北京和邢台新粒子生成的差别及其对CCN 活性的影响

高颖 王玉莹 李占清 金筱艾 王靖凌 胡嵘 曾思琪 张睿 陈曦 许嘉璐

1 南京信息工程大学大气物理学院中国气象局气溶胶—云—降水重点开放实验室, 南京 210044

2 马里兰大学大气与海洋科学系, 美国马里兰州大学园 20740

3 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院, 北京 100082

1 引言

大气气溶胶是指悬浮在大气中的液态和固态微粒组成的多相悬浮体系，具有明显的环境效应，不仅能影响大气能见度，也会对人类身体健康造成危害（Zellner, 2000）；此外，气溶胶也具有气候效应，可以通过吸收和散射太阳辐射直接改变地球大气层系统的辐射平衡，也可以作为云凝结核改变云的微物理特性，从而间接改变大气层系统的辐射平衡（牛 生 杰 等, 2001; Lohmann, 2007; 石 广 玉 等,2008; Myhre and Shindell, 2014）。气溶胶的物理、化学特性十分多样复杂，其中气溶胶粒子数浓度尺度谱分布（Particle Number Size Distribution，简称PNSD）是气溶胶最基本的物理特性，结合气溶胶化学组分、吸湿和活化等特性的观测结果，可用于研究和分析气溶胶的来源和分析新粒子生成及增长速率、气溶胶光学特性和云凝结核活化率等科学问题（Wang et al., 2013, 2018a; Peng et al., 2014;Zhang et al., 2017; Schmale et al., 2018）。

新粒子生成（New Particle Formation，简称NPF）事件是指大气中过饱和蒸汽成核形成分子簇（最初生成的颗粒物），并通过凝结、碰并等过程长大到可观测到的粒子的现象（Kulmala et al.,2013; Chu et al., 2019）。NPF 事件作为气溶胶的一个重要来源，对于区域空气污染的形成和全球气候变化都具有十分重要的意义（Lee et al., 2019）。岳玎利等（2015）的研究发现，NPF 发生时的气象条件往往是高温、低湿、强辐射、高风速。先前的许多研究表明NPF 事件在相对清洁的环境下常常发生，这是由于在清洁环境下前体微粒浓度较低，原有粒子的碰并及凝结作用较弱，使得过饱和蒸汽更容易成核从而形成新的粒子。然而，在我国重污染地区，尽管既有颗粒物浓度高（碰并清除新粒子和竞争可凝物质，抑制NPF；Cai et al., 2017），但NPF 事件也可以频繁发生，原因是高污染地区的气态前体物浓度较高并且二次可凝物质的生成也较快（促进NPF）（Wang et al., 2017b, 2018a）。

新粒子生成及增长在气溶胶的气候效应中扮演着重要角色，对于大气气溶胶化学组分、光学特性、吸湿性和云凝结核都有重要的影响（沈小静,2012）。Yue et al.（2011）的研究表明，NPF 事件是 云 凝 结 核（Cloud Condensation Nuclei，简 称CCN）的重要来源，NPF 事件发生后，CCN 数浓度有显著增加。de España et al.（2017）对维也纳城市背景下两年的气溶胶粒子数浓度谱分布和CCN 数浓度进行了分析，发现在539 个观测日里，有70 天发生了NPF 事件，其中有14 天NPF 事件对CCN 数浓度（在过饱和度为0.5%时测量得到）具有重要的贡献，使CCN 浓度增长到NPF 发生前的143%。由此可见NPF 事件对CCN 数浓度的影响在不同地点不同时间具有不同的表现，量化此影响对于改进气溶胶参数化方案、提高气溶胶间接气候效应准确性具有重要意义，这就需要对NPF 事件发生过程中气溶胶理化特性进行综合观测和分析。气溶胶吸湿性描述了在亚饱和及过饱和条件下气溶胶与水汽的相互作用，是气溶胶生命周期、活化能力以及气溶胶直接和间接气候效应的重要参数（Swietlicki et al., 2008; Tao et al., 2012; Bian et al.,2014; Wang et al., 2018b）。亚微米气溶胶中吸湿性物质的化学组分主要由硫酸盐、硝酸盐、铵盐和二次有机物等组成，而非吸湿性气溶胶则主要由黑碳和一次有机物等组成（刘新罡和张远航, 2010; 王玉莹, 2019），吸湿性气溶胶比非吸湿性气溶胶更易活化形成CCN。之前的研究表明CCN 的活化能力主要由气溶胶粒子的粒径、混合状态和化学组分这三个基本参量所决定（王玉莹, 2019）。

