子的最终粒径也较大,呈现出最终粒径与粒

子增长率成正相关的情况.由图1可以发现,每一次

新粒子事件粒子的几何平均直径与时间都具有良

好的线性关系,相关系数都达到 0.94以上.

2.2 新粒子事件的特征分析

2.2.1 新粒子事件个例分析 在 6 个新粒子事

件中选取 10 月 23 日的事件进行个例分析.午夜

12:00到早晨 08:00之间,粒径小于 50nm的气溶

胶粒子数浓度保持在 100cm-3以下(图 2b),说明

在发生新粒子生成事件之前大气中的超细粒子

含量很低. 8:45 10~20nm小粒子的数浓度(N10~20)

开始发生突增,在短短 1h 内达到峰值,数值增加

了接近十倍,新粒子事件开始发生,在气溶胶数浓

度随时间-粒径分布图上可见“倒香蕉”的形态

(图 2a),图 2a中黑点所代表颗粒物的几何平均直

径也表现出气溶胶粒子的增长特征 .09:10

20~30nm 粒径段粒子数浓度(N20~30)开始突增,在

一个多小时内增长量突破 2 个量级 .10:00

30~40nm的粒子数浓度(N30~40)开始增加,3h后达

到峰值,在接下来的 1h N30~40维持在 3000cm-3左

右.12:00 40~50nm 粒子数浓度(N40~50)开始缓缓

增加,增长 4h后达到峰值.

23:00 01:00 03:00 05:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 01:00 03:00 05:00 07:00 09:00

0

1

2

3

4

5

6

7

200

100 80

60

40

20

10

10 5010 10010 15010 20010 25010 30010

dN/dlogDp(cm-3

)

(a)

(b) 10~20nm 20~30nm

30~40nm 40~50nm

时刻

气溶胶数浓度

(×10

3

cm

-3

) 直径

(nm

)

图 2 (a)2012年 10月 23日大气气溶胶粒子的浓度分布随时间和粒径的分布及(b)不同粒径段气溶胶粒子数浓度的

时间变化

Fig.2 Time evolutions of the number distribution of aerosol particle (a) and 4different size ranges aerosol number

concentration (b) on 23 October 2012

a中黑点代表颗粒物的几何平均直径

1 期 郝 囝等：黄山大气气溶胶新粒子生长特性观测分析 17

新粒子增长事件中气溶胶粒子的增长具有

3 个特点,粒子数浓度增长的开始时间随着粒子

粒径增大而推迟,浓度峰值随着粒子粒径增大而

减小,粒子数浓度增加的速率随粒径增大而减小.

在背景洁净的大气中,过饱和蒸汽凝结为气溶胶

粒子,形成小于 10nm 的新粒子,越来越多的新粒

子通过相互碰并、凝结过饱和蒸汽而长大,出现

了 10~20nm粒子数浓度的增加,而更大粒子数浓

度的增加都是由于 10~20nm 粒子的碰并、凝结

作用所致.可见新粒子事件发生带来的是核模态

粒子的爆发性增长,对于爱根核模态的气溶胶粒

子数量的增长提供了基础.由表 1、图 1 和图 2a

可以看出,在黄山生成的新粒子并没有增长到

100nm以上,这与许多城市污染地区不同[17-19]

,说

明新粒子生成现象具有局地性[12]

,观测地点处的

背景气溶胶浓度及所受到的局地排放、远程输送

的污染物浓度都会影响新粒子的生长过程.

从图 3a 中可以发现,太阳辐射量仅在 6:00~

17:00 为正值,其余为 0,且在 09:00 突然增强,在

11:00~13:00 维持在最高强度.太阳辐射对于新粒

子的成核具有重要作用,可挥发性有机物(VOCs)

会参与光化学反应生成气溶胶粒子,充足的太阳辐

射为发生光化学反应提供条件. 风向在上午 09:00

发生转向,由偏北转为偏南,并在下午 15:00发生了

第2次转向,再次以偏北风作为主导.统观所有观测

日,风向都具有随时间发生2次转向的特点,这体现

了山地地区山谷风的特征.风速(WS)维持在 1m/s

以下,较小的风速有助于污染物在观测点停留较长

时间,新生成的粒子也不会因此被吹散.相对湿度

(RH)在全天都保持在 75%以下,新粒子事件开始后

下降至 55%以下,这是由于在晴天 RH较低的条件

下有利于新粒子的生成[19,24]

