應(yīng)用案例

Picarro G2103（ES&T ? 應(yīng)用Picarro G2103揭秘城市大氣氨濃度的早高峰）

發(fā)表時(shí)間：2024-04-17

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不管是煙霧箱實(shí)驗(yàn)還是數(shù)值模擬，高濃度氨氣對(duì)PM2.5污染的影響都已被證實(shí)。然而，由于測(cè)量數(shù)據(jù)的缺乏，我國大氣氨濃度的時(shí)空變化特征依然不是十分清楚。中科院大氣物理研究所研究員潘月鵬團(tuán)隊(duì)在環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊ES&T上發(fā)表的最新文章，應(yīng)用Picarro G2103高精度氨氣分析儀揭示了城市大氣氨濃度的日變化特征，并對(duì)其來源進(jìn)行了追蹤。相關(guān)研究結(jié)果對(duì)從事全球氮循環(huán)、大氣污染、氨氮沉降等監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的專家學(xué)者具有借鑒意義。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1021/acs.est.1c05884

研究概述

我國氨氣（NH₃）排放量居全球之首，超過了歐洲和北美之和。高濃度的NH₃是造成我國城市霾污染的關(guān)鍵前體物，通過大氣傳輸和干濕沉降也會(huì)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。我國正在制定相關(guān)減排政策，準(zhǔn)確開展NH₃測(cè)量是重中之重。

NH₃在大氣中的停留時(shí)間很短，其日變化特征明顯。以往在農(nóng)田或者草地的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，NH₃在早晨7-10點(diǎn)常出現(xiàn)一個(gè)峰值。但以往的觀測(cè)資料主要是在某個(gè)季節(jié)，全年連續(xù)的測(cè)量數(shù)據(jù)非常少，這使得我們難以判斷NH₃早高峰是否普遍存在，尤其是在大氣污染嚴(yán)重的城市地區(qū)。

觀測(cè)地點(diǎn)

中國科學(xué)院大氣物理研究所某辦公樓頂，位于北京市中心以北，三環(huán)和四環(huán)之間，周邊每天的交通量約為10萬輛，交通流量從05:00開始迅速增加，在上午11:00左右達(dá)到峰值。

潘月鵬研究員團(tuán)隊(duì)使用Picarro公司在線光學(xué)法測(cè)量儀器G2103對(duì)NH₃濃度日變化進(jìn)行一整年的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)北京大氣環(huán)境中NH₃早高峰是一種普遍現(xiàn)象：一年中共有267天出現(xiàn)NH₃濃度早高峰，出現(xiàn)頻率為73.0%。特別是在冬季，不僅NH₃濃度早高峰出現(xiàn)的頻率大，濃度的增長速度也很快，漲幅超過了20%，是NH₃濃度早高峰最為典型的季節(jié)。

圖1. NH₃早高峰的出現(xiàn)頻率和濃度的增幅

為了研究冬季NH₃濃度早高峰，該研究還同時(shí)使用傳統(tǒng)的濕化學(xué)方法（ChemComb 3500采樣系統(tǒng)）測(cè)量了NH₃的日變化特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ChemComb與Picarro光學(xué)法測(cè)量的NH₃濃度日變化特征相似，均與機(jī)動(dòng)車流量日變化特征一致。觀測(cè)期間，Picarro和ChemComb測(cè)量的NH₃濃度分別為15.9 ± 12.5和14.1 ± 7.5 μg m^−3，沒有顯著性差異。這一結(jié)果證實(shí)了光學(xué)儀器測(cè)量結(jié)果的可靠性。

圖2. Picarro和ChemComb

觀測(cè)NH₃濃度時(shí)間序列對(duì)比

該研究最后還提取了冬季樣品中的NH₄+，使用離子色譜法（ICS-90, Dionex Corporation, Sunnyvale, CA）測(cè)定了NH₄+濃度。隨后，基于自主發(fā)展的化學(xué)測(cè)量方法，在中國科學(xué)院應(yīng)用生態(tài)研究所穩(wěn)定同位素生態(tài)實(shí)驗(yàn)室通過同位素比率質(zhì)譜儀（IsoPrime100，IsoPrime limited，英國）測(cè)定分析NH₄+的δ¹⁵N值。同位素?cái)?shù)據(jù)確認(rèn)了機(jī)動(dòng)車排放對(duì)NH₃濃度早高峰的貢獻(xiàn)高達(dá)40%，是需要重點(diǎn)管控的排放源。

研究意義

以往研究發(fā)現(xiàn)，早晨大量NH₃排放會(huì)導(dǎo)致HONO和氣溶膠硝酸鹽和硫酸鹽的爆發(fā)性增長，誘發(fā)霾污染。因此，精準(zhǔn)認(rèn)識(shí)NH₃濃度早高峰的來源對(duì)控制光化學(xué)和氣溶膠污染都有重要意義。本研究通過小時(shí)尺度同位素示蹤技術(shù)，完美再現(xiàn)了NH₃同位素的日變化特征，從一個(gè)新的視角解讀了北京冬季氨氣濃度早高峰的形成過程，發(fā)現(xiàn)了機(jī)動(dòng)車排放對(duì)NH₃濃度早高峰的重要貢獻(xiàn)，為城市大氣NH₃精準(zhǔn)減排提供了科學(xué)依據(jù)。

通訊作者簡介

潘月鵬，中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師。承擔(dān)國家級(jí)科研課題20余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文百余篇，獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)獎(jiǎng)4項(xiàng)，擔(dān)任6個(gè)期刊編委，入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。