目前，我国新粒子生成研究主要依靠短期科学实验，缺乏长期的综合观测，尤其是气态前体物和新粒子增长后化学组分、吸湿性、活化性等关键参数 的 测 量（胡 敏 等, 2016; Li et al., 2019; 李 占 清,2020）。华北平原（North China Plain，简称NCP）是世界上人为污染最严重的地区之一，气溶胶气态前体物的高排放和较强的大气氧化性使得该地区NPF 事件频发，对该地区大气颗粒物的浓度产生了重要影响，促使该地区雾霾的形成及发展，新形成和增长后的气溶胶粒子可能也会对该地区的云微物理性质和降水量产生影响（Ma et al., 2016）。

本研究通过完整的气溶胶理化性质观测系统，在华北平原的北部的北京站点和中南部的邢台站点开展了三次外场观测实验，从北京冬季观测中挑选出三次典型的新粒子生成事件（2016 年11 月21 日、22 日和27 日），从北京夏季观测中挑选出三次典型的新粒子生成事件（2017 年5 月25 日、6 月1 日和2 日），以及从邢台五月的观测中挑选出四次典型的新粒子生成事件（2016 年5 月15 日、22 日、24 日和26 日）进行研究。由于邢台站点五月中下旬的气象条件已接近于夏季，所以本文将邢台站点的观测时间所在季节也定义为夏季。本文对比三次外场观测实验中新粒子生成事件发生的强度的区别，结合气溶胶化学组分等观测资料，进一步对比分析了华北平原地区不同季节、不同站点的新粒子生成特征的差别以及其对气溶胶吸湿和CCN活化特性的影响。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

北京位于华北平原地区北部，地势西北高、东南低，西、北、东北部三面环山，东南部为平原。北京的气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。北京市城市化水平高，污染排放源以居民生活排放（交通和烹饪）为主。北京观测站点位于北京市区北三环附近的中国科学院大气物理研究所铁塔分部（39°58'N，116°22'E；海拔49 m），站点周围人口稠密，为典型的超大城市中心站点。

邢台市位于河北省南部，华北平原地区中南部，太行山的东部，境内地势高度差大，西高东低（见图1）。该市工业化程度高，主要的工业包括煤电厂、钢铁厂、玻璃厂和水泥厂，弱扩散条件和重工业排放使得该地大气气溶胶和气态前体物浓度常年较高，雾霾天气频发。邢台观测站点位于邢台市西北部郊区的国家气象站（37°11'N，114°22'E；海拔180 m），距离邢台市区西南方向约17 km，该站点是典型的重污染工业化站点（Wang et al.,2018a）。

图1 北京（BJ）、邢台（XT）观测站点在地形高度图中的位置Fig. 1 Locations of Beijing (BJ) and Xingtai (XT) sampling sites in the topographic elevation map

2.2 仪器和分析方法

2.2.1 仪器介绍

本研究使用了一整套气溶胶理化特性观测仪器，包括美国TSІ 公司研制的扫描电迁移率粒径分析仪（Scanning Mobility Particle Sizer，简 称SMPS），该仪器可以测量斯托克斯（Stokes）粒径为10～600 nm 之间的气溶胶粒子数浓度尺度谱分布（PNSD；王玉莹, 2019）。三次观测实验中的SMPS时间分辨率均设置为5 min。本研究中将气溶胶粒子按粒径大小分为三种模态：15～40 nm 粒径范围内为核模态；40～100 nm 粒径范围内为爱根核模态；100～600 nm 粒径范围内为积聚模态。

北京站点气溶胶化学组分的观测使用的仪器是美国Aerodyne 公司制造的高分辨率气溶胶质谱仪（Aerosol Mass Spectrometer，简称AMS），邢台站点使用的是气溶胶化学组成在线监测仪（Aerosol Chemical Speciation Monitor，简称ACSM；王玉莹, 2019）。AMS 和ACSM 可实时测量粒径小于1 μm的颗粒物（PM1）的化学组分，得到PM1中有机物（Org）、硫酸盐（SO42-）、硝酸盐（NO3-）、铵盐（NH4+）和氯盐（Cl-）的质量浓度信息，此外，AMS 还可以同时测量不同粒径气溶胶的化学组分。三次观测的PM1中黑碳（BC）气溶胶的观测均使用美国Magee 公司生产的黑碳仪（型号：AE-33）进行测量。

