意大利莱切环境气候观测站十年颗粒物粒径分布与等效黑碳变化趋势

《Environmental Pollution》：10-year trends of particle size distributions and equivalent black carbon at the Environmental-Climate Observatory (ECO) in Lecce (Italy)

　　

本研究分析了意大利南部莱切环境气候观测站（ECO）2015年至2024年连续十年的在线监测数据，探讨了细颗粒物（PM2.5）、粗颗粒物（PM10-2.5）、等效黑碳（eBC）、质量吸收截面（MAC）以及宽粒径范围（10 nm至10,000 nm）颗粒物数浓度粒径分布（PNSD）的年际变化趋势。研究结果显示，PM2.5和eBC呈统计学显著下降趋势，年均降幅分别为-2.58%和-3.17%，这与燃烧源排放的减少相一致。相比之下，粗颗粒物（PM10-2.5）未呈现显著趋势，这主要归因于频繁发生的撒哈拉沙尘事件的影响。总颗粒物数浓度（PNC）同样显著下降，年均降幅为-2.99%（相当于每年减少238 cm-3），其中爱根核模态和积聚模态的贡献最大。质量吸收截面（MAC）未表现出统计学显著的变化趋势。研究还发现，新粒子形成过程和燃烧源对颗粒物数浓度粒径分布产生了相反的季节性影响。这些发现为理解地中海地区气溶胶的动态变化提供了重要依据，并为实施欧盟新空气质量指令（2024/2881）中关于超细颗粒物和黑碳监测的要求奠定了科学基础。

论文解读：意大利莱切十年气溶胶变化趋势研究

1. 研究背景与研究意义

大气颗粒物污染是全球关注的环境与健康问题。其中，黑碳（black carbon, BC）作为不完全燃烧产生的强吸光性一次污染物，不仅对人体健康构成威胁，还对气候变化产生显著的辐射强迫效应。同时，超细颗粒物（ultrafine particles, UFP，直径小于100 nm）因其能够深入呼吸系统甚至进入血液循环，已被世界卫生组织（WHO）列为关键的空气质量和人群暴露参数。然而，目前关于颗粒物及其组分的长周期监测数据在欧洲南部地区，尤其是意大利中部和南部，仍十分匮乏。现有研究多聚焦于亚微米颗粒物，忽略了粗颗粒物（如PM_10-2.5）的趋势变化，而后者受自然源（如撒哈拉沙尘）和人为源（如道路扬尘）的共同影响，具有重要的政策相关性。此外，欧盟新发布的空气质量指令（2024/2881）已明确要求对颗粒物数浓度和等效黑碳进行监测。因此，开展针对地中海这一光化学污染热点区域的长期、宽粒径范围的综合观测研究，对于理解区域空气质量演变规律、评估减排措施效果以及为未来政策制定提供科学依据，具有迫切的现实意义。

2. 关键技术方法

研究人员在意大利南部的莱切环境气候观测站（ECO），这是一个城市背景站点，也是全球大气观测计划（GAW）和欧洲气溶胶、云及痕量气体研究基础设施（ACTRIS）的区域站，于2015年1月至2024年12月进行了为期十年的连续在线测量。关键技术包括：

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  颗粒物质量浓度测定：采用双通道自动采样器（SWAM 5A Dual Channel Monitor）采集PM₁₀和PM_2.5样品，通过β射线衰减法测定质量浓度，粗颗粒物（PM_10-2.5）由两者差值计算得出。
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  颗粒物数浓度粒径分布测定：耦合一台迁移率颗粒物粒径谱仪（MPSS，测量范围0.01-0.3 μm）和一台光学颗粒物计数器（OPC，测量范围0.30-10 μm），获得10 nm至10 μm宽粒径范围的每小时数浓度粒径分布数据。
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  等效黑碳测定：使用多角度吸收光度计（MAAP）测量PM₁₀的吸收系数，并结合由热光透射法（TOT）测定的元素碳（EC）数据，计算原位质量吸收截面（MAC），进而估算等效黑碳（eBC）浓度。
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  趋势分析方法：采用非参数Theil-Sen方法估算年际变化趋势，并通过bootstrap重抽样法评估95%置信水平下的不确定性。季节性和日变化趋势则通过对多年数据的平均化处理进行分析。