.核模态的气溶胶数浓

度(Nnuc)在新粒子事件发生之前和结束之后都保持

在 102cm

-3量级,而爱根核模态的气溶胶数浓度(Nait)

在相同时段的量级为 103cm

-3,新粒子事件爆发后

这 2 个模态的气溶胶粒子数浓度剧烈增加. 这一

现象说明新粒子事件是核模态粒子和爱根核模态

粒子浓度突增的主要因素.

0.0

0.5

1.0

风速

(a)

西风

5

10

15

20 T(b)

45

60

75

90 RH

0

2000

4000

6000

8000 Nnuc(c)

风速

(m/s

)

0

3000

6000

9000

Nait

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00

0

2

4 SO2(d)

时刻

20

30

40

50

60 O3

0

400

800 太阳辐射量

太阳

辐射

量(W

/m

2

)

温度

(℃)

N

nuc

(cm

-3

) S

O

2

(×10

-9

)

O

3

(×10

-9

) N

ait

(cm

-3

) R

H(%

)

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00

图 3 2012 年 10 月 23 日气象要素及污染气体的时间变化

Fig.3 Hourly variations of meteorology elements and trace gases on 23 October 2012

18 中 国 环 境 科 学 35 卷

SO2气体浓度从 06:00开始增加,于 09:00达

到峰值,比 Nnuc 达到峰值的时间要提前将近 1h.

有研究指出新粒子的生成主要依靠 SO2 气体到

硫化物的氧化过程,新粒子的增长也同样需要这

样的过程进行凝结来维持[31]

.本研究观测得到的

结果可以印证上述过程,SO2 气体浓度达到氧化

条件时,与 O3发生如下化学反应:

2 2 3 2 4

3SO 3H O O 3H SO+ + = (1)

Weber 等[32]在研究海洋上空新粒子生成事

件时发现,H2SO4-H2O 比其他物质和水的核化现

象更显著,H2SO4 是超细粒子的主要前体物.本次

新粒子事件也具有同样特征,可以推测 H2SO4为

本次新粒子生成的前体物之一.

2.2.2 气溶胶统计特征 新粒子生成事件的

发生为超细粒子的数浓度提供了贡献,而无新

粒子事件发生时气溶胶粒子数浓度的分布可以

揭示粒子的其他来源 .观测期间粒径范围在

10nm~10μm 的气溶胶平均数浓度为 2.3×

103cm

-3,与陈晨

[27]、银燕等

[28]和林振毅

[33]对于

黄山光明顶采集到的气溶胶数浓度值具有相同

量级.将新粒子生成日与无新粒子生成日的气

溶胶浓度进行对比(图 4),发现粒子的小时分布

以及谱分布具有很大的差异 .在核模态 (10~

20nm)、爱根核模态(20~100nm)及 10nm~10μm

范围内的气溶胶数浓度 (Nnuc、Nait、Ntot)都在新

粒子生成日偏高(图 4a、b、d),积聚模态(100~

1000nm)的气溶胶数浓度(Nacc)则在无新粒子生

成日表现为高值(图 4c).

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 10

0

101

102

103

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00

5

6

7

8

9

10

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00

(a) (b)

(c) (d)

2×103

4×103

6×103

8×103

104

5×103

103

5×103

104

时刻 时刻

Ntot

(cm

-3

) N

ait

(cm

-3

)

N

acc

(×10

2

cm

-3

) N

nuc

(cm

-3

)

图 4 新粒子日与无新粒子日不同粒径段气溶胶粒子数浓度小时平均值日变化

Fig.4 Diurnal variations of hourly-averaged aerosol number concentration on event days and non-event days

