清华大学环境学院郑光洁研究组研发可追踪超细颗粒物凝结增长过程的吸湿性监测系统

超细颗粒物（空气动力学粒径＜100nm）在大气颗粒物数浓度中占绝对主导地位，对人体健康和气候均具有显著影响。凝结增长过程会显著改变超细颗粒物粒径与化学组成，进而影响其气候和健康效应。长期以来，由于缺乏适用于长期观测的方法和仪器，超细颗粒物动态凝结增长过程中主导化学组分的长期变化仍缺乏清晰表征。吸湿性能够间接反映气溶胶组分变化，但传统吸湿性串联差分迁移率分析仪（HTDMA）需手动预设测量粒径，只能“碎片化”观测增长过程，且无法应对凝结机制快速转变、多模态同时增长等常见过程。

基于上述背景，清华大学环境学院郑光洁助理教授研究组将粒径谱仪（SMPS）与HTDMA智能联动，开发了超细颗粒物凝结增长过程中吸湿性同步监测系统（SMASH）。该系统具备对大气超细颗粒物动态凝结增长过程中模态粒径和吸湿性的高时间分辨率（6分钟）同步追踪能力，可为揭示主导凝结物种的动态转变特征提供有效手段。

针对北京夏季一次持续约30小时的超细颗粒物凝结增长事件的观测分析表明，SMASH可有效追踪凝结增长过程中的峰值粒径并观测其吸湿性参数κ，且基于κ变化趋势可将整个增长过程划分为凝结增长、粒径收缩等不同阶段（图1a、b）。基于理论计算，可进一步识别出不同时段下的主导凝结物种吸湿性变化（图1c）。此外，SMASH还可同时捕捉到爱根模态和积聚模态双模态同步增长过程，从而为研究粒径对凝结的影响提供独特角度。由于凝结物种吸湿性具有显著的时段差异，可基于此划分凝结增长时段并计算不同时段的粒子增长速率（growth rate），从而揭示不同凝结机制对增长速率的重要作用。综上，SMASH具有成本较低、易维护等优点，可多站点长期部署以揭示不同区域与季节的凝结增长机制；同时，SMASH的搭建思路还可推广并联用多种仪器（如TD-CIMS、CPMA等），实现多参数（如分子、密度信息）同步测量，构建更完整的凝结物种特征谱，为相关区域/全球模型提供凝结物种吸湿性和生长速率的约束参数。

SMASH捕获的一次单/双模态凝结增长过程。（a）模态粒径变化时间序列；（b）κ值时间序列；（c）增长过程中的κ_c或κ_v。其中“I-”和“II-”分别代表增长个例I与II，“GEx”和“SEx”分别对应第x次增长阶段与第x次收缩阶段

研究成果以“利用气溶胶粒径与吸湿性同步监测系统（SMASH）表征大气气溶胶的长期多模态凝结增长过程”（Characterizing long-term multi-modal condensational growth of atmospheric aerosols with the Synchronous Monitor of Aerosol Size and Hygroscopicity (SMASH)）为题，于6月25日发表于《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）。

清华大学环境学院博士后熊春为论文第一作者，环境学院助理教授郑光洁为论文通讯作者。论文合作者包括清华大学环境学院贺克斌院士、教授蒋靖坤、副研究员王东滨、博士后李雨阳，浙江大学环境与资源学院研究员王志彬，北京纳颗环境科技有限公司张强。

研究得到京津冀环境综合治理国家科技重大专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.est.6c00847

供稿：环境学院

编辑：李华山

审核：郭玲