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近年来，我国空气质量持续改善，但华北地区仍存在较为严重的大气污染，特别是高浓度的细颗粒物(PM2.5)可以严重影响空气质量和人体健康，甚至区域气候。有机气溶胶(OA)是大气细颗粒物的重要组成，在华北地区约占PM2.5的20-60％，深入研究OA的来源和变化特征对于未来有效控制大气污染具有十分重要的意义。由于来源与组成的复杂性，区分与定量OA一直存在较大不确定性。近些年，气溶胶质谱仪(AMS/ACSM)被广泛应用于气溶胶化学组分的在线表征及有机物的来源解析。然而，传统的气溶胶质谱仪（SV-AMS/Q-ACSM）受气动力透镜的限制只能对亚微米非难熔颗粒物(NR-PM1)进行定量表征，但在一些高污染的环境中，粒径介于1-2.5μm之间颗粒物(PM1-2.5)贡献甚至超过PM1，化学组成也可能发生重要的变化。因此，仅靠PM1的实时在线表征不仅会造成对污染水平的低估，细颗粒物来源解析也存在一定的不确定性。
本研究基于最新研发的，配备捕获型蒸发器(CV)和PM2.5气动力透镜的飞行时间颗粒物化学组分在线监测仪（CV-ToF-ACSM），首先于2018年夏季在北京开展了在线观测，通过平行比对多台不同类型气溶胶质谱仪的测量结果，全面评估了CV在相对污染环境中表征PM2.5的性能。同时，于2019年夏季开展了基于CV-ToF-ACSM的燃烧源谱实验，获取了三种典型一次排放源，包括生物质燃烧（秸秆燃烧和木材燃烧），烹饪以及燃煤产生的有机气溶胶的特征谱图，为有机物准确来源解析提供了重要参比。结合CV源谱，利用正交矩阵因子分解法(PMF)和多线性驱动模型(ME-2)等源解析模型，定量解析了北京有机气溶胶的来源，并与其它仪器的有机组分在谱图特征，时间变化趋势及质量浓度上进行了对比，全面评估了CV-ToF-ACSM对有机气溶胶来源解析的能力。本研究还于2018年冬季在河北固城开展了综合观测，比较了北京与固城两地PM2.5的来源与化学组成，并结合同步测量的PM1化学组分，阐明了不同污染过程中PM1与PM2.5的差异。主要结论如下:
CV-ToF-ACSM能够准确地定量北京夏季NR-PM2.5化学组分的质量浓度。不同CV-ToF-ACSM测量的NR-PM2.5总浓度与各化学组分浓度高度相关(R2＞0.90)，且与其他仪器测量结果具有很好的一致性(R2＞0.60);与配备传统标准蒸发器(SV)的气溶胶质谱相比，CV-ToF-ACSM的无机及有机碎片受更长时间热解的影响会显著朝着更小碎片离子的方向移动。尽管CV上存在额外的热解，但不同类型一次有机气溶胶的特征碎片在CV上依然可以发挥源示踪的作用。各一次源在CV上的谱图都具有独特的特征，同类源之间的相关性大于不同源之间的相关性;各一次源在SV上的特征碎片，例如餐饮有机气溶胶(COA)的f55，生物质燃烧有机气溶胶(BBOA)的f60，以及燃煤有机气溶胶(CCOA)上的多环芳烃碎片信号，在CV上依然有所保留，尽管信号在CV中有所降低。典型碎片的比例(如f55/f57，f44/f60)在CV上发生了变化，但碎片间关系的变化趋势依然与SV保持一致。因此，有机物谱图虽然发生了改变，但CV-ToF-ACSM在污染地区依然具有有效识别有机物来源的能力。不同CV-ToF-ACSM通过PMF源解析模型均能解析出与SV-AMS相对应的因子，各因子谱图和时间序列在不同仪器之间具有很好的一致性(R2＞0.71)，但各有机因子质量浓度在不同仪器间仍存在一定差异，造成这一不确定性的原因仍需进一步研究。
北京和固城PM2.5的来源组成与变化特征具有显著的区别。在北京夏季，二次无机气溶胶(SIA)主导着PM2.5(52％)，二次有机气溶胶(SOA)是有机气溶胶的主要来源(81％)，而在固城冬季，有机物主导着PM2.5(49％)，一次有机气溶胶(POA)是有机气溶胶的主要来源(66％)，其中生物质燃烧有机气溶胶贡献高达32％。借助于CV-ToF-ACSM，我们还深入研究了北京和固城PM1和PM2.5在不同污染条件下的化学组成差异。研究发现，在两个地区湿度较低的时段，PM1与PM2.5具有一个比较稳定的比值，化学组成也非常类似，而在湿度较高的时段，粒径介于1-2.5μm的颗粒物质量浓度会显著增加，导致PM1/PM2.5比值显著降低，化学组分也开始出现较大差异，特别是PM2.5中的SIA和SOA贡献呈现显著增加，这主要是由于不同组分的吸湿性导致的粒子增长不同所导致。北京夏季颗粒物的吸湿增长主要发生在污染时段的夜间，主要是SIA缓慢增长，而固城冬季颗粒物的吸湿增长往往伴随着雾的过程，SIA和SOA等会被迅速活化长大。