新粒子日 无新粒子日

核模态粒子数浓度(Nnuc) (图 4a)在新粒子日

从凌晨 05:00 开始急剧增加,从 08:00 开始在 1h

之内增加 1.6×103cm

-3,增长率达到最大,Nnuc 在

10:00~11:00达到最大值2.9×103cm

-3,之后开始缓

慢减小 .相应的无新粒子日 ,Nnuc 始终维持在

1.5×102cm

-3以下,在下午 15:00 达到峰值.爱根核

模态粒子数浓度 (Nait)同样在新粒子日远远高于

无新粒子日(图 4b).Nait在新粒子日从早上 06:00

开始增大,10:00~11:00 的增大率为各时次最大,

达到1.7×103/(cm

3h),Nnuc增加到13时出现最大值

7×103cm

-3,是 Nnuc最大值的 2.4倍.无新粒子日的

Nait 依然维持一个低值 ,最大值不超过 1.1×

103cm

-3,且出现在 17:00.积聚模态气溶胶粒子数

浓度(Nacc)的特征表现为在01:00~11:00在两种情

况下的变化趋势基本一致,之后呈现完全不同的

变化,新粒子日 Nacc在 11:00 后维持上升的趋势,

1 期 郝 囝等：黄山大气气溶胶新粒子生长特性观测分析 19

于20:00到达最大值,无新粒子日Nacc在经历先下

降后上升之后在 17:00 到达峰值.积聚模态的气

溶胶粒子主要来源于一次排放,在没有发生新粒

子事件之前 Nacc 的变化趋势一致说明其来源一

致,新粒子事件的发生致使 Nacc由于小于 100nm

粒子的碰并增长而增加.新粒子日气溶胶粒子存

在从核模态增长到爱根核模态、再增长到积聚模

态的过程,无新粒子日则不存在这样的现象.

新粒子日 Nait占 Ntot的比例最大,对于气溶胶

数浓度的贡献最大,而 Nacc 则是贡献最小的,无新

粒子日Nait和Nacc的日平均值都有8×102cm

-3,对于

Ntot的贡献相当,但无新粒子日的 Nacc明显高于新

粒子日(图 2c),这说明新粒子事件的发生需要洁

净的大气背景,过多的气溶胶粒子不利于新粒子

的生成和增长,一方面已经存在的气溶胶会与痕

量气体发生化学反应,减少其浓度,另一方面新生

成的粒子很容易与存在的气溶胶碰并消失.

2.2.3 气象要素及污染气体统计特征 新粒子

生成需要在一定的气象条件下才能进行[12]

,图 5

给出了气象和气体条件在新粒子日和无新粒子

日的对比.新粒子日和无新粒子日的温度(T)、相

对湿度(RH)日变化趋势相同,但是新粒子日的温

度和湿度在每一时刻都低于无新粒子日.新粒子

日的最低温度比无新粒子日低 4.3 ,℃最高温度低

0.74 ,℃平均温度相差 3.27 ,℃平均相对湿度相差

14.83%.新粒子日的温度增加率和递减率都高于

无新粒子日(图 5a),新粒子事件发生在早晚温度

差大的条件下,这与 Mäkelä 等[30]得到的结论相

同.RH从早晨到下午的下降在新粒子日也表现得

更加明显(图 5b).新粒子日的太阳辐射强度明显

高于无新粒子日(图 5c),且在 10:00~13:00 维持在

一个高值,这表明较强的太阳辐射有利于新粒子

生成事件的发生. 不论是新粒子日还是无新粒子

日,观测得到的风速都比较低(图 5d),平均风速不

超过 0.5m/s,但新粒子日风速大于无新粒子日,尤

其在早上 05:00~07:00 出现表现为 2 种不同的变

化趋势.Guo 等[25]在香港高山地区的观测结果表

明新粒子生成时风速较大,Zhang 等[34]在北京城

市地区的研究认为较大的风速可以清除大气中

老化的气溶胶,有助于新粒子核化后继续增长.

