金奈PM10中水溶性碳氮的季节、空间及近地面垂直变化特征研究

《Infectious Disease Reports》：Seasonal, Spatial, and Near-Surface Vertical Variability of Water-Soluble Carbon and Nitrogen in PM10 in Chennai, India

　　

本研究考察了金奈三个街道环境中ST2–ST4观测期间PM10及水溶性碳氮在标称高度3 m、16 m和37 m处的变化特征。测量包含76个PM10观测值、各75个水溶性有机碳（WSOC）和水溶性总氮（WSTN）测定值，以及74个水溶性无机氮（WSIN）记录。PM10平均浓度为65.32 μg m?3，WSOC为2.53 μg C m?3，WSTN为1.28 μg N m?3，WSIN为1.26 μg N m?3。WSOC自ST3的4.01 μg C m?3降至ST4的0.62，而WSIN自1.12升至1.86 μg N m?3。站点差异在PM10方面表现显著，以Velachery浓度最高；WSIN则以Arumbakkam平均浓度最高。当以站点日作为采样单元时，WSOC和WSIN的观测期差异仍然显著，而垂直差异不显著。正水溶性氮残差被量化为WSOCres，区别于符号化氮平衡。观测期气象条件在湿度、风速和边界层高度方面存在差异，与不同的稀释和气溶胶老化条件一致。综合观测结果揭示了可溶性PM10组分在观测期和城市站点间的显著变异性。

论文解读

一、研究背景与意义

大气颗粒物反映了一次排放、气粒转化、气溶胶液相化学、大气传输与去除等过程的综合影响。在城市环境中，交通源、再悬浮扬尘、燃烧源、海岸影响及区域气溶胶均可在短时间内对PM₁₀（空气动力学直径≤10 μm的颗粒物）产生贡献。质量浓度相近的PM₁₀可能隐藏着截然不同的化学组成与环境效应，因此化学测量至关重要。水溶性有机碳（WSOC，指可溶于水的有机碳组分）、水溶性总氮（WSTN，指可溶于水的总氮，涵盖无机与有机溶解态氮）及无机氮离子是表征这种化学变异性的有效操作指标。

此前印度已有多项研究在不同城市和季节条件下考察碳质气溶胶、水溶性有机物及离子组成。在金奈，Pavuluri等人曾报告冬季和夏季的有机碳与水溶性离子数据，一项早期研究在相同的街道峡谷网络中对冬季观测期间的颗粒物组成和来源进行了表征。然而，将WSTN、离子推导的WSIN与WSOC的联合测定与垂直分辨的PM₁₀采样相结合的研究仍然缺乏。本研究在三个具有不同街道形态的城市环境中开展，旨在弥补这一空白。

二、研究设计与关键技术方法

研究人员于2018年在金奈三个街道站点开展观测：Taramani（近海岸，建筑高度不对称，街道高宽比约0.8）、Velachery（不对称街道峡谷，附近有公共交通场站，高宽比约0.5）和Arumbakkam（较对称峡谷，沿线有高架铁路，附近有大型公交枢纽，高宽比约0.5）。采样分三个观测期进行：ST2（3–5月）、ST3（7–9月）和ST4（10月）。每个站点在3 m（L）、16 m（M）和37 m（U）三个标称高度同时使用三台环境细颗粒物采样器（AFDS，型号IPM-FDS，Instrumex，印度孟买）进行PM₁₀采集，采用47 mm玻璃纤维滤膜（Whatman GF/A），标称流量16.67 L min^?1。共获得76个PM₁₀记录，其中25个在L、26个在M、25个在U，构成24个完整的L–M–U站点日三元组和2个不完整站点日。

WSOC和WSTN采用岛津TOC-L CPH/CPN分析仪（日本京都岛津公司）在非可吹扫有机碳/总氮（NPOC/TN）模式下测定，样品经酸化吹扫去除无机碳后在高温下催化氧化，CO₂采用非色散红外检测，NO采用化学发光检测。WSIN由铵、亚硝酸盐和硝酸盐的氮当量质量加和计算，离子采用离子色谱法测定。气象数据采用ERA5再分析资料，从覆盖约12.83–13.17° N和79.98–80.18° E的四个网格点提取温度、相对湿度、风速风向、降水和边界层高度，按采样日06:00–18:00当地时间平均。

三、研究结果

3.1 总体浓度与分析覆盖。 76个样品中PM₁₀浓度范围为20.83–144.17 μg m^?3，均值65.32 μg m^?3。WSOC均值2.53 μg C m^?3，WSTN均值1.28 μg N m^?3，WSIN均值1.26 μg N m^?3。正氮平衡残差平均0.26 μg N m^?3，中位数为零，38个匹配样品中恰好为零，正残差最高达1.71 μg N m^?3。符号化残差在38个样品中为负，表明区分正残差氮与符号化氮平衡的重要性。

