2019–2023年间利用航空测量方法研究韩国黄海亚微米颗粒的化学特性

《Environmental Research》：Chemical Characteristics of Submicron Particles in the Yellow Sea of Korea Using Aircraft Measurements During the 2019–2023 Period

本研究基于2019-2023年黄海地区航空观测数据，利用高分辨率质谱技术分析PM1浓度及化学组成，发现硫酸浓度下降且铵盐不足，揭示东Asian长距离传输及二次气溶胶形成对PM1的影响，证实中国减排政策有效。

　　空气污染的评估是一个复杂的任务，因为它不仅受到本地排放的影响，还与跨区域传输密切相关。这种复杂性在东亚地区尤为明显，特别是在韩国，空气污染的形成不仅与本地的移动源排放和化石燃料燃烧有关，还受到来自东亚其他地区，尤其是中国东部和山东地区，远距离传输的颗粒物的显著影响。因此，利用飞机进行测量成为研究区域和跨境污染的重要手段。本研究通过分析2019年至2023年间在黄海地区冬季和春季的长期观测数据，探讨了颗粒物浓度和化学成分的变化趋势，特别关注了不同源区传输对颗粒物的影响。

在东亚，空气污染源的多样性使得污染物的传输和转化过程更加复杂。工业活动、交通运输、农业燃烧以及生物质燃烧等人类活动都会产生大量的污染物，这些污染物不仅在本地积累，还会通过大气传输过程扩散到其他地区。这种现象对空气质量产生了深远的影响，尤其是在城市和工业区周边，污染物的浓度往往较高，而在远离污染源的区域，污染物的组成和浓度也会发生变化。因此，为了全面理解这些污染物的来源和转化机制，科学家们需要采用多种先进的分析技术，包括高分辨率气溶胶质谱仪（HR-ToF-AMS）、质子转移反应飞行时间质谱仪（PTR-ToF-MS）以及飞行时间化学离子化质谱仪（ToF-CIMS）等，以实时、高精度地监测颗粒物和气态污染物的组成和变化。

飞机测量平台在这一过程中发挥了重要作用。相比于地面观测，飞机能够克服地形和空间限制，获取不同高度层的大气污染物数据，从而揭示污染物的垂直分布特征和化学反应过程。此外，飞机测量还能够覆盖广阔的区域，提供高频率的时空数据，这对于研究污染物的传输路径和转化过程至关重要。近年来，多个国家和地区已经开展了相关的飞机观测项目，例如美国国家航空航天局（NASA）的DISCOVER-AQ和FIREX-AQ项目，以及欧洲的EMeRGe项目。这些项目使用了多种飞机平台，包括DC-8、Beechcraft King Air B200和Lockheed Martin P-3B等，以监测包括氮氧化物（NO、NO?）、一氧化碳（CO）、挥发性有机化合物（VOCs）、臭氧（O?）等在内的多种气态污染物，以及颗粒物（PM）和粒子数量等指标。

韩国的国家环境研究院（NIER）也积极参与了多项国际飞机观测项目，如KORUS-AQ（2016）、EMeRGe（2018）和ACCLIP（2021）。这些项目为韩国提供了重要的数据支持，揭示了跨境颗粒物污染的严重性以及二次气溶胶形成的机制。例如，KORUS-AQ的最终报告指出，在高浓度事件中，跨境PM?.?污染贡献了40%-80%的总量，并强调了二次气溶胶形成和多环芳烃（PAHs）的重要性。此外，自2018年起，韩国还开展了YES-AQ项目，利用研究船“GISANG 1”对黄海地区的空气污染物进行了观测。这些研究项目为理解东亚地区的空气污染特征提供了宝贵的资料。

然而，尽管这些短期的密集型观测项目取得了显著成果，它们仍然存在一定的局限性。首先，短期观测难以捕捉到污染物浓度和化学成分的长期变化趋势。其次，这些项目往往集中在特定的季节或区域，无法全面反映全年和不同地理区域的污染状况。因此，为了更准确地评估空气污染的变化趋势，建立长期的飞机观测数据集显得尤为重要。本研究正是在这一背景下开展的，通过2019年至2023年间的多年度观测，系统地分析了黄海地区PM?（粒径小于1微米的颗粒物）的浓度、化学成分和氧化状态的变化趋势，特别关注了不同源区传输对颗粒物组成的影响。

