i

 

 

Final Report 

for 

 

Provision of Service for Fine Particulate Matter (PM2.5) Sample Chemical Analysis 

 

(Tender Ref. AS 10‐231) 

 

Prepared by:  

 

Prof. Jian Zhen Yu  

Dr. X. H. Hilda Huang 

Ms. Wai Man Ng  

 

Environmental Central Facility 

The Hong Kong University of Science & Technology 

Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong 

 

 

Presented to: 

 

 Environmental Protection Department 

The Government of the Hong Kong Special Administrative Region 

 

 

 

May 2012  

  ii

Table of Contents 

 

Title Page..................................................................................................................................... i

Table of Contents....................................................................................................................... ii

List of Tables ............................................................................................................................. iii

List of Figures ............................................................................................................................ iv

1. Introduction ...........................................................................................................................1

1.1 Study Objectives .............................................................................................................. 1

1.2 Background ......................................................................................................................1

1.3 Technical Approach..........................................................................................................1

2. Sampling Network.................................................................................................................. 3

2.1 Ambient PM2.5 Monitoring Network................................................................................3

2.2 Ambient PM2.5 Measurements ........................................................................................4

3. Database and Data Validation ...............................................................................................7

3.1 Data File Preparation ....................................................................................................... 7

3.2 Measurement and Analytical Specifications....................................................................7

3.2.1 Precision Calculations and Error Propagation ..........................................................7

3.2.2 Analytical Specifications ...........................................................................................9

3.3 Data Validation............................................................................................................... 15

3.3.1 Sum of Chemical Species versus PM2.5 Mass..........................................................16

3.3.2 Physical and Chemical Consistency.........................................................................19

3.3.2.1 Water‐Soluble Sulfate (SO42‐) versus Total Sulfur (S) ......................................19

3.3.2.2 Water‐soluble Potassium (K+) versus Total Potassium (K) ..............................22

3.3.2.3 Water‐soluble Chloride (Cl‐) versus Total Chlorine (Cl) ...................................25

3.3.2.4 Ammonium Balance.........................................................................................28

3.3.3 Charge Balance .......................................................................................................31

3.3.4 NIOSH_TOT versus IMPROVE_TOR for Carbon Measurements .............................34

3.3.5 Material Balance .....................................................................................................40

3.3.6 Comparison of Collocated Samples ........................................................................45

3.3.7 PM2.5 Mass Concentrations: Gravimetric vs. Continuous Measurements .............47

4. Comparison  to  the PM2.5 Sampling Campaigns  in 2000  ‐ 2001, 2004  ‐ 2005, and 2008  ‐ 2009 .........................................................................................................................................49

5. Summary ..............................................................................................................................56

References ...............................................................................................................................58 

  iii

List of Tables 

 

Table 1. Descriptions of monitoring sites ..................................................................................3

Table 2. Arrangement of the Partisol samplers in monitoring sites..........................................4

Table 3. Temperature programs of the IMPROVE and the NIOSH protocols. ...........................6

Table 4. Summary of data files for the PM2.5 study (EPD Tender Ref. AS 10‐231) in Hong Kong....................................................................................................................................................7

Table 5. Field blank concentrations of PM2.5 samples collected at MK, CW, WB, TC, TW, and YL sites during the study period in Hong Kong ..........................................................................9

Table 6. Analytical specifications of 24‐hour PM2.5 measurements at MK, CW, WB, TC, TW, and YL sites during the study period in Hong Kong .................................................................12

Table 7. Statistics analysis of sum of measured chemical species versus measured mass on Teflon filters for PM2.5 samples collected at individual sites...................................................18

Table  8.  Statistics  analysis  of  sulfate  versus  total  sulfur measurements  for  PM2.5  samples collected at individual sites......................................................................................................21

Table 9. Statistics analysis of water‐soluble potassium versus total potassium measurements for PM2.5 samples collected at individual sites. .......................................................................24

Table 10. Statistics analysis of water‐soluble chloride versus total chlorine measurements for PM2.5 samples collected at individual sites..............................................................................27