气溶胶吸湿特性观测使用吸湿性串联差分电迁移率分析仪（Hygroscopicity Tandem Different Mobility Analyzer，简称H-TDMA），该仪器能够测量不同粒径气溶胶（本研究测量的是粒径分别为40、80、110、150 和200 nm 的气溶胶）在高湿条件下（一般设置为90%）的吸湿性增长因子（growth factor，记为Gf）。Wang et al.（2017a） 对H-TDMA 的工作原理进行了详细的介绍。云凝结核活化特性则由本文作者自主搭建的分粒径云凝结核测量系统（SMPS-CCNc）测量得到，该系统主要由前文所述的SMPS 及美国DMT 公司生产的云凝结核计数器（Cloud Condensation Nuclei counter，简称CCNc）组成，可以测量不同过饱和度条件下不同粒径气溶胶粒子的活化能力，通过反演可得到不同过饱和度条件下气溶胶的活化率曲线（Zhang et al., 2017; 王玉莹, 2019），由活化率曲线结合气溶胶粒子谱的测量结果，可以计算得到不同过饱和条件下CCN的数浓度（Ren et al., 2018）。

2.2.2 气溶胶吸湿性参数的计算

根据κ-Köhler 理论，气溶胶吸湿性可用气溶胶吸湿性参数（κ）进行描述（Petters and Kreidenweis,2007）。根据测量仪器的差异，κ的计算公式可以有多种。本文中所使用的κ基于H-TDMA 的测量结果进行计算：

2.2.3 粒子增长速率的计算

本研究中气溶胶粒子增长速率（Growth Rate，记为Gr）的计算公式如下：

其中，Dp为气溶胶浓度最大值所对应的粒径（单位：nm）；Dp1和Dp2分别是时间为t1和t2所对应的最大浓度粒径。Gr的单位设为nm h-1。新粒子的增长速率定义为核模态粒子在一定时间Δt内的增长速率，是描述新粒子生成的一个关键参数。

2.2.4 凝结汇的计算

凝结汇（Condensation Sink，记为Cs）描述的是可凝结蒸汽凝结到已存在的大气颗粒表面上的速度，本研究中凝结汇的计算公式如下：

3 结果与分析

3.1 新粒子生成事件的对比

新粒子生成事件发生时，核模态气溶胶粒子数浓度首先爆发性增加，当核模态粒子逐渐增大到爱根核模态粒径范围时，爱根核模态粒子数浓度也开始增多并逐渐过渡到积聚模态，在此期间粒子凝结汇和碰并汇会慢慢增大，凝结和碰并作用使得积聚模态粒子数浓度上升而核模态的增长受到抑制（沈小静, 2012），于是PNSD 的日变化图在新粒子生成期间呈现出明显的“香蕉型”变化特征，从图2a-c 可以看出三次观测实验中NPF 事件发生时PNSD 的日变化均有此特征，其中邢台夏季PNSD的这一变化特征尤其明显。从图2a-c 还可以看到三次观测实验的最大浓度粒径（在图中用黑色原点标出）分别于12:00（北京时，下同）左右、10:00左右和11:00 左右突然降低，在此之前，15～40 nm粒径范围内的超细粒子总数浓度已有明显升高（图2d-f）。紧随其后，伴随着粒子的碰并、凝结增长，最大浓度粒径渐渐增大，这进一步验证了新粒子生成事件的发生。

图2 北京2016 年冬季（左列）、北京2017 年夏季（中间列）和邢台2016 年夏季（右列）三次观测实验新粒子生成事件中的（a–c）气溶胶数浓度尺度谱（PNSD）的日变化、（d–e）三种模态粒子数浓度（N，单位：cm-3）和（g–i）凝结汇（Cs）的日变化Fig. 2 Diurnal variations of (a–c) aerosol particle number size distribution (PNSD), (d–e) aerosol number concentration (N, units: cm-3) in three modes, and (g–i) condensation sinks (Cs) during the selected new particle formation (NPF) events in the three experiments in Beijing winter 2016 (left column), Beijing Summer 2017 (middle column) and Xingtai summer 2016 (right column)