在本研究中，使用的飞机是一架经过改装的20座Beechcraft 1900D，由韩国翰世大学运营。该飞机配备了多种高分辨率仪器，用于实时监测颗粒物和气态污染物的组成。这些仪器包括HR-ToF-AMS、PTR-ToF-MS和SP2（Soot Particle Aerosol Mass Spectrometer）等，它们能够分别测量非挥发性颗粒物、挥发性有机化合物以及黑碳的组成。通过这些仪器，研究人员可以获取高时间分辨率和空间分辨率的数据，从而更深入地理解污染物的来源、传输路径和化学转化过程。

研究结果表明，黄海地区的PM?主要由氧化有机气溶胶（Ox-ORG）组成，且其氧化程度随着PM?浓度的增加而提高。这一发现表明，氧化有机气溶胶在该地区的空气污染中占据了主导地位。此外，硫酸盐（SO?2?）的浓度在研究期间呈现下降趋势，而铵硫酸盐主要以铵氢硫酸盐（(NH?)HSO?）的形式存在，这反映了该地区存在铵缺乏的条件。当这些气溶胶被传输到内陆地区，尤其是在氨（NH?）浓度较高的区域时，可能会发生进一步的二次形成过程，从而改变其化学组成和酸度。

在源区分类方面，研究发现来自中国东部沿海地区（Sector 3）和山东地区（Sector 4）的空气团表现出较高的PM?浓度，并且其中硝酸盐和硫酸盐的占比也相对较高。这种现象与这些区域较高的相对湿度和前体物浓度密切相关。相对湿度的增加促进了气态污染物的液相反应，从而增强了二次气溶胶的形成。此外，前体物浓度的提高也加速了颗粒物的氧化和转化过程，使得硝酸盐和硫酸盐的含量显著增加。这些发现表明，中国在二氧化硫（SO?）和氨（NH?）排放方面的政策调整已经对跨境传输的气溶胶组成和酸度产生了显著影响。

为了更全面地分析这些变化，研究采用了基于扇区的源区分类方法，将观测到的空气团按照其来源地区划分为不同的扇区。这种方法有助于识别不同源区对黄海地区空气污染的贡献，从而为制定有效的空气质量管理政策提供科学依据。通过分析不同扇区的PM?浓度和化学成分变化，研究人员可以更准确地评估污染物的传输路径和转化机制，进而预测未来空气质量的变化趋势。

此外，本研究还探讨了黄海地区PM?的空间分布特征。通过对不同高度层和不同地理位置的观测数据进行整合，研究人员发现PM?的浓度和化学成分在不同区域之间存在显著差异。这种空间分布特征可能与当地的排放源、气象条件以及污染物的传输路径密切相关。例如，黄海地区靠近中国，因此可能受到中国东部地区排放的显著影响。而韩国本土的排放源，如移动源和生物质燃烧，则可能对黄海地区的污染物组成产生一定的本地化影响。

本研究的成果不仅有助于理解黄海地区空气污染的形成机制，还为东亚地区的空气质量管理提供了重要的科学支持。通过长期的飞机观测数据，研究人员能够更准确地评估不同源区对空气质量的影响，并为制定更加有效的减排政策提供依据。同时，这些数据也为进一步研究污染物的传输路径和化学转化过程提供了基础，有助于推动相关领域的科学研究和技术发展。

总的来说，本研究通过多年度的飞机观测，系统地分析了黄海地区PM?的浓度和化学成分变化，揭示了跨境传输对空气质量的影响。这些发现对于理解东亚地区的空气污染特征、评估政策效果以及预测未来空气质量变化趋势具有重要意义。同时，本研究也为未来的空气质量管理提供了科学依据和技术支持，有助于推动更加精准和有效的污染控制措施的实施。