中印度-恒河平原地区PM2.5成分及其光学特性的季节性变化：二次转化过程与气溶胶液态水含量的作用

阿曼·迪普·古普塔（Aman Deep Gupta）|西玛·普拉贾帕蒂（Seema Prajapati）|塔伦·古普塔（Tarun Gupta）

印度北方邦坎普尔印度理工学院（Indian Institute of Technology Kanpur）环境科学与工程中心（Centre for Environmental Science and Engineering）及土木工程系（Department of Civil Engineering）的大气颗粒技术实验室（Atmospheric Particle Technology Laboratory），邮编208016

摘要

在印度恒河平原（Indo Gangetic Plain, IGP）地区，PM_2.5的组成和光学特性的季节性变化因素至关重要，然而这一现象在世界上污染最严重的地区之一仍缺乏足够的了解。本研究调查了IGP地区一个城市站点中PM_2.5的季节性动态变化，重点关注气溶胶化学成分和光吸收特性。研究了气溶胶中的液态水含量（ALWC）以及其他主要PM_2.5成分（包括有机碳OC、元素碳EC、水溶性无机离子和痕量金属）在二次气溶胶形成中的作用。无机ALWC（ALWC_i）和有机相关ALWC（ALWC_o）分别通过ISORROPIA II模型和基于湿度的参数化方法进行估算，而二次有机气溶胶（SOA）则采用EC–OC最小相关性方法进行估算。

研究结果显示出明显的季节性差异：季风过后，生物质燃烧活动加剧，导致OC和K⁺浓度升高（R=0.83），同时富含有机物的气溶胶吸收更多水分（ALWC_o约为30%），促进了SOA的形成；相比之下，冬季二次离子浓度升高，ALWC_i也较高（约80%），其中SOC对OC的贡献最大（约85%），这主要是由于浅层边界层和雾的作用增强了水相化学反应。春季时，ALWC降低但太阳辐射增强（约538 W/m²），表明光化学作用对PM_2.5的组成产生了影响。光学分析还发现，棕色碳的吸收特性存在明显的季节性变化：季风过后和冬季的Abs_365/Abs450比值较低，表明长波吸收增强，而春季比值较高则表明近紫外吸收较强。

这些发现表明，IGP地区的SOA形成过程受到不同季节物理化学机制的调控。这对针对特定污染源的空气质量干预措施、季节性缓解策略以及区域气候强迫评估研究具有直接意义。

引言

颗粒物（PM）的化学组成对其来源、大气中的转化过程及其光学特性起着关键作用，通常包括烟尘、地壳尘埃、痕量金属、无机离子和多种有机物质（Gupta等人，2025；Qadri，2024；Seinfeld和Pandis，2016）。这种组成会随着排放源的变化和气溶胶的老化过程而变化。温度、相对湿度（RH）和太阳辐射等宏观物理环境和大气条件对气溶胶的转化、老化和二次转化过程具有重要影响（Galindo等人，2011；Gupta等人，2022；Pan等人，2021；Pandolfi等人，2014；Rajeev等人，2016；Seinfeld和Pandis，2016）。先前的研究表明，PM中的光吸收有机成分（即棕色碳BrC）对PM的整体光吸收特性有显著影响，包括光氧化作用、发色团漂白或吸收向可见光谱的偏移（Hems等人，2021；Singh等人，2021）。因此，太阳辐射在白天的气溶胶二次转化过程中起着关键作用。

同样，环境中的高湿度条件会促进水相氧化反应，增强PM的吸收特性（Choudhary等人，2022）。这一过程受气溶胶液态水含量（ALWC）这一重要参数的调控，它代表了与气溶胶颗粒相关的水分，在控制大气化学过程中起着核心作用。ALWC促进了气溶胶颗粒与SO₂和NH₃等气态前体发生异质性和水相反应，从而生成二次有机和无机气溶胶（Shi等人，2024；Su等人，2022）。该参数主要受无机盐和有机物的吸湿性影响，其吸湿性随RH变化而变化。除了影响化学路径外，ALWC还通过增加颗粒大小、散射效率和折射率来影响气溶胶的光学特性（Su等人，2022）。

由于印度恒河平原（IGP）地区具有对比鲜明的季节性气象条件和多样的区域排放源，其大气化学过程非常复杂。本研究涵盖了不同季节阶段：季风过后，有机排放（如生物质燃烧）显著增加（Rajput等人，2017）；随后是冬季，由于行星边界层（PBL）高度较低（< 500米）和大气条件稳定，形成了一个区域性的空气封闭层（Singh等人，2023）；最后是夏季，由于日照时间增加，光解反应增强，影响了二次有机气溶胶（SOA）的形成（Ghosh等人，2014）。IGP地区的这些变化凸显了本研究的重要性，其目标包括：（1）深入探讨高污染期（10月至3月）IGP地区控制PM_2.5物理化学转化的大气过程；（2）分析各种PM_2.5成分的浓度及其对SOA形成的贡献；（3）评估区域排放源和大气过程对PM_2.5光学特性的影响。研究重点关注了关键转化机制，包括由无机物促进的水相转化、金属催化的氧化还原反应以及由太阳辐射季节性变化驱动的增强光氧化作用。此外，还研究了棕色碳（BrC）的光学特性与其化学老化过程之间的关系。

章节摘录

研究地点描述和PM_2.5采样

PM_2.5采样在印度理工学院（IIT）坎普尔校区（北纬26°27′，东经80°20′）进行。该地点位于IGP地区的工业和商业中心，该地区的空气污染水平属于全球最高之列（Balakrishnan等人，2019；Pandey等人，2021）。采样工作每周进行三次——周一、周三和周五，时间从2021年10月25日至2022年3月30日，部分日期因物流原因除外。

PM_2.5的分布和气象参数

采样期间，该地区的PM_2.5平均浓度超过120 μg/m³，属于国家空气质量指数（NAAQI，2014）定义的“非常不健康”类别。在某些特定日子里，PM_2.5浓度甚至超过了危险水平（>250 μg/m³，n=5），根据NAAQI指南需启动健康紧急响应。最高的季节性浓度出现在季风过后（175.1 ± 59.3 μg/m³³

结论

CRediT作者贡献声明

塔伦·古普塔（Tarun Gupta）：负责撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理和资金获取、概念构思。西玛·普拉贾帕蒂（Seema Prajapati）：负责撰写、审稿与编辑、数据验证。阿曼·古普塔（Aman Gupta）：负责初稿撰写、数据验证、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思

Gupta和Gupta，2023；Gupta等人，2023。

作者声明：他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

阿曼·迪普·古普塔和西玛·普拉贾帕蒂衷心感谢印度人力资源发展部（Ministry of Human Resource Development）提供的研究奖学金。本研究还得到了坎普尔印度理工学院（Indian Institute of Technology Kanpur）的内部资金支持。