台湾南部PM2.5的化学特性、源解析与毒性潜力：来自高屏实验(KPEx)的洞察

《Atmospheric Environment》：Chemical Characteristics, Source Apportionment and Toxic Potential of PM 2.5 in Southern Taiwan: Insights from the Kao-Ping Experiment (KPEx)

　　

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  高屏实验（KPEx）协调的高时间分辨率采样揭示了PM₂.₅事件的强烈变异性，强化观测期（IOP）均值范围为34.9 ± 8.23至61.2 ± 15.3 μg m^-3。
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  工业站和交通站的PM₂.₅浓度水平相当（34.8 ± 18.2 vs. 31.0 ± 17.3 μg m^-3），其中高分子量多环芳烃（PAHs）占PAHs总量的70%以上。
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  高雄的PM_2.5和BaPeq水平（32.8 ± 17.5 μg m^-3；4.40 ± 9.23 ng m^-3）显著高于山地路林站（2.30 ± 0.76 μg m^-3；0.01 ± 0.01 ng m^-3）。
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  夜间和冬季条件增强了PAHs相关的毒性潜力，BaPeq在夜间从2.95 ± 5.98增至4.77 ± 11.1 ng m^-3，在冬季从3.57 ± 10.1增至5.53 ± 7.60 ng m^-3。
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  正定矩阵因子分解（PMF）识别出工业站的主导PAHs排放源为：电厂相关源（39%）、烧结相关排放源（32%）和交通排放源（29%）。

引言

细颗粒物（PM_2.5）仍是快速工业化地区最关键的大气污染物之一，其对大气过程、环境质量、气候强迫和人类健康具有重大影响。除总质量浓度外，PM_2.5的化学组成在很大程度上决定了其理化性质、大气转化、传输行为和环境效应。因此，详细的化学表征对于解析复杂城市和工业环境中源贡献、大气加工过程和时空变异性至关重要（Kelly & Fussell, 2012; Zhang & Tao, 2009）。在PM_2.5的化学组分中，多环芳烃（PAHs）因其作为持久性燃烧衍生污染物具有公认的毒性潜力而特别值得关注（Ravindra et al., 2008）。PAHs主要来源于不完全燃烧过程，包括工业活动、发电、船舶运输、生物质燃烧和机动车尾气（Shen et al., 2013）。其分子分布通常具有源依赖性：高分子量PAHs通常与高温燃烧源相关，而低分子量PAHs则与机动车和石油相关排放更为密切（Ravindra et al., 2008）。由于PM_2.5结合态PAHs保留了源相关的组成信息，并与毒性当量密切相关，它们为研究工业化城市大气中的源特征和与健康相关的颗粒物特性提供了有用的基础（Yang et al., 2017）。

除PAHs外，其他化学组分也为解释PM_2.5特征提供了补充证据（Lu et al., 2016）。水溶性无机离子（WSIs），特别是硫酸盐、硝酸盐和铵盐，是二次气溶胶形成、大气转化和区域传输的重要指示物。同样，元素组成有助于区分地壳物质和人为输入，而富集因子（EF）分析和离子平衡分析则提供了有关微量元素富集和气溶胶中和态的进一步信息。综合这些指标有助于约束复杂环境中本地排放、区域传输和大气加工过程的相对作用（Chow et al., 2015; Wu et al., 2017）。

东亚地区的先前的研究表明，工业燃烧和交通排放是PM_2.5结合态PAHs及其他化学相关气溶胶组分的主要贡献者。然而，许多现有研究依赖于日或更长的采样间隔，这可能会掩盖短期时间变异性并限制对快速变化的源影响的解释（Lin et al., 2008）。这一局限性在沿海工业区尤为重要，因为这些地区本地排放、区域传输、海陆风环流和季节季风系统可能同时相互作用（Wang et al., 2016）。高雄位于台湾南部，是东亚地区具有代表性的工业化沿海大都市区。该地区密布固定燃烧源、冶金和石化工业、港口相关活动以及主要交通走廊。同时，其空气质量受季节季风环流和海陆风相互作用的强烈影响，这使得污染物传输、累积和转化过程更为复杂（Shen et al., 2020）。尽管该地区环境意义重大，但将高时间分辨率PM_2.5测量与PAHs、WSIs、元素组成和源解析分析相结合的研究仍然有限。