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:008

12

16

20

24

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00

0

300

600

900

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00

0

1

2

3

4

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00

(a) (b)

RH

(%)

30

45

60

75

90

(c) (d)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

(e) (f)

30

40

50

60

风速

(m/s

) O

3

(×10

-9

)

温度

(℃)

太阳辐

射量

(W/m

2

) S

O

2

(×10

-9

)

时刻 时刻

图 5 新粒子日(event day)与无新粒子日(non- event day)的气象要素及污染气体浓度小时平均值日变化

Fig.5 Diurnal variations of hourly-averaged meteorology elements and trace gases on event days and non-event days

新粒子日 无新粒子日

20 中 国 环 境 科 学 35 卷

SO2 气体的浓度在每一时刻都表现为新粒

子日高于无新粒子日,这与其他研究[12]得到的

结论相同,新粒子的生成需要 SO2 气体浓度到

达一个阈值才会发生.有无新粒子日 SO2气体的

浓度在 01:00~09:00的变化趋势都与 Nacc具有一

致性(图 4c,5e),SO2 气体与积聚模态的气溶胶粒

子来源具有一致性.新粒子日 SO2 气体浓度在

09:00达到峰值后保持基本不变,10:00之后减小,

不同的是无新粒子日 SO2气体浓度在 10:00才达

到峰值.说明在新粒子日 09:00~10:00 之间 SO2

的浓度消耗量大于增加量,而无新粒子日不存在

这样的现象.新粒子日 SO2气体浓度消耗在大气

成核过程中,通过参加公式(1)的化学反应生成硫

酸蒸汽,可以进一步推断硫酸蒸汽为本文新粒子

生成过程的前体物之一,Mäkelä 等[30]认为粒子

的来源也可能与有机物活动有关. O3 气体在新

粒子日的平均浓度为 44.92×10-9

,无新粒子日为

43.97×10-9

,依然是新粒子日略高于无新粒子

日.09:00~10:00O3气体在新粒子日的增加率很小

(图 5f),这一现象的解释与 SO2气体情况相同.

2.3 影响新粒子事件发生的要素分析

在 33 个有效观测日中共有 16d 为晴天,12d

为阴天,剩下的观测日出现了降水或雾.在 16个晴

天中有 6d为新粒子日,2d为未定义日,剩下 8d为

无新粒子日,在晴天的条件下,新粒子事件的发生

率为 37.5%. 如果将新粒子日和未定义日视为污

染日,无新粒子日视为清洁日,那么在晴天条件下,

污染日和清洁日发生频率的比值为 1.可见,新粒

子事件全部发生在晴天,但并不是所有的晴天都

有新粒子事件发生,晴天对于新粒子事件是必要

而非充分条件. 不同气象要素及污染气体浓度会

影响新粒子事件的发生与否,具有重要意义.

表 2 新粒子日、无新粒子日(晴)和无新粒子日(阴)气象要素、污染气体、气溶胶数浓度小时平均值

Table 2 Hourly averages of meteorology elementes, trace gases and aerosol concentrations on event days, sunny

non-event days and cloudy non-event days

分类

T

( )℃

RH

(%)

WS

(m/s)

太阳辐射

(W/m2)

O3

(×10-9

)

SO2

(×10-9

)

Nnuc

(cm-3)

Nait

(cm-3)

Nacc

(cm-3)

Ntot

(cm-3)