個(gè)人主頁：

http://people.ucas.ac.cn/~panyuepeng

核心儀器介紹

Picarro G2103是一款高精度在線氨氣分析儀。其業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：

1. 低檢測(cè)限：該分析儀具有很高的靈敏度,其檢測(cè)下限在 ppt 級(jí)別。

2. 低漂移：一整月的連續(xù)工作中僅漂移了 ±0.5 ppb。

3. 低吸附快響應(yīng)：G2103 分析儀部件在重要的氣體過道上應(yīng)用了涂層( SilcoNert® )，這能減小氨氣 ( NH₃ ) 分子在過道表面上的吸附傾向性，加快測(cè)量的響應(yīng)時(shí)間并消除測(cè)量偏差。

響應(yīng)時(shí)間原始數(shù)據(jù)結(jié)果展示

4. 抗干擾氣：Picarro’s (CRDS) 光腔衰蕩光譜，在光譜中的相鄰氣體分子之間的高度選擇性，常見的揮發(fā)性有機(jī)化合物對(duì)氨氣測(cè)量沒有干擾 (Ref. Kamp et al. 2018, Atm. Meas. Tech.)

5. 水汽校準(zhǔn)：英國國家物理實(shí)驗(yàn)室對(duì) G2103 的獨(dú)立驗(yàn)證表明，G2103 分析儀可報(bào)告準(zhǔn)確的干摩爾分?jǐn)?shù)，適用于潮濕環(huán)境條件，無需校正水的影響

該圖顯示了 G2103 對(duì)一系列加濕（相對(duì)濕度= 60％）空氣樣品的線性行為，并準(zhǔn)確報(bào)告干摩爾分?jǐn)?shù)。（Ref. Martin et al., 2016, Appl. Phys. B）

6. 便攜性：該分析儀尺寸小，功耗要求低，可在幾分鐘內(nèi)進(jìn)行拆裝(無論是在實(shí)驗(yàn)室還是在野外)，操作簡便，運(yùn)行數(shù)月無需維護(hù)或消耗品。

Picarro氨氣分析儀性能卓越，大量實(shí)驗(yàn)室采用Picarro的CRDS技術(shù)測(cè)量NH₃：

MetNH3 - 歐洲環(huán)境空氣中氨的計(jì)量，ENV55 的聯(lián)合研究項(xiàng)目(JRP)
旨在開發(fā)用于測(cè)量空氣中氨的計(jì)量溯源性，從初級(jí)氣體混合物和儀器標(biāo)準(zhǔn)水平到現(xiàn)場(chǎng)水平。Picarro 是該項(xiàng)目的技術(shù)合作方
EMPA - 瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室
自2006年以來，Picarro G2103 分析儀在瑞士國家空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（Nabel）中使用，被認(rèn)為是NH₃報(bào)告的參考方法
AGROSCOPE - 瑞士農(nóng)業(yè)聯(lián)邦部
為了滿足與農(nóng)業(yè)相關(guān)的環(huán)境目標(biāo)（AEO），瑞士的氨（NH₃）總排放量必須減少約 40％。
NPL – 英國國家物理實(shí)驗(yàn)室
英國的國家測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，總部設(shè)在英國倫敦 Teddington 的 Bushy Park。是英國最大的應(yīng)用物理組織
PTB -德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院
Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB）是德國國家計(jì)量機(jī)構(gòu)， PTB 測(cè)量具有最高的準(zhǔn)確性和可靠性
METAS - 瑞士國家計(jì)量研究所
瑞士聯(lián)邦計(jì)量研究所（METAS）以必要的準(zhǔn)確度實(shí)現(xiàn)和傳播國際統(tǒng)一和認(rèn)可的計(jì)量單位。
INTEL – 英特爾公司
英特爾是全球最大，價(jià)值最高的半導(dǎo)體芯片制造商之一。Picarro 分析儀用于其半導(dǎo)體制造工廠
FMI - 芬蘭氣象研究所
當(dāng)前和預(yù)測(cè)條件，包括動(dòng)畫衛(wèi)星圖像，氣候統(tǒng)計(jì)和研究和定制服務(wù)說明
UBA Germany - 德國環(huán)境部
德國的主要環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)，UBA 的任務(wù)是確保同胞們擁有健康的環(huán)境，最大限度地保護(hù)他們免受空氣，水和其它污染物的侵害
NOAA - 美國國家海洋和大氣管理局
美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）是一個(gè)專注于海洋和大氣條件的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)

我國科研院所、高校及高新技術(shù)企業(yè)也應(yīng)用Picarro G2103 氨氣高精度分析儀進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究，包括但不限于以下單位：

國內(nèi)應(yīng)用Picarro G2103分析儀機(jī)構(gòu)不完全概況

Picarro G2103分析儀具體參數(shù)信息請(qǐng)點(diǎn)擊鏈接或發(fā)送“G2103”至任意以下郵箱獲?。?/p>

https://www.picarro.com/zh-hans/support/library/documents/g2103_analyzer_datasheet?language=zh-hans

韓工：hyx@cen-sun.com

陳工：chenxf@cen-sun.com

高工：gaoch@cen-sun.com

前一個(gè)：Picarro G2201-i/G2308（同位素分析儀結(jié)合高分辨率采樣揭示大堡礁CO?、CH?以及N?O的空間分布）
后一個(gè)：Picarro G2307（野火事件與大氣甲醛濃度變化）