新粒子的生成受较多条件（气态前体物浓度、大气氧化性、气象条件等）影响，使得不同站点、不同季节NPF 事件的生成强度会有明显区别。从图2a-c 可以看出，北京冬季和邢台夏季的新粒子生成事件比北京夏季强烈得多，主要表现为新形成的气溶胶数浓度更高（图2d-f）。在夏季光照强烈的情况下，对比邢台和北京的新粒子生成事件，发现邢台的新粒子生成事件强度更大，积聚模态粒子数浓度增长得更多（图2e-f），但粒子尺度增长速率较北京夏季更低（表1）。这是由于邢台站点重工业污染物排放量较大，大气气溶胶的气态前体物浓度较高，为新粒子生成和增长提供了有利条件（Wang et al., 2018a; Zhang et al., 2018），但另一方面因为该站点粒子凝结汇较强（Cs值较大，图2i），新粒子的增长速率却较低。由此可见，华北平原地区不同区域由于受不同排放源的影响，NPF 事件的发生强度会有明显区别。

表1 三次观测实验新粒子生成事件中的粒径增长速率Table 1 Aerosol growth rates ( Gr) in selected NPF events during the three experiments

从图2d-e 还可以看出北京冬季观测期间NPF事件产生的核模态（粒径范围为15～40 nm）气溶胶粒子数浓度要比北京夏季大得多，新粒子生成事件强度也较大，这可能是由于北京冬季居民取暖等排放增多，且静稳的天气条件更有利于气溶胶气态前体物的积聚，使得NPF 事件发生时能够产生更多的新粒子，但由于冬季粒子凝结汇作用较强而光化学反应较弱，使得北京冬季的粒子增长速率较低（表1）。北京夏季气温较高，高温使得挥发性组分不易凝结成为纳米级尺寸的粒子，核化速率较低，同时，夏季更高的混合层使得粒子数浓度进一步降低，又由于北京夏季光照较强，强烈的光化学反应生成的物质容易凝结在已存在的颗粒物上，因此，北京夏季新粒子生成强度较弱而粒子增长速率较大（表1）。

3.2 气溶胶化学组分的对比分析

气溶胶的化学组分可以在一定程度上反映气溶胶的来源以及老化过程，此外，气溶胶化学组分信息也有助于分析气溶胶的吸湿和云凝结核活化特性（王明星等, 1981）。污染排放是影响气溶胶化学组分的重要因素，北京站点为典型的城市背景站点，污染排放源主要为人类生活排放（如交通、烹饪等；张仁健等, 2000; 王丽丽等, 2009），而邢台站点周围分布着大量燃煤企业，除居民的生活排放外，工业排放也同样不可忽视。

图3a 显示了三次观测实验中NPF 事件发生日PM1中的气溶胶化学组分质量浓度的平均日变化曲线，图3b 和图3c 为对应的各类化学组分质量占比的平均日变化以及各类化学组分的平均质量占比。从图中可以看到在三次观测中各类化学组分质量浓度在夜间要高于白天，其中有机物质量浓度的日变化特征尤其明显。有机物的质量浓度在18:00～22:00 之间会达到一个峰值，这可能与居民晚高峰期间交通和烹饪等生活的集中排放有关，并且由于傍晚大气混合层高度开始降低，夜间混合层高度明显低于白天，使得有机气溶胶在夜间明显积聚（Wang et al., 2018a）。北京冬季观测到的气溶胶化学组分的日变化特征较其他两次观测则更加明显，夜间各类化学组分质量浓度明显高于白天，造成这一现象的原因有以下几点：（1）北京冬季夜间相对湿度高，液相化学反应强烈，促使夜间二次气溶胶的快速生成；（2）北京冬季夜间的边界层稳定，高度较低，较低的大气容量更有利于污染物的积聚；（3）北京市区大卡车在夜间通行量增加，直接排放的污染物明显增多（表现为黑碳质量浓度和占比的明显增加）。三次观测实验中新粒子生成事件都发生在白天，新粒子生成事件的发生是由二次气溶胶的生成引起的，因此可以通过调查白天气溶胶化学组分的变化特征以确定主导新粒子生成及增长的化学成分。从气溶胶化学组分质量占比的平均日变化（图3b）情况来看，北京冬季的有机物质量占比在白天显著增加，表明北京冬季的新粒子生成事件可能主要由二次有机物的生成主导。北京夏季的情况则与冬季明显不同，在白天新粒子生成时，有机物和硫酸盐质量浓度都有所增加，说明北京夏季的新粒子生成事件由有机物、硫酸盐共同主导，这与Chen et al.（2019）的模拟结果相一致。此外，图3b 还表明北京夏季白天硝酸盐质量占比也有所增加，这说明硝酸盐在新粒子的增长过程中也起到一定的促进作用，Sun et al.（2015）的研究表明夏季高湿环境有助于硝酸盐的液相生成。在邢台站点夏季白天NPF 事件发生时 ，硫酸盐和有机物质量占比也同时增加，这说明邢台夏季的新粒子生成事件也由硫酸盐、有机物共同主导，这与Du et al.（2021）的模拟结果相似，说明夏季NPF 事件的发生具有区域性特征。然而，对比三次观测实验中各类化学组分的平均占比（图3c），可以发现邢台夏季硫酸盐在PM1中的平均质量占比明显高于北京冬、夏季的观测结果，这表明硫酸盐的生成在邢台夏季新粒子生成和增长过程中起到关键作用。