Table 11. Statistics analysis of calculated ammonium versus measured ammonium for PM2.5 samples collected at individual sites. ......................................................................................30

Table  12.  Statistics  analysis  of  anion  versus  cation  measurements  for  PM2.5  samples collected at individual sites......................................................................................................33

Table  13.  Statistics  analysis  of OC  and  EC  determined  by NIOSH_TOT  and  IMPROVE_TOR methods for PM2.5 samples collected at individual sites.........................................................37

Table  14.  Statistics  analysis  of  OC  and  EC  determined  by  IMPROVE_TOT  versus IMPROVE_TOR and IMPROVE_TOT versus NIOSH_TOT for PM2.5 samples collected at all sites...................................................................................................................................................39

Table 15. Statistics analysis of  reconstructed mass versus measured mass on Teflon  filters for PM2.5 samples collected at individual sites. .......................................................................42

Table 16. Average relative biases and average relative standard deviations of concentrations of PM2.5 and selected chemical species for collocated samples. ............................................46

Table 17. Side‐by‐side comparison of the four one‐year studies of PM2.5 samples (in µg/m3) collected  during  2000  ‐  2001,  2004  ‐  2005,  2008  ‐  2009,  and  current  2011  (1/1/2011  ‐ 12/30/2011) period. Carbon concentrations are from the IMPROVE_TOR method. .............52 

    

  iv

List of Figures 

 

Figure 1. PM2.5 monitoring sites in Hong Kong for characterization study ...............................3

Figure  2.  Scatter  plots  of  sum  of measured  chemical  species  versus measured mass  on Teflon filter for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL...................................................................................................................................................17

Figure  3.  Scatter  plots  of  sulfate  versus  total  sulfur  measurements  for  PM2.5  samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. ...............................................20

Figure 4. Scatter plots of water‐soluble potassium versus total potassium measurements for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. .......................23

Figure  5.  Scatter  plots  of water‐soluble  chloride  versus  total  chlorine measurements  for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. .......................26

Figure  6.  Scatter  plots  of  calculated  ammonium  versus measured  ammonium  for  PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL..................................29

Figure 7. Scatter plots of anion versus cation measurements for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL....................................................................32

Figure  8.  Comparisons  of  TC  determined  by NIOSH_TOT  and  IMPROVE_TOR methods  for PM2.5 samples collected at all sites..........................................................................................34

Figure 9. Comparisons of OC and EC determined by NIOSH_TOT and IMPROVE_TOR methods for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. .................36

Figure  10.  Comparisons  of  OC  and  EC  determined  by  (a)  IMPROVE_TOT  versus IMPROVE_TOR and (b)  IMPROVE_TOT versus NIOSH_TOT for PM2.5 samples collected at all sites. .........................................................................................................................................38

Figure 11. Scatter plots of  reconstructed mass versus measured mass on Teflon  filters  for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. .......................41

Figure  12.  Annual  average  composition  (%)  of major  components  including  1)  geological material; 2) organic matter; 3) soot; 4) ammonium; 5) sulfate; 6) nitrate; 7) non‐crustal trace elements,  and  8)  Unidentified  material  (difference  between  measured  mass  and  the reconstructed mass) to PM2.5 mass for (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. ....43

Figure 13. Comparison of annual average concentrations of major components  including 1) geological material; 2) organic matter; 3) soot; 4) ammonium; 5) sulfate; 6) nitrate; 7) non‐crustal  trace  elements,  and  8) Unidentified material  (difference between measured mass and the reconstructed mass) to PM2.5 mass between individual sites. ..................................44

Figure  14.  Comparisons  of  PM2.5  mass  concentrations  from  gravimetric  and  continuous measurements at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. .....................................48

Figure 15. Comparisons of  annual  average PM2.5 mass  concentrations  at MK,  TW,  and  YL sites from 2001 to 2011. The error bars represent one standard variation of the PM2.5 mass concentration measurements over the year. ..........................................................................49