新粒子日 13.49 59.15 0.48 281.06 44.92 2.29 646.90 3177.90 761.75 4585.39

无新粒子日(晴) 16.65 75.00 0.47 301.06 49.22 1.44 65.09 1003.56 862.59 1932.46

无新粒子日(阴) 16.52 67.67 0.24 175.63 43.67 1.24 57.20 855.89 876.63 1789.49

新粒子事件发生时,气象要素具有低温、低

湿、高风速及强太阳辐射的特点,污染气体特征

表现为 SO2气体和O3气体浓度偏高.为进一步研

究在晴天存在新粒子事件不发生的状况,统计了

3种不同情况下的气象要素、污染气体及气溶胶

粒子数浓度(表 2). 通过对比气象要素发现,同样

在晴天,新粒子日的气温、相对湿度和太阳辐射

量低于无新粒子日,风速与无新粒子日相差不大,

污染气体浓度表现为新粒子日的 SO2 浓度偏高

而 O3浓度偏低.气温、相对湿度和 SO2浓度的结

果与本文 2.2.3结果一致,但是太阳辐射量、风速

以及 O3浓度不同于 2.2.3 的结论.太阳辐射量在

新粒子日偏低 6.6%,这一结果说明,太阳辐射强

弱并不是新粒子事件发生的决定性条件,其只在

新粒子发生时提供了反应条件,在晴天条件下没

有发生新粒子生成事件的状况就可能面临反应

前体物浓度不足的情况.通过计算笔者还发现,O3

浓度在新粒子日比无新粒子日的晴天低 8.7%,同

时 O3浓度在无新粒子日的阴天也偏低,且 O3浓

度与太阳辐射强度具有良好的正相关关系,这一

结果表明即使O3浓度较高,如果反应前体物浓度

偏低,新粒子核化过程还是无法发生.SO2 浓度在

新粒子日比无新粒子日的晴天高 37%,在无新粒

子日的晴天和阴天则表现为基本持平,由 2.2.1可

知 SO2气体氧化后可以生成硫酸,硫酸是生成新

粒子的重要前体物,可以推断在晴天没有发生新

粒子生成事件与当天的 SO2浓度偏低,氧化后生

成的硫酸数量无法为新粒子生成提供充足前体

物有直接关系. 以硫酸-水为主的二元成核机制

在实际大气中并不是全部的成核原因,大气中的

1 期 郝 囝等：黄山大气气溶胶新粒子生长特性观测分析 21

化学物种繁杂多样,很多研究[35-38]

表明新粒子的

成核还需要有机物(有机酸)的参与,且有机酸参

与气溶胶成核是非常重要的过程[35]

,它会加强硫

酸的核化.所以本研究中新粒子生成也存在有机

物参与的可能性,晴天没有新粒子生成的原因可

能包括有机物浓度不足,这一猜测还有待进一步

验证. 无新粒子日的气溶胶数浓度都处于较低

水平(表 2),属于清洁大气状态,所以排除背景气

溶胶浓度过高,核化产生的新粒子被已存在气溶

胶碰并消除这一原因.

3 结论

3.1 2012年9~10月在黄山地区进行了连续 37d

的野外观测试验,在 33 个有效观测日中有 6d 发

生了新粒子生成事件,发生时间为太阳辐射增强

的时候 ,持续时间为 7~10h,粒子的增长率为

2.29~4.27nm/h,比我国城市污染地区的粒子增长

率偏低 60%.每一次新粒子事件粒子的几何平均

直径与时间都具有良好的线性关系,R2达到 0.94

以上.

3.2 新粒子生成-增长事件发生时气溶胶粒子

的增长具有 3 个特点,粒子数浓度增长的开始时

间随着粒子粒径增大而推迟,浓度峰值随着粒子

粒径增大而减小,粒子数浓度增加的速率随粒径

增大而减小. 新粒子日 10nm~10µm 气溶胶数浓

度平均为 4585cm-3

,是无新粒子日的两倍有余,比

我国污染城市地区偏低一个数量级,爱根核模态

粒子作为主要贡献,占据总数浓度的 69%.发生新

粒子事件所需的气象条件为晴朗的天气,太阳辐

射较强,温度和相对湿度较低且早晚起伏大,风速

在新粒子事件发生前较高,SO2气体和 O3气体浓

度偏高,我国城市污染地区同样反映出相同的状

况.

3.3 新粒子事件在晴天条件下的发生概率为

37.5%,晴天对于新粒子事件的发生是必要而非

充分条件.新粒子日的太阳辐射量及O3浓度低于

无新粒子日的晴天,但是 SO2气体浓度比无新粒

子日的晴天高 37%,当 SO2气体浓度偏低时,即使

在晴天也不会发生新粒子事件,SO2 气体浓度充

足是新粒子事件发生的充要条件.

参考文献：

[1] Zhang R, Khalizov A, Wang L, et al. Nucleation and growth of

nanoparticles in the atmosphere [J]. Chemical Reviews, 2011,

112(3):1957-2011.

[2] 谭 稳:华东高海拔地区大气气溶胶粒径分布及增长特征研究

[D]. 南京:南京信息工程大学, 2012.