图3 北京冬季（左列）、北京夏季（中间列）和邢台夏季（右列）三次观测实验新粒子生成事件中的气溶胶化学组分质量浓度的平均日变化（第一行），各类化学组分质量占比的平均日变化（第二行）以及各类化学组分的平均质量占比（第三行）。图例中给出的分别为有机物（Organic，简称Org）、硫酸盐（Sulfate，简称SO4）、硝酸盐（Nitrate，简称NO3）、铵盐（Ammonium sal，简称NH4）、氯盐（Chloride salt，简称Chl）和黒碳（Black carbon，简称BC）Fig. 3 Diurnal variations of the mass concentrations (top line) and mass fractions of aerosol chemical compositions (second line); the mass fractions of aerosol chemical compositions (bottom line) during the selected new particle formation (NPF) events in the three experiments in Beijing winter(left), Beijing Summer (middle) and Xingtai summer (right). The legend shows organic matter (Org), sulfate (SO4), nitrate (NO3), ammonium salt(NH4), chloride (Chl) and black carbon (BC)

通过图3，结合图4 还可以看出邢台站点夏季的有机物（Org）和硫酸盐（SO42-）质量浓度明显高于北京站点冬季和北京站点夏季，这与邢台站点附近较强的工业排放有关。邢台站点周围分布着大量玻璃、水泥、煤电、钢铁、化工和焦化等企业，这些企业在燃煤过程中排放了大量二氧化硫（SO2）和挥发性有机物（VOCs），夏季强烈的光化学反应使SO2、VOCs 转化为硫酸盐和二次有机物，导致邢台夏季新粒子生成事件频发，而硫酸盐属于亲水性化学组分，所以新粒子生成后更容易吸湿长大到爱根核模态甚至到积聚模态。从图4 还可以看出，北京冬季有机物及各类无机物的质量浓度均高于夏季，但冬季的黑碳气溶胶质量浓度较夏季低。Sun et al.（2015）和Hu et al.（2016）的研究同样发现北京有机物和无机物的浓度在冬季要明显高于夏季，并指出这是由于冬季煤燃烧等一次排放增多和由此导致的二次污染物生成增强共同导致的。

图4 三次观测实验新粒子生成事件中的细粒子（PM1）气溶胶化学组分质量浓度对比Fig. 4 Comparison of the mass concentrations of aerosol chemical compositions in PM1 (the particulate matter with diameter less than or equal to 1 μm) during the selected new particle formation (NPF) events in the three experiments.