Figure 16. Wind Roses for PM2.5 mass concentrations (µg/m3) at TW site during 2000 ‐ 2001, 2004 ‐ 2005, 2008 ‐ 2009, and 2011. The black concentric circles correspond to winds of 3.5, 

  v

7,  and  10.5 m/s.  The  blue  contour  lines  correspond  to  the most  frequent  80%  of  the measured wind speed and direction pairs. .............................................................................50

Figure 17. Wind Roses for PM2.5 mass concentrations (µg/m3) at YL site during 2004 ‐ 2005, 2008 ‐ 2009, and 2011. The black concentric circles correspond to winds of 5, 10, and 15 m/s. The blue contour  lines correspond to the most frequent 80% of the measured wind speed and direction pairs. .................................................................................................................. 50

Figure 18. Annual trend of major components of PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) TW, and (c) YL..................................................................................................................................53

Figure 19. Annual average concentration  levels of (a) sulfur dioxide and (b) oxidants at TW and YL sites from 2000 to 2011. ..............................................................................................54

Figure 20. Annual average  concentrations of O3 and CO at Tap Mun AQMS  from 2000  to 2011. ........................................................................................................................................55

Figure 21. Monthly average of PM2.5 mass concentrations and chemical compositions for (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL during 2011 PM study. ...................................57

  1

1. Introduction 

1.1 Study Objectives 

The  Environmental  Central  Facility  (ENVF)  at  the  Hong  Kong  University  of  Science  and Technology (HKUST) assisted the Hong Kong Environmental Protection Department (HKEPD) in the analysis of PM2.5 samples acquired over the course of yearlong from January 2011 to December 2011. The objectives of this study were to: 

Determine  the  organic  and  inorganic  composition  of  PM2.5  and  how  it  differs  by season and proximity to different types of emission sources. 

Based on  the ambient concentrations of  certain  tracer compounds, determine  the contributions of different sources to PM2.5 in Hong Kong. 

Investigate and understand the influences of meteorological/atmospheric conditions on PM2.5 episodic events in Hong Kong. 

Establish inter‐annual variability of PM2.5 concentration and chemical composition in Hong Kong urban and rural areas. 

 

1.2 Background 

The Hong Kong Environmental Protection Department  (HKEPD) did not establish or adopt ambient  air quality  standards  for  fine  suspended particles  (FSP) which have  aerodynamic diameters  less  than  2.5  µm  (PM2.5)  in  the  year  of  2011.  However,  the  Hong  Kong government  announced new  air quality  standards which  are  called Air Quality Objectives (AQOs)  on  January  17,  2012.  In  the  proposed  AQOs,  the  standards  for  PM2.5  were implemented with a 24‐hour average of 75 µg/m3 and a yearly average of 35 µg/m3.  

This  report  documents  the  PM2.5 measurements  and  data  validation  for  a  twelve‐month study from January 2011 to December 2011  in order to get a better understanding on the nature and contribution of sources for air pollution trend analysis. The data will be analyzed to characterize the composition and temporal and spatial variations of PM2.5 concentrations. The main objectives of the study include: 1) establish the trend of PM2.5 concentration and chemical composition by comparing previous 12‐month PM2.5 studies during 2000 and 2001, 2004  and  2005,  and  2008  and  2009;  2)  explore  the  contribution  of  different  emission sources to the PM2.5 loading in Hong Kong, and 3) investigate the hypotheses regarding the formation of PM2.5 episodes. 

 

1.3 Technical Approach 

During  the  sampling  period  from  January  2011  to  December  2011,  24‐hour  PM2.5 mass measurements  were  acquired  once  every  six  days  from  the  roadside‐source‐dominated Mong Kok  (MK) Air Quality Monitoring Site  (AQMS),  the urban Central/Western  (CW) and Tsuen Wan  (TW) AQMSs,  the new  town Tung Chung  (TC) and Yuen Long  (YL) AQMSs, and the suburban Clear Water Bay (WB) Air Quality Research Site (AQRS) which is located on the campus  of  the  Hong  Kong  University  of  Science  and  Technology.  Three  Partisol  particle samplers (Rupprecht & Patachnick, Model 2025, Albany, NY) were used at MK, CW, WB, and TC sites while two Partisol samplers were placed at TW and YL sites to obtain PM2.5 samples on both Teflon‐membrane and QMA 47‐mm filters. All sampled Teflon‐membrane and QMA 

