对香港和上海空气中PM2.5颗粒物对氨和硝酸盐的敏感性进行比较分析后，发现化学因素和气象条件在其中起着不同的但同样重要的作用

《Atmospheric Research》：Comparative analysis in sensitivity of PM 2.5 mass to ammonia and nitrate availability between Hong Kong and Shanghai reveals comparative importance of chemistry and meteorology

基于香港和上海的小时级水溶性无机离子及气体监测数据，研究揭示了硫酸、硝酸盐、铵盐对PM2.5的贡献差异及气象调控机制。通过ISORROPIA-II模型分析发现，香港硫酸主导型大气中PM2.5对硝酸盐和铵盐均敏感，而上海低温高pH环境显著增强硝酸盐气-粒转化，需针对性实施协同控制策略。

　　

张子静|周敏|朱淑慧|王红丽|乔丽萍|黄丹丹|于建珍

香港科技大学环境与可持续发展系，香港九龙清水湾

摘要

近年来，硫酸盐含量的减少提高了硝酸盐和铵盐对PM_2.5的相对贡献，使得进一步减少PM_2.5的重点转向了这些半挥发性物质。这种关注点的转变使得理解气溶胶与颗粒物之间的分配过程变得至关重要，而这一过程受气溶胶pH值和温度的影响。通过使用香港和上海的每小时水溶性无机离子（WSII）及相关气体的测量数据，我们利用ISORROPIA-II方法确定了气溶胶的pH值和水分含量（AWC），并评估了PM_2.5质量对总硝酸盐（TNO₃ = HNO₃ + NO₃^?）和总氨（TNH₃ = NH₃ + NH₄⁺）的敏感性。在香港，硫酸盐是WSII的主要成分；而在上海，硝酸盐占主导地位。上海季节性温度较低（约6–9°C），加上较低的硫酸盐比例，导致气溶胶pH值比香港高出一个单位。上海较高的pH值和较低的温度有利于颗粒态硝酸盐的形成（ε(NO₃^?）较高），从而增加了PM_2.5对TNO₃的敏感性。我们的定量敏感性分析表明，在上海减少TNO₃与减少硫酸盐对PM_2.5的减少效果相当，而要有效减少TNH₃则需要超过40%的削减。与上海独特的化学和气象条件相匹配，香港的PM_2.5对TNH₃和TNO₃都表现出协同敏感性，这表明采取协同控制策略是最优的。气象条件主要通过改变气溶胶pH值和分配过程来调节这些敏感性。温度通过直接影响热力学平衡起到了最大的作用。较高的相对湿度有利于增加气溶胶的水分含量，进一步提高气溶胶pH值，从而促进硝酸盐的分配。化学组成，特别是硫酸盐和硝酸盐的水平，也通过设定初始化学状态起到了决定性作用。这种对比表明，上海较低的 temperature 和较高的气溶胶pH值放大了PM_2.5对TNO₃的敏感性，因此需要优先控制NO_x。在香港较温暖的气候条件下，较低的气溶胶pH值和硫酸盐的主导地位导致PM_2.5对这两种前体的敏感性增强，需要协调控制措施。因此，有效的PM_2.5减排策略需要根据当地的化学-气象条件进行定制。

引言

硫酸盐、硝酸盐和铵盐（SNA）是PM_2.5的关键次要无机成分，在中国的大城市中可能占PM_2.5质量的40%以上，这意味着减少SNA可以显著改善空气质量（Chen等人，2020；Chow等人，2022b；Huang等人，2014；Xu等人，2019）。中国的“空气污染防治行动计划”及相关措施显著降低了SO₂和NOx的排放，从而减少了PM_2.5并改变了气溶胶的组成（Zhang等人，2019）。例如，在香港，2013年至2017年间，PM_2.5和硫酸盐的浓度下降，而铵盐浓度保持稳定，硝酸盐浓度在2017年有所增加（Chow等人，2022b），导致硝酸盐和铵盐的质量占比上升。长江三角洲（YRD）也观察到了类似的趋势，2013年至2017年间SO₂和PM_2.5分别下降了约70%和27%，但硝酸盐和铵盐的浓度并未相应减少，反而增加了它们在PM_2.5中的占比（Zhai等人，2021；Zhang等人，2019）。因此，硝酸盐和铵盐已成为进一步减少PM_2.5的重点目标（Choi等人，2025；Dang等人，2024；Ma等人，2025；Marten等人，2024）。

铵盐作为颗粒气溶胶的关键成分，主要以硫酸铵和硝酸铵的形式存在，通常与硫酸盐相关。硝酸盐主要以硝酸铵的形式存在，在硝酸盐浓度较高的时期，铵盐成为主要成分（Griffith等人，2015；Ma等人，2025；Marten等人，2024）。硝酸盐和铵盐都是半挥发性物质，可以在颗粒相和气相之间分配（HNO₃–NO₃^? 和 NH₃–NH₄⁺）。它们的颗粒相比例（分别用ε(NO₃^? 和 ε(NH₄⁺ 表示）强烈依赖于气溶胶的pH值、温度和水分含量（AWC），并直接决定了它们对PM质量的贡献。例如，在ε(NO₃^?较高的条件下，新形成的HNO₃有更大比例转移到颗粒相，从而在TNO₃增加时加剧了PM的增长。