尽管台湾的多个城市和工业环境中已对PM_2.5结合态PAHs进行了研究，但许多先前的研究主要依赖于日或更长的集成样品，并主要集中在浓度表征、健康风险评估或受体模型源解析上。台湾先前的研究还将PMF与轨迹方法（如PSCF或CWT）相结合，以评估PM_2.5结合态PAHs的源特异性健康风险和长程传输影响（Room et al., 2023; Ting et al., 2023）。然而，主要基于日或更长集成样品的研究可能无法充分解析强化污染事件期间气团传输、污染物累积和与毒性相关的PAHs组成的短期变化。特别是，针对台湾南部工业化沿海地区KPEx协调的强化观测期期间短期源-传输-组成-毒性关联性的研究更为少见。

为应对上述局限性，高屏实验（KPEx）于2024年2月至3月期间在台湾南部的高屏空气质量区域进行，并获得了台湾环境部的支持。该活动旨在表征大气污染物及其前体物的水平和垂直分布，并研究大气环流、地形效应和本地排放如何相互作用影响这一高污染沿海工业区的大气质量。KPEx与NASA主导的"亚洲空气质量航空与卫星调查"（ASIA-AQ）活动协同开展，后者在KPEx强化观测期期间对台湾进行了飞行观测。这一协调框架提供了在将地面测量与更大范围区域气团传输条件相联系的多尺度观测设置下研究PM_2.5结合态PAHs的独特机会。

本研究将高时间分辨率PM₂.₅采样与化学表征、BaPeq评估、PMF源解析、富集因子分析和离子平衡分析以及72小时HYSPLIT后向轨迹分析相结合。该方法用于将排放源、气团传输、化学组成和与毒性相关的PAHs富集联系起来，针对一个高度工业化的沿海地区进行研究。具体目标为：（1）表征PM₂.₅结合态PAHs及相关化学组分的时空和组成变异性；（2）评估KPEx强化观测期期间区域传输和本地累积的影响；（3）利用PMF量化主要PAHs源贡献；（4）考察源相关组成和大气累积如何与BaPeq及PM₂.₅相关PAHs毒性潜力相关联，同时使用IOP特定的轨迹为短期气团路径提供定性背景。

章节摘要

研究区域和站点描述

本研究在台湾南部的高雄开展，该地为工业化沿海大都市区，以密集的非移动排放源和高密度的车辆活动为特征。研究区域受明显的季节季风系统影响，冷季以东北向气流为主，暖季以西南向气流为主。此外，局地海陆风环流可能进一步调节污染物在日变化尺度上的传输和再分配。两个监测站

气象条件及PM_2.5及其主要组分的时间变异性

四个强化观测期（IOP）期间的气象条件利用高屏实验（KPEx）的高时间分辨率观测数据进行表征。南梓站和风山站的风玫瑰图分别如图S1和S2所示。总体而言，四个IOP表现出不同的气流模式和扩散条件。IOP1以弱偏南气流和相对静稳条件为特征，而IOP2则与东北

结论

本研究通过将KPEx强化观测期的高时间分辨率采样与化学表征、BaPeq评估、PMF源解析、富集因子分析、离子平衡分析以及72小时HYSPLIT后向轨迹分析相结合，对台湾南部的PM₂.₅结合态PAHs及相关化学组分进行了研究。结果表明，该工业化沿海地区PM_2.5结合态PAHs的毒性潜力随源相关组成

CRediT作者贡献声明

魏泽民（Tse Min Wei）：资源。丁昱杰（Yu Chieh Ting）：资源、调研。萧大智（Ta Chih Hsiao）：撰写–审阅与编辑。林能辉（Neng-Huei Lin）：监督、项目管理。陈伯瑞（Po Jui Chen）：撰写–初稿、方法学、形式化分析、数据管理、概念化。Shahzada Amani Room：调研。潘世宇（Shih Yu Pan）：调研、数据管理。许元城（Yuan Cheng Hsu）：资源、调研。纪凯先（Kai Hsien Chi）：撰写–审阅与编辑、监督、项目管理、经费获取。吴伯仁（Po Jen Wu）：

资助

本研究由中华民国科技部（科技部 114-2111-M-A49-001）资助。作者感谢所有团队成员在野外采样、样品制备、化学分析和数据处理方面提供的协助。作者也感谢所有合作者为本研究的顺利完成所作出的贡献。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

Po Jui Chen|Po Jen Wu|Kai Yu Hsu|Yen Shun Hsu|Asma Asif|Shahzada Amani Room|Shih Yu Pan|Yuan Cheng Hsu|Wei Tse Min|Yu Chieh Ting|Ta Chih Hsiao|Neng-Huei Lin|Kai Hsien Chi