  2

filters were analyzed for mass by gravimetry by HKEPD’s contractor and then subjected to full  chemical  analysis,  including  1)  elemental measurements  for  atomic  number  ranging from 11  (Sodium)  to 92  (Uranium) using ED‐XRF Spectroscopy; 2)  carbon analysis using a Thermal/Optical Carbon Analyzer by both Thermal Optical Transmittance (TOT) and Thermal Optical Reflectance (TOR) methods; 3) Ionic measurements using Ion Chromatography. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  3

2. Sampling Network 

2.1 Ambient PM2.5 Monitoring Network 

24‐hour PM2.5 filter samples were taken at six air quality monitoring sites in Hong Kong once every  six days  from  January 2011  to December 2011. The  six  sampling  sites are  shown  in Figure  1,  representing  roadside  (MK),  urban  (CW  and  TW),  new  town  (TC  and  YL),  and suburban (WB) areas. The names, codes, locations, and descriptions of each site are listed in Table 1. 

 

Figure 1. PM2.5 monitoring sites in Hong Kong for characterization study 

 

Table 1. Descriptions of monitoring sites 

Site Name  Site Code  Site Location  Site Description 

Mong Kok  MK Junction of Lai Chi Kok Road and Nathan Road, Kowloon 

Urban roadside in mixed residential/commercial area with heavy traffic and surrounded by many tall buildings 

Central/Western  CW Rooftop of Sai Ying Pun Community Center, No. 2 High Street, Sai Ying Pun, Hong Kong 

Urban, densely populated, residential site with mixed commercial development 

Clear Water Bay  WB Rooftop of a pump house next to Coastal Marine Lab, HKUST Campus, Clear Water Bay 

Clean rural area with little residential and commercial development on the east coast of Sai Kung 

Tung Chung  TC Rooftop of Tung Chung Health Center, No. 6 Fu Tung Street, Lantau Island 

Residential town, within 5 km southeast of HK International Airport 

  4

Site Name  Site Code  Site Location  Site Description 

Tsuen Wan  TW Rooftop of Princess Alexandra Community Center, 60 Tai Ho Road, New Territories 

Urban, densely populated, residential site with mixed commercial and industrial developments. Located northwest of the MK site 

Yuen Long  YL Rooftop of Yuen Long District Branch Office Building, 269 Castle Peak Road, New Territories 

Residential town, about 15 km southwest of Shenzhen 

 

2.2 Ambient PM2.5 Measurements 

A total of 16 Partisol samplers were employed to obtain PM2.5 samples around Hong Kong. The detailed arrangement of the samplers is described in Table 2. 

Table 2. Arrangement of the Partisol samplers in monitoring sites. 

Location  No. of Samplers Collocated Samples 

MK AQMS  3  QMA Filters 

CW AQMS  3  QMA Filters 

WB AQRS  3  Teflon Filters 

TC AQMS  3  Teflon Filters 

TW AQMS  2   

YL AQMS  2   

  

Each  Partisol  sampler  was  equipped  with  an  Andersen  PM2.5  inlet  with  Very  Sharp  Cut Cyclone (VSCC). The samplings were conducted at a flow rate of 16.7 L/min. At this flow rate, a  nominal  volume  of  approx.  24.0 m3  of  ambient  air would  be  sampled  over  a  24‐hour period. The Partisol samplers were configured to take either a Teflon‐membrane filter or a QMA filter. For this study, the following filters were chosen: 1) Whatman (Clifton, NJ, USA), PM2.5 membrane, PTFE, 46.2 mm with  support  ring  (#7592204); and 2) Pall Life Sciences (Ann Arbor, MI, USA), 2500QAT‐UP, 47 mm, TissuquartzTM filters (#7202). 

The  Partisol  samplers  were  operated  and  maintained  by  HKEPD’s  contractor,  PTC International Ltd. with support  from  the Hong Kong University of Science and Technology (HKUST)  throughout  the  study  period.  The  HKUST  was  responsible  for  pre‐  and  post‐sampling procedures  required  for quality assurance and  sample preservation. HKUST was also  responsible  for  the mass measurement  and  analysis on both  filter  types before  and after sampling. 