气溶胶的pH值是影响半挥发性物质气溶胶-颗粒分配的关键参数，从而直接影响PM质量对HNO₃和NH₃可用性的敏感性。此外，气溶胶的pH值还参与多种大气过程，如从前体气体SO₂和NOx形成二次无机气溶胶，以及通过酸催化反应形成二次有机气溶胶（Chow等人，2022；Li等人，2019；Pye等人，2021；Ying等人，2015）。由于气溶胶的pH值依赖于温度和相对湿度（RH）等气象条件，因此存在显著的空间和时间变化。在上海，2011年至2019年间气溶胶的pH值从3.30 ± 0.58下降到3.06 ± 0.58，其中温度被认为是最敏感的因素（Zhou等人，2022）。在香港，由于PM_2.5质量中硫酸盐占主导地位，气溶胶的pH值较为酸性，一项先前的研究报道其范围为?1.87至3.12（Xue等人，2011）。此外，由于气溶胶组成的不同，在污染和清洁条件下pH值也有显著变化：在中国北方，污染期间pH值上升至4–5.4，而在清洁期间下降至约3.0（Cheng等人，2016；Liu等人，2017；Shi等人，2017；Tan等人，2018）。

可以使用基于气溶胶pH值和水分含量（AWC）的理论框架系统地诊断PM质量对HNO₃和NH₃可用性的敏感性（Nenes等人，2020）。该框架定义了四种情况：不敏感、HNO₃敏感、NH₃敏感和两者都敏感，这些情况由阈值分配比ε(NO₃^?)和ε(NH₄⁺决定，它们是pH值和AWC的函数（Guo等人，2016；Guo等人，2015）。将观测数据映射到这个pH–AWC空间中，可以有效地识别PM形成主要受TNO₃还是TNH₃限制的情况。这种方法已被有效应用于分析PM_2.5质量对硝酸盐和氨可用性的敏感性（Ibikunle等人，2024；Shi等人，2019；Zhao等人，2020）。

气象因素，如温度和相对湿度（RH），在决定气溶胶的pH值和分配比方面起着重要作用。因此，气象条件也是影响PM_2.5质量对氨和硝酸盐可用性敏感性的重要因素。最近的研究表明，近年来气象条件也对中国PM_2.5质量的减少有所贡献（Xiao等人，2021；Zhai等人，2019；Zhang等人，2024；Zhang等人，2019）。量化温度和RH对PM敏感性的影响不仅为政策制定者提供了有效减少PM_2.5污染的参考，还有助于排除气象因素的影响。

本研究旨在区分化学和气象条件在控制香港和上海两种不同城市环境中PM_2.5形成中的作用。基于这两个城市的观测结果，我们具体目标如下：（i）量化和对比气溶胶的pH值及其关键驱动因素；（ii）使用制度框架确定并比较PM_2.5质量对TNO₃和TNH₃的敏感性；（iii）通过情景分析量化针对性前体物质减少的效果。我们的目标是制定结合化学和气象信息的特定控制策略，以有效减少PM_2.5。

采样

本研究的数据来自两个城市站点的在线采样：受交通影响严重的香港元朗（YL）空气质量监测站（22°26′48″ N, 114°01′21.7″ E）和位于商业-住宅混合区的上海环境科学研究院（SAES）站点（31°10′ N, 121°25′ E）。香港的数据集涵盖2013年7月至2015年9月和2016年8月至2017年6月的时间段。上海的数据集覆盖

香港和上海WSII的季节性和年际变化

WSII成分的特征提供了测量期间两个站点的化学背景，为进一步讨论气溶胶性质提供了基础。尽管香港（2013–2017）和上海（2020–2022）的记录没有重叠，但两城市的WSII总水平相当（图1）。两个城市在硫酸盐、硝酸盐、铵盐和总WSII方面都表现出明显的季节性变化，冬季达到峰值，夏季达到最低值（图1）。硫酸盐占

结论

香港和上海的这项比较研究表明，PM_2.5无机气溶胶控制的有效性并非普遍适用，而是受到当地气候和排放化学相互作用的根本影响。在香港和上海进行的测量为设计针对硫酸盐主导或硝酸盐主导化学背景及不同气象条件的专门政策提供了参考。我们发现

CRediT作者贡献声明

张子静：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。周敏：数据管理。朱淑慧：数据管理。王红丽：数据管理。乔丽萍：数据管理。黄丹丹：数据管理。于建珍：概念提出、资金获取、监督、撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

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所述的工作。

致谢

本工作部分得到了香港研究资助委员会（R6011-18）的支持。我们感谢香港环境保护部门提供实时PM_2.5和MARGA数据集。本文的内容不一定反映香港特别行政区的观点和政策，提及商标或商业产品也不构成对其使用的认可或推荐。