[3] Vehkamäki H, Kulmala M, Napari I, et al. An improved

parameterization for sulfuric acid–water nucleation rates for

tropospheric and stratospheric conditions [J]. Journal of

Geophysical Research: Atmospheres (1984–2012), 2002,

107(D22):AAC 3-1-AAC 3-10.

[4] Smith J N, Dunn M J, VanReken T M, et al. Chemical

composition of atmospheric nanoparticles formed from nucleation

in Tecamac, Mexico: Evidence for an important role for organic

species in nanoparticle growth [J]. Geophysical Research Letters,

2008,35(4).

[5] Kanakidou M, Seinfeld J H, Pandis S N, et al. Organic aerosol

and global climate modelling: a review [J]. Atmospheric

Chemistry and Physics, 2005,5(4):1053-1123.

[6] Enghoff M B, Pedersen J O P, Uggerhøj U I, et al. Aerosol

nucleation induced by a high energy particle beam [J].

Geophysical Research Letters, 2011,38(9).

[7] Guo S, Hu M, Guo Q, et al. Primary Sources and Secondary

Formation of Organic Aerosols in Beijing, China [J].

Environmental science and technology, 2012,46(18):9846-9853.

[8] Kristensson A, Dal Maso M, Swietlicki E, et al. Characterization

of new particle formation events at a background site in Southern

Sweden: relation to air mass history [J]. Tellus B, 2008,

60(3):330-344.

[9] Yli-Juuti T, Nieminen T, Hirsikko A, et al. Growth rates of

nucleation mode particles in Hyytiälä during 2003− 2009:

variation with particle size, season, data analysis method and

ambient conditions [J]. Atmospheric Chemistry and Physics,

2011,11(24):12865-12886.

[10] Maso M D, Kulmala M, Riipinen I, et al. Formation and growth

of fresh atmospheric aerosols: eight years of aerosol size

distribution data from SMEAR II, Hyytiälä, Finland [J]. Boreal

Environment Research, 2005,10(5).

[11] Dunn M J, Jiménez J L, Baumgardner D, et al. Measurements of

Mexico City nanoparticle size distributions: Observations of new

particle formation and growth [J]. Geophysical Research Letters,

2004,31(10).

[12] Hamed A, Joutsensaari J, Mikkonen S, et al. Nucleation and

growth of new particles in Po Valley, Italy [J]. Atmospheric

Chemistry and Physics, 2007,7(2):355-376.

[13] O'Dowd C D, Hämeri K, Mäkelä J, et al. Coastal new particle

formation: Environmental conditions and aerosol

22 中 国 环 境 科 学 35 卷

physicochemical characteristics during nucleation bursts [J].

Journal of geophysical research, 2002,107(D19):8107.

[14] Birmili W, Wiedensohler A. New particle formation in the

continental boundary layer: Meteorological and gas phase

parameter influence [J]. Geophysical Research Letters, 2000,

27(20):3325-3328.

[15] Nilsson E D, Paatero J, Boy M. Effects of air masses and synoptic

weather on aerosol formation in the continental boundary layer [J].

Tellus B, 2001,53(4):462-478.

[16] Dal Maso M, Kulmala M, Lehtinen K E J, et al. Condensation

and coagulation sinks and formation of nucleation mode particles

in coastal and boreal forest boundary layers [J]. Journal of

Geophysical Research: Atmospheres (1984–2012), 2002,

107(D19):PAR 2-1-PAR 2-10.

[17] Yue D, Hu M, Wu Z, et al. Characteristics of aerosol size

distributions and new particle formation in the summer in Beijing

[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres (1984–2012),

2009,114(D2).

[18] Yue D L, Hu M, Zhang R Y, et al. The roles of sulfuric acid in

new particle formation and growth in the mega-city of Beijing [J].

Atmospheric Chemistry and Physics, 2010,10(10):4953-4960.

[19] Wu Z, Hu M, Liu S, et al. New particle formation in Beijing,

China: Statistical analysis of a 1-year data set [J]. Journal of

Geophysical Research: Atmospheres (1984–2012), 2007,112(D9).