The  collected  Teflon‐membrane  filters  were  used  for  mass  analysis  by  gravimetry  and elemental analysis (for more than 40 elements with atomic number ranging from 11 to 92) by X‐Ray Fluorescence  [Watson et al., 1999]. The collected QMA  filters were analyzed  for mass  by  gravimetry,  for  carbon  content  by multiple  thermal  evolution methods,  and  for chloride (Cl‐), nitrate (NO3

‐), sulfate (SO42‐), water‐soluble sodium (Na+), ammonium (NH4

+), and water‐soluble potassium (K+) by ion chromatography. 

  5

A major  uncertainty  in  determining  carbon  concentrations  lies  in  the  differentiation  of organic  and  elemental  carbon  during  analysis.  EC  has  been  defined  as  the  carbon  that evolves after the detected optical signal attains the value it had prior to commencement of heating and the rest of the carbon is considered to be OC [Chow et al., 1993; Birch and Cary, 1996].  The  split  of  OC  and  EC  in  the  thermal  analysis  depends  on  several  parameters including  temperature  setpoints,  temperature  ramping  rates,  residence  time  at  each setpoint, combustion atmospheres, and optical signal used. Heating in an inert atmosphere causes certain OC to pyrolyze or char, inflating the EC in the sample. The extent of pyrolysis is  affected  by  different  thermal/temperature  protocols. A  laser  is  used  to  overcome  this problem by monitoring changes  in  filter darkness during the thermal evolution process by detecting  either  filter  transmittance  (thermal/optical  transmittance  [TOT]  method)  or reflectance  (thermal/optical  reflectance  [TOR] method). However,  this  introduces another problem of  inner/near‐surface  filter pyrolysis.  It  is  found  that pyrolysis occurs both within filter  and  on  the  filter  surface.  TOT  method  measures  light  transmittance  which  goes through the filter and is more likely influenced by the inner filter char while TOR method is more influenced by the charring of near‐surface deposit.  

In this study, two analytical protocols ‐ National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH  5040)  protocol  coupled  with  TOT  method,  and  the  Interagency  Monitoring  of Protected Visual Environments (IMPROVE) protocol coupled with TOR method are employed to  analyze  the QMA  filters.  Table  3  shows  the  temperature  programs  of  the NIOSH  and  IMPROVE protocols. Results obtained with the two protocols are compared and evaluated in Section 3.3.4. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  6

Table 3. Temperature programs of the IMPROVE and the NIOSH protocols.  

Methods’ carrier gas  Carbon fractionNIOSH_TOT

temp, time 

IMPROVE_TOR* 

temp, time 

He purge    25 °C, 10 s  25 °C, 10 s 

He‐1  OC1  310 °C, 80 s  120 °C, 180 s 

He‐2  OC2  475 °C, 60 s  250 °C, 180 s 

He‐3  OC3  615 °C, 60 s  450 °C, 180 s 

He‐4  OC4  870 °C, 90 s  550 °C, 180 s 

He‐5    Cool oven  ‐ 

O2 / He‐1  EC1  550 °C, 45 s  550 °C, 240 s 

O2 / He‐2  EC2  625 °C, 45 s  700 °C, 210 s 

O2 / He‐3  EC3  700 °C, 45 s  850 °C, 210 s 

O2 / He‐4  EC4  775 °C, 45 s   

O2 / He‐5  EC5  850 °C, 45 s   

O2 / He‐6  EC6  870 °C, 45 s   

*  The  IMPROVE  temperature program was used  for measurements  reported  in  this work. Another  related temperature  protocol,  termed  IMPROVE_A,  is  typically  adopted  on DRI Model  2001  carbon  analyzers.  The IMPROVE_A temperature protocol defines temperature plateaus of 140 °C for OC1, 280 °C for OC2, 480 °C for OC3, and 580 °C for OC4 in a helium (He) carrier gas and 580 °C for EC1, 740 °C for EC2, and 840 °C for EC3 in a 98% He/2% oxygen  (O2) carrier gas  [Chow et al., 2007]. These temperatures used with the new hardware  in DRI Model  2001  better match  the  sample  temperatures  experienced  in  the  analysis  using  the  IMPROVE protocol on the previous models of DRI analyzers. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  7