3. 研究结果

3.1 PM_2.5和PM_10-2.5浓度趋势

研究发现，PM_2.5呈现统计学显著下降趋势，年均降幅为-2.58%。而粗颗粒物（PM_10-2.5）则表现为轻微上升但不显著。这表明两种粒径段的驱动因素不同。PM_2.5在秋冬季节浓度较高，而PM_10-2.5在春夏季节浓度更高。进一步分析表明，撒哈拉沙尘事件影响了13.2%的测量天数，其发生频率的季节性变化（春夏高发）与粗颗粒物的季节趋势高度吻合，且在沙尘事件期间，PM_10-2.5的平均浓度从8.2 μg/m3跃升至22.0 μg/m3，证实沙尘是粗颗粒物的主要控制因素。

3.2 eBC和MAC趋势

eBC浓度呈现统计学显著下降趋势，年均降幅为-3.17%。同期，质量吸收截面（MAC）未表现出显著趋势，长期平均值为12.4 ± 2.4 m2/g，这表明吸收系数的下降完全是由于eBC浓度的减少所致。eBC的季节性变化与PM_2.5一致，冷季浓度更高，且eBC/PM₁₀比值从夏季的2.8%升至冬季的4.2%，反映了冬季燃烧源（交通和生物质燃烧）贡献的增加。值得注意的是，在COVID-19封锁期间（2020-2021年），OC/EC比值升高，导致MAC值短暂增大。

3.3 PNC和PNSD趋势

总颗粒物数浓度（PNC）呈现统计学显著下降趋势，年均降幅为-2.99%（-238 cm^-3 yr^-1）。所有亚微米粒径段（成核模态、爱根核模态、积聚模态）均表现出显著下降，而两个粗颗粒物粒径段（Coarse1和Coarse2）则无显著趋势。爱根核模态和积聚模态的浓度与eBC高度相关，其季节趋势也表现为冷季高，表明它们共同受控于燃烧源排放。相反，成核模态（Nuc, 10-25 nm）的季节性趋势不明显，这是因为其受到两个相反过程的共同作用：夏季高频的新粒子形成（NPF）事件会增加其浓度，而冬季更强的交通源排放也会增加其贡献，两者相互抵消。

3.4 日变化趋势

PNC和eBC的日变化模式高度相关，均受到边界层高度（BLH）动态变化的强烈影响，表现为夜间浓度高、白天浓度低。两者均在早间交通高峰时段（6-8点）出现峰值，并在夜间出现更宽的峰值（受交通和生物质燃烧共同影响）。PNC在上午10点至下午2点出现一个次级峰值，这在eBC中未见，归因于日间的光化学新粒子形成事件。粗颗粒物（Coarse2）的日变化则不同，白天浓度更高，显示其对BLH的响应较弱，而受其他气象参数影响更大。

4. 研究结论

本项十年长周期研究揭示了意大利南部城市背景下大气颗粒物的显著变化趋势。PM_2.5和eBC的持续下降，反映出本地人为燃烧源（主要是交通）排放的有效削减，这与更严格的欧盟车辆排放标准（EURO 5/6）的实施效果相符。然而，由撒哈拉沙尘主导的粗颗粒物（PM_10-2.5）并未呈现下降趋势，这凸显了自然源对该地区空气质量的重要影响。颗粒物数浓度的下降主要由亚微米颗粒物驱动，同样指向交通源减排的成功。研究结果清晰地展示了细颗粒物与粗颗粒物在来源、季节性和长期趋势上的解耦现象。该研究为欧盟新空气质量指令（2024/2881）中关于超细颗粒物和黑碳监测的实施提供了关键的区域基线数据和科学支撑，有助于未来在该地中海区域规划有效的污染防控策略和健康影响评估。