由以上的分析可知，三次观测实验中NPF 事件发生日气溶胶化学组分的变化特征存在显著差异，结果表明不同季节、不同站点的新粒子生成及增长过程中的气溶胶化学组分存在显著差异，这势必会对气溶胶的吸湿、活化特性产生不同的影响。

3.3 气溶胶吸湿和活化特性的对比分析

由图5a 可以看出，新生成的粒子（以40 nm为例）的吸湿性参数κ在不同观测实验中具有明显不同的日变化特征，而κ值的大小与气溶胶的化学成 分 息 息 相 关（Petters and Kreidenweis, 2007），由κ值的日变化特征可以进一步判识不同观测实验中主导新粒子生成和增长的化学组分（Ma et al.,2016）。研究表明吸湿性较低的气溶胶化学组分主要以黑碳、有机物以及它们的混合物为主，而吸湿性较强的气溶胶则主要来源于二次形成或一次排放的颗粒物的老化（Wang et al., 2019）。二次有机气溶胶的κ值一般在0.2 左右，而无机盐中硫酸盐的κ值在0.5 左右，硝酸盐的κ值大于0.5（Petters and Kreidenweis, 2007）。

从图5a 还可以看出北京站点不论冬季、夏季，40 nm 粒子的κ日变化都不明显，其中，在冬季，40 nm 粒子的κ值稳定在0.2 左右，在夏季，40 nm粒子的κ值稍高于0.2，这一结果进一步说明了北京站点NPF 事件中新粒子的生成主要由低吸湿性的二次有机物主导。邢台站点40 nm 气溶胶粒子的吸湿性日变化特征与北京站点有显著差异，κ值在白天明显增大，最高值在0.5 左右，这也进一步表明邢台夏季新粒子生成事件中，吸湿性较强的硫酸盐发挥了重要作用，然而在邢台夏季气溶胶化学组分质量浓度日变化中硫酸盐在白天的增加并不十分明显（图3b），这是因为图3b 中显示的是PM1的化学组分质量浓度，由于核模态粒子质量浓度远低于积聚模态，使得PM1的化学组分变化特征主要体现了积聚模态粒子化学组分变化特征，难以体现核模态粒子（如：40 nm 粒子）化学组分的变化特征。

图5 北京冬季（左列）、北京夏季（中间列）和邢台夏季（右列）三次观测实验新粒子生成事件中的吸湿性参数（κ）日变化（第一行）和不同过饱和度（SS）下CCN 数浓度日变化（第二行）Fig. 5 Diurnal variations of aerosol hygroscopicity parameters (top line) and CCN number concentrations at different supersaturation (SS) levels(bottom line) during the selected new particle formation (NPF) events in the three experiments in Beijing winter (left), Beijing Summer (middle) and Xingtai summer (right)

除40 nm 粒径的气溶胶粒子以外，其他粒径（80～200 nm）的气溶胶粒子都表现出类似的吸湿性日变化特征（图5a）。80～200 nm 气溶胶粒子的κ值在傍晚时分明显下降，这是由于居民生活（交通和烹饪）排放了大量吸湿性较弱的粒子（以一次有机物和黑碳气溶胶为主）。另外，受强烈的光化学反应影响，夏季气溶胶吸湿性的日变化较冬季更加剧烈。图6a 直接对比了三次观测中不同粒径气溶胶的κ值，80～200 nm 的气溶胶粒子的平均κ值在北京夏季最低，在邢台夏季最高，这和前面图3 和图4 所提供的PM1化学组分信息具有较好的一致性：北京夏季吸湿性较弱的有机物和黑碳等化学组分质量占比较大，而吸湿性强的无机盐质量占比最小；邢台夏季吸湿性强的硫酸盐质量浓度较高，吸湿性无机盐总体质量占比相较于北京冬夏两次观测大得多。从图6a 还可以看出，北京站点的气溶胶吸湿性随着粒径的增大而增强，这与粒子的老化程度有关，一般情况下，粒径大的粒子老化程度更高；此外，北京冬季40 nm 粒子的κ值显著低于其他粒径的κ值和夏季观测到的40 nm 粒子的κ值，由此可以说明新粒子生成主导化学组分的季节性差异。新粒子生成和增长强度及吸湿性的差异势必会对CCN 数浓度造成不同的影响。

图5b 展示了三次观测实验期间NPF 发生时CCN 数浓度的平均日变化特征，可以看出，NPF事件刚开始发生时，所有过饱和度条件下的CCN数浓度值均较低，新粒子生成并开始增长后（10:00 之后），CCN 数浓度逐渐增大，并于傍晚达到一个最大值，其中高过饱和度（0.40%～0.76%）条件下的CCN 数浓度增长最为明显。