3.2 观测期差异。 最显著的观测期对比出现在WSOC：均值自ST2的3.02 μg C m^?3升至ST3的4.01，随后降至ST4的0.62，较ST3下降约85%。相反，WSIN自ST2的0.75升至ST4的1.86 μg N m^?3。WSTN自ST2/ST3约0.85升至ST4的2.09 μg N m^?3，但样品级Kruskal–Wallis对比不显著。以单个滤膜为单位时，WSOC和WSIN的观测期对比显著；以站点日为独立单位时，WSOC和WSIN的对比仍然显著，而PM₁₀不再显著。WSOC/PM₁₀比例在ST2、ST3和ST4分别平均为5.86%、6.25%和0.97%。

3.3 城市站点差异。 PM₁₀在Taramani最低（42.18 μg m^?3），Velachery最高（91.65 μg m^?3），Arumbakkam居中（64.16 μg m^?3），站点效应在滤膜级和站点日级比较中均显著。WSIN在Taramani最低（0.80 μg N m^?3），Arumbakkam最高（1.59 μg N m^?3），站点日对比在p<0.01水平显著。WSOC在三个站点分别为2.66、2.89和2.08 μg C m^?3，无显著站点差异。

3.4 观测期–站点交互模式。 ST4期间无机氮的升高集中在Velachery和Arumbakkam。Velachery在ST4的PM₁₀均值达113.06 μg m^?3，而Taramani仅27.82 μg m^?3。ST4的WSTN在Velachery为3.31 μg N m^?3、Arumbakkam为2.74，WSIN分别为2.49和2.34 μg N m^?3。ST4的WSIN升高并非空间均匀。

3.5 垂直差异。 PM₁₀在L、M、U三个高度的均值分别为65.85、72.31和57.53 μg m^?3；WSOC对应均值为2.58、3.32和1.70 μg C m^?3。24个完整站点日的PM₁₀上/下（U/L）比均值为0.884，配对Wilcoxon检验p=0.08。WSOC、WSTN、WSIN和硝酸盐的U/L比均值分别为0.893、1.088、1.547和1.214，均未达统计显著水平。配对观测未建立一致的三高度单调浓度梯度。

3.6 筛选检验与化学关联。 观测期差异对WSOC和WSIN显著，对WSTN不显著。PM₁₀与WSOC相关性较弱（Pearson r=0.24，Spearman r=0.28），与WSTN（r=0.55）、硝酸盐（r=0.55）和WSIN（r=0.55）相关性更强。WSTN与WSIN在74个匹配记录上相关（r=0.90）。

3.7 水溶性无机氮分配。 ST4期间铵衍生氮和硝酸盐衍生氮均增加。由于硝酸盐和铵在代数上构成WSIN，高WSIN–离子相关性不应被视为化学形成机制的独立证据。

3.8 气象背景。 ST3具有最高中位温度（31.8 °C）、最低相对湿度（59.0%）和最深厚的中位边界层（1101 m）。ST4较冷（29.4 °C）、更潮湿（74.1%），中位风速（2.6 m s^?1）和边界层高度（687 m）较低。观测期差异在温度、湿度、风速和边界层高度方面显著，降水不显著。

四、讨论与结论

讨论部分指出，最清晰的组成对比是从ST2和ST3的较高WSOC向ST4无机氮升高的转变。ST4期间较高的湿度、较弱的风速和较浅的边界层提供了稀释减弱和气粒分配改变的合理气象背景，但WSIN与各单一气象变量的日尺度相关性均未达显著水平，表明观测期对比反映了多个因素的综合作用而非单一气象变量的响应。PM₁₀与硝酸盐和WSIN的关联与二次或非均相气溶胶贡献的变化一致，但相关性本身不能解析其来源份额。硝酸盐在海岸空气中可能与铵、海盐或矿物相相关，取决于热力学和颗粒物组成。符号化氮平衡与正残差描述氮分配的不同方面：前者在74个匹配记录中的38个为负，后者仅量化正平衡残差，可能包含化学性质不同的有机氮化合物，但不能等同于独立鉴定的有机氮物种。街道尺度上，Velachery的PM₁₀最高、Arumbakkam的WSIN均值最高，Taramani两者均较低，但站点、道路配置和盛行气流无法在当前设计下分离。垂直剖面显示上层PM₁₀和WSOC较低、WSIN变异较大，但均未达统计显著。

研究结论为：金奈可溶性PM₁₀组分在观测期和站点间表现出显著组成差异。WSOC自ST3的4.01 μg C m^?3降至ST4的0.62，WSIN自1.12升至1.86 μg N m^?3，两项对比在基于站点日均值的分析中均保持显著。WSTN均值在ST4升高但未显示统计显著的观测期对比。Velachery的PM₁₀最高，Arumbakkam的WSIN均值最高。24个完整站点日三元组表明高度差异有限且多变，而非确证的垂直浓度梯度。PM₁₀与无机氮变量的相关性强于与WSOC的相关性。可溶性碳氮组成的变化并非简单镜像PM₁₀质量。跨越对比街道环境的短期采样观测捕捉到了仅靠质量评估无法显现的化学变异。