3. Database and Data Validation 

3.1 Data File Preparation 

An electronic database on analytical results is established for Hong Kong PM2.5 data archive. Detailed data processing and data validation are documented  in Section 3.3. The data are available  on  Compact Disc  in  the  format  of Microsoft  Excel  spreadsheets  for  convenient distribution to data users. The contents of the final data files are listed in Table 4.  

Table 4. Summary of data files for the PM2.5 study (EPD Tender Ref. AS 10‐231) in Hong Kong 

Category  Database File  File Description 

I. DATABASE DOCUMENTATION 

AS 10‐231_ID.xls  Defines  the  field  sample  names,  measurement  units, and formats used in the database file 

II. MASS AND CHEMICAL DATA 

AS 10‐231_PM2.5.xls  Contains PM2.5 mass data and chemical data for samples collected by Partisol samplers at six sites once every six days during January 2011 to December 2011 

III. DATABASE VALIDATION 

AS 10‐231_FLAG.xls  contains both field sampling and chemical analysis data validation flags 

 

3.2 Measurement and Analytical Specifications 

The measurement/analysis methods  are  described  in  Section  2  and  every measurement consists of 1) a value; 2) a precision (uncertainty), and 3) a validity. The values are obtained by different analysis methods. The precisions are estimated through standard testing, blank analysis,  and  replicate  analysis.  The  validity  of  each  measurement  is  indicated  by appropriate  flagging  in  the  data  base, while  the  validity  of  chemical  analysis  results  are evaluated by data validations described in Section 3.3. 

A total of 68 sets of ambient PM2.5 samples were received during this study and submitted for comprehensive chemical analyses. For each set of samples, it contains 16 pieces of filters collected at all six sites on one date. These 68 sets of samples include 7 sets of field blanks. 4 out of 6 sites conducted collocated sampling and the collocated samples were used for data validation purpose. All of the 1088 PM2.5 samples acquired are considered valid after data validation and final review. 

 

3.2.1 Precision Calculations and Error Propagation 

Measurement  precisions  are  propagated  from  precisions  of  volumetric  measurements, chemical  composition  measurements,  and  field  blank  variability  using  the  methods  of Bevington  [1969]  and Watson  et  al.  [1995;  2001].  The  following  equations  are  used  to calculate the prevision associated with filter‐based measurements: 

 VBM

C iii

−=                   (1) 

  8

  TQV ×=                   (2) 

 iBi

n

oioi BforB

nB σ>= ∑

=1

1             (3) 

 iBii BforB σ<= 0                (4) 

  ( )iiii BB

n

oiioBB SIGSTDforBB

ni

STDσ >⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−

−== ∑

=

21

1

2

1     (5) 

  ( )Iiioii BB

n

oBBB SIGSTDfor

ni

SIG ≤⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡== ∑

=

21

1

2σσ        (6) 

  ( ) 21

4

22

2

22

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡ −+

+=

V

BM

ViiVBM

Cii

i

σσσσ           (7) 

 21

1

21⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∑

=

n

oCRMSi

inσσ                (8) 

  05.0=VVσ                   (9) 

  where: 

  Bi = average amount of species i on field blanks 

  Bio = the amount of species i found on field blank o 

  Ci = the ambient concentration of species i 

  Q = flow rate throughout sampling period 

  Mi = amount of species i on the substrate 

  N = total number of samples in the sum 

  SIGBi = the root mean square error (RMSE), the square root of the averaged sum of the squared σBio 

  STDBio = standard deviation of the blank 

  σBi = blank precision for species i 

  σBio = precision of the species i found on field blank j 

  σCi = propagated precision for the concentration of species i 

  σMi = precision of amount of species i on the substrate 

  σRMSi = root mean square precision for species i 

  σV = precision of sample volume 

  9

  T = sample duration 

  V = volume of air sampled 

The uncertainty of the measured value and the average uncertainty of the field blanks for each  species  are  used  to  propagate  the  overall  precision  for  each  blank  subtracted concentration value. The final value  is propagated by taking the square root of the sum of the squares of the calculated uncertainty and the average  field blank uncertainty  for each measurement. 