CCN 数浓度的增强因子被定义为新粒子生成事件发生的过程中CCN 数浓度的最大值与最小值的比值（Wu et al., 2017），图6b 对比了三次观测实验中不同过饱和度下的CCN 数浓度增强因子，这些增强因子代表了NPF 对CCN 影响的上限，因为在计算CCN 时，先前就存在的CCN 数浓度没有被减去。从图6b 中可以看到，在过饱和度最低时，CCN 数浓度增强因子最小，随着过饱和度逐渐增加，CCN 数浓度增强因子逐渐增强，在过饱和度达到0.70%以上时，CCN 数浓度可以增多到原来的2.5 倍以上，这验证了NPF 对CCN 数浓度有较大影响，且过饱和度越高，气溶胶粒子所对应的活化粒径越小，CCN 数浓度越容易受到NPF 事件的影响。从图6b 还可以看出三次观测中CCN 数浓度的增强因子也存在差异。总体来看，邢台夏季的CCN 数浓度增强因子要高于北京的两次观测，这可能是因为由硫酸盐主导生成的新粒子更易活化成为CCN；北京夏季和冬季的CCN 数浓度增强因子的对比在不同过饱和度条件下具有不同的特征，这可能是因为北京两个季节的观测中主导NPF 事件的气溶胶化学组分的整体变化较小，新粒子生成都主要由二次有机物的生成主导，CCN 数浓度受其他因子（如粒子尺度、混合状态）影响较大，加上当地扩散条件和远距离输送的作用，使得CCN数浓度的变化更加复杂。

图6 三次观测实验中新粒子生成事件中（a）不同粒径粒子的吸湿性参数和（b）不同过饱和度（SS）下CCN 数浓度增强因子的对比Fig. 6 Comparisons of (a) hygroscopicity parameters and (b) enhancement ratios of CCN number concentrations at different supersaturation (SS)levels during the selected new particle formation (NPF) events in the three experiments

4 结论

华北平原是我国人为污染最严重的地区之一，含有丰富的气态前体物，NPF 事件的出现频率高，对颗粒物浓度的影响明显，而高浓度的气溶胶粒子可能对云的微物理性质和降水量产生影响。本研究通过完整的气溶胶理化性质观测系统，从华北平原的邢台站点和北京站点开展的三次外场观测实验中选取出典型的新粒子生成事件进行化学组分、吸湿性以及云凝结核活性的分析，主要发现如下：

（1）三次观测实验都发现了新粒子生成事件的发生，邢台站点夏季的新粒子生成事件最为频繁，强度最大，积聚模态气溶胶粒子的数浓度也最大，这是由于邢台站点污染排放强度大，大气氧化性强，有利于新粒子的生成以及增长。北京夏季的新粒子生成事件的强度低于冬季，是由于夏季高温下，新形成的粒子易分解而不易长大，而冬季居民取暖造成的排放增多，污染天气更严重，边界层高度低，所以新粒子生成事件更加频繁且明显。

（2）三次观测实验的化学组分质量浓度的日变化主要与工厂排放、居民生活排放以及气象条件有关，对化学组分的研究中发现北京冬季的新粒子生成事件主要由二次有机物主导，北京夏季的新粒子生成事件则由有机物、硫酸盐共同主导，此外，硝酸盐的贡献也不可忽略，邢台夏季的新粒子生成事件也主要由硫酸盐和有机物主导，其中，硫酸盐发挥的作用明显强于北京冬夏季。

（3）对于40 nm 粒径粒子的吸湿性分析进一步验证了（2）中的结论，北京的新粒子生成事件中，低吸湿性的有机物的贡献最大，邢台站点的新粒子生成事件中，吸湿性高的硫酸盐的贡献不可忽视。

（4）新粒子生成对CCN 数浓度有明显的影响，三次观测实验都观测到CCN 数浓度在新粒子生成后有所增大，在过饱和度较高的情况下，增大尤为明显。总的来说，邢台站点夏季吸湿性粒子多，CCN 数浓度增强因子也大，而北京站点低吸湿性的有机物和黑碳成分占比高，CCN 数浓度增强因子相对较小。

致谢本文所用数据来源于我国华北平原地区开展的三次外场科研实验，分别是在邢台站点开展的“大气—气溶胶—边界层—云相互作用”综合观测实验（A2BC），以及在北京站点开展的“中国超大城市大气污染及其对人体健康的影响”（APHH-Beijing）的冬季和夏季观测实验，在此感谢观测人员在实验观测期间的辛勤付出。