[20] Shen X J, Sun J Y, Zhang Y M, et al. First long-term study of

particle number size distributions and new particle formation

events of regional aerosol in the North China Plain [J].

Atmospheric Chemistry and Physics, 2011,11(4):1565-1580.

[21] Gao J, Wang T, Zhou X, et al. Measurement of aerosol number

size distributions in the Yangtze River delta in China: Formation

and growth of particles under polluted conditions [J].

Atmospheric Environment, 2009,43(4):829-836.

[22] Herrmann E, Ding A J, Petäjä T, et al. New particle formation in

the western Yangtze River Delta: first data from SORPES-station

[J]. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 2013,13(1):

1455-1488.

[23] Liu S, Hu M, Wu Z, et al. Aerosol number size distribution and

new particle formation at a rural/coastal site in Pearl River Delta

(PRD) of China [J]. Atmospheric Environment, 2008,42(25):

6275-6283.

[24] Yao X, Choi M Y, Lau N T, et al. Growth and shrinkage of new

particles in the atmosphere in Hong Kong [J]. Aerosol Science

and Technology, 2010,44(8):639-650.

[25] Guo H, Wang D W, Cheung K, et al. Observation of aerosol size

distribution and new particle formation at a mountain site in

subtropical Hong Kong [J]. Atmospheric Chemistry and Physics,

2012,12(20):9923-9939.

[26] Kulmala M, Vehkamäki H, Petäjä T, et al. Formation and growth

rates of ultrafine atmospheric particles: a review of observations

[J]. Journal of Aerosol Science, 2004,35(2):143-176.

[27] 陈 晨.黄山大气气溶胶观测研究 [D]. 南京:南京信息工程大

学, 2009.

[28] 银 燕,陈 晨,陈 魁,等:黄山大气气溶胶微观特性的观测研

究 [J]. 大气科学学报, 2010,33(2):129-136.

[29] Heintzenberg J. Properties of the log-normal particle size

distribution [J]. Aerosol Science and Technology, 1994,21(1):

46-48.

[30] Gao J, Chai F, Wang T, et al. Particle number size distribution

and new particle formation (NPF) in Lanzhou, Western China [J].

Particuology, 2011,9(6):611-618.

[31] Hoppel W A, Frick G M, Fitzgerald J W, et al. Marine boundary

layer measurements of new particle formation and the effects

nonprecipitating clouds have on aerosol size distribution [J].

Journal of Geophysical Research: Atmospheres (1984–2012),

1994,99(D7):14443-14459.

[32] Weber R J, McMurry P H, Eisele F L, et al. Measurement of

expected nucleation precursor species and 3-500-nm diameter

particles at Mauna Loa observatory, Hawaii [J]. Journal of the

atmospheric sciences, 1995,52(12):2242-2257.

[33] 林振毅.黄山顶大气气溶胶及云雾微观特性观测分析 [D]. 南

京:南京信息工程大学, 2010.

[34] Zhang Y M, Zhang X Y, Sun J Y, et al. Characterization of new

particle and secondary aerosol formation during summertime in

Beijing, China [J]. Tellus B, 2011,63(3):382-394.

[35] Zhang R, Suh I, Zhao J, et al. Atmospheric new particle formation

enhanced by organic acids [J]. Science, 2004,304(5676):1487-

1490.

[36] Guo H, Wang D W, Cheung K, et al. Observation of aerosol size

distribution and new particle formation at a mountain site in

subtropical Hong Kong [J]. Atmospheric Chemistry and Physics,

2012,12(20):9923-9939.

[37] Hao L Q, Romakkaniemi S, Yli-Pirilä P, et al. Mass yields of

secondary organic aerosols from the oxidation of α-pinene and

real plant emissions [J]. Atmospheric Chemistry and Physics,

2011,11(4):1367-1378.

[38] Metzger A, Verheggen B, Dommen J, et al. Evidence for the role

of organics in aerosol particle formation under atmospheric

conditions [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,

2010,107(15):6646-6651.

作者简介：郝 囝(1988-),女,内蒙古赤峰人,南京信息工程大学博

士研究生,主要从事大气气溶胶环境气候效应研究.