论文最后还进一步拓展了有机气溶胶源解析方法，建立了基于黑碳区分和定量城市机动车和烹饪排放的一次有机气溶胶的示踪方法。该方法估算的COA质量浓度与PMF/ME-2及m/z示踪法估算的COA高度吻合。该方法有效地解决了四极杆类型气溶胶质谱在城市夏季无法区分机动车和餐饮的的问题，对提高城市地区夏季有机气溶胶的源解析具有重要意义。研究结果发现，COA在全球范围内均是城市OA的重要的来源。尽管亚洲地区的中国和印度排放的COA浓度显著高于北美和欧洲地区，但在总有机气溶胶中的贡献却相当，平均为15.5-20％。
本研究基于最新研发的，配备捕获型蒸发器(CV)和PM2.5气动力透镜的飞行时间颗粒物化学组分在线监测仪（CV-ToF-ACSM），首先于2018年夏季在北京开展了在线观测，通过平行比对多台不同类型气溶胶质谱仪的测量结果，全面评估了CV在相对污染环境中表征PM2.5的性能。同时，于2019年夏季开展了基于CV-ToF-ACSM的燃烧源谱实验，获取了三种典型一次排放源，包括生物质燃烧（秸秆燃烧和木材燃烧），烹饪以及燃煤产生的有机气溶胶的特征谱图，为有机物准确来源解析提供了重要参比。结合CV源谱，利用正交矩阵因子分解法(PMF)和多线性驱动模型(ME-2)等源解析模型，定量解析了北京有机气溶胶的来源，并与其它仪器的有机组分在谱图特征，时间变化趋势及质量浓度上进行了对比，全面评估了CV-ToF-ACSM对有机气溶胶来源解析的能力。本研究还于2018年冬季在河北固城开展了综合观测，比较了北京与固城两地PM2.5的来源与化学组成，并结合同步测量的PM1化学组分，阐明了不同污染过程中PM1与PM2.5的差异。主要结论如下:
CV-ToF-ACSM能够准确地定量北京夏季NR-PM2.5化学组分的质量浓度。不同CV-ToF-ACSM测量的NR-PM2.5总浓度与各化学组分浓度高度相关(R2＞0.90)，且与其他仪器测量结果具有很好的一致性(R2＞0.60);与配备传统标准蒸发器(SV)的气溶胶质谱相比，CV-ToF-ACSM的无机及有机碎片受更长时间热解的影响会显著朝着更小碎片离子的方向移动。尽管CV上存在额外的热解，但不同类型一次有机气溶胶的特征碎片在CV上依然可以发挥源示踪的作用。各一次源在CV上的谱图都具有独特的特征，同类源之间的相关性大于不同源之间的相关性;各一次源在SV上的特征碎片，例如餐饮有机气溶胶(COA)的f55，生物质燃烧有机气溶胶(BBOA)的f60，以及燃煤有机气溶胶(CCOA)上的多环芳烃碎片信号，在CV上依然有所保留，尽管信号在CV中有所降低。典型碎片的比例(如f55/f57，f44/f60)在CV上发生了变化，但碎片间关系的变化趋势依然与SV保持一致。因此，有机物谱图虽然发生了改变，但CV-ToF-ACSM在污染地区依然具有有效识别有机物来源的能力。不同CV-ToF-ACSM通过PMF源解析模型均能解析出与SV-AMS相对应的因子，各因子谱图和时间序列在不同仪器之间具有很好的一致性(R2＞0.71)，但各有机因子质量浓度在不同仪器间仍存在一定差异，造成这一不确定性的原因仍需进一步研究。
北京和固城PM2.5的来源组成与变化特征具有显著的区别。在北京夏季，二次无机气溶胶(SIA)主导着PM2.5(52％)，二次有机气溶胶(SOA)是有机气溶胶的主要来源(81％)，而在固城冬季，有机物主导着PM2.5(49％)，一次有机气溶胶(POA)是有机气溶胶的主要来源(66％)，其中生物质燃烧有机气溶胶贡献高达32％。借助于CV-ToF-ACSM，我们还深入研究了北京和固城PM1和PM2.5在不同污染条件下的化学组成差异。研究发现，在两个地区湿度较低的时段，PM1与PM2.5具有一个比较稳定的比值，化学组成也非常类似，而在湿度较高的时段，粒径介于1-2.5μm的颗粒物质量浓度会显著增加，导致PM1/PM2.5比值显著降低，化学组分也开始出现较大差异，特别是PM2.5中的SIA和SOA贡献呈现显著增加，这主要是由于不同组分的吸湿性导致的粒子增长不同所导致。北京夏季颗粒物的吸湿增长主要发生在污染时段的夜间，主要是SIA缓慢增长，而固城冬季颗粒物的吸湿增长往往伴随着雾的过程，SIA和SOA等会被迅速活化长大。
论文最后还进一步拓展了有机气溶胶源解析方法，建立了基于黑碳区分和定量城市机动车和烹饪排放的一次有机气溶胶的示踪方法。该方法估算的COA质量浓度与PMF/ME-2及m/z示踪法估算的COA高度吻合。该方法有效地解决了四极杆类型气溶胶质谱在城市夏季无法区分机动车和餐饮的的问题，对提高城市地区夏季有机气溶胶的源解析具有重要意义。研究结果发现，COA在全球范围内均是城市OA的重要的来源。尽管亚洲地区的中国和印度排放的COA浓度显著高于北美和欧洲地区，但在总有机气溶胶中的贡献却相当，平均为15.5-20％。