 

3.2.2 Analytical Specifications 

The concentrations of field blanks collected during the study are summarized  in Table 5  in the unit of µg/filter. 

Blank precisions (σBi) are defined as the higher value of the standard deviation of the blank measurements, STDBi, or the square root of the averaged squared uncertainties of the blank concentrations, SIGBi. If the average blank for a species was less than its precision, the blank was set to zero (Eqn 4).  

The precisions  (σMi) were determined  from duplicate analysis of  samples. When duplicate sample  analysis  is made,  the  range  of  results,  R,  is  nearly  as  efficient  as  the  standard deviation  since  two measures  differ  by  a  constant  (1.128s  =  R  where  s  represents  the precision). 

Table 5. Field blank concentrations of PM2.5 samples collected at MK, CW, WB, TC, TW, and YL sites during the study period in Hong Kong 

  Concentrations in µg/47‐mm filter 

Species 

Total No. of Blanks 

Field Blank Std. Dev. 

(STDBi) 

Root Mean Squared Blank 

Precision 

(SIGBi) 

Blank Precision 

(σBi) 

Average Field Blank 

Blank Subtracted 

(Bi) 

Na+  48*  0.753  0.464  0.753  ‐0.708  0.000 

NH4+  48  2.200  2.418  2.418  0.344  0.000 

K+  48  0.841  0.474  0.841  0.465  0.000 

Cl‐  48  0.801  0.447  0.801  0.184  0.000 

NO3‐  48  1.270  0.774  1.270  0.431  0.000 

SO42‐  48  4.291  5.484  5.484  0.394  0.000 

             

OC1_TOR  56  0.338  9.435  9.435  0.378  0.000 

OC2_TOR  56  3.778  3.673  3.778  6.090  6.090 

OC3_TOR  56  3.124  5.530  5.530  5.282  0.000 

OC4_TOR  56  1.374  0.201  1.374  1.441  1.441 

OC_TOR  56  9.128  0.620  9.128  14.665  14.665 

  10

  Concentrations in µg/47‐mm filter 

Species 

Total No. of Blanks 

Field Blank Std. Dev. 

(STDBi) 

Root Mean Squared Blank 

Precision 

(SIGBi) 

Blank Precision 

(σBi) 

Average Field Blank 

Blank Subtracted 

(Bi) 

OC_TOT  56  6.671  1.652  6.671  21.592  21.592 

PC_TOR  56  1.640  0.885  1.640  1.913  1.913 

PC_TOT  56  0.533  2.393  2.393  0.225  0.000 

EC1_TOR  56  1.361  0.393  1.361  0.260  0.000 

EC2_TOR  56  0.967  0.384  0.967  0.279  0.000 

EC3_TOR  56  0.152  0.107  0.152  0.033  0.000 

EC_TOR  56  2.360  0.000  2.360  0.572  0.000 

EC_TOT  56  0.001  0.003  0.003  0.001  0.000 

TC  56  8.875  0.619  8.875  15.233  15.233 

             

Na  56  0.0871  1.0764  1.0764  0.0771  0.0000 

Mg  56  0.2006  0.4561  0.4561  ‐0.4361  0.0000 

Al  56  0.1047  1.2078  1.2078  ‐0.1170  0.0000 

Si  56  0.5015  0.7024  0.7024  0.1447  0.0000 

P  56  0.0168  0.5104  0.5104  0.0072  0.0000 

S  56  0.0011  0.5450  0.5450  0.0001  0.0000 

Cl  56  0.0801  0.4984  0.4984  0.0211  0.0000 

K  56  0.0241  0.0320  0.0320  ‐0.0134  0.0000 

Ca  56  0.0955  0.4623  0.4623  0.0229  0.0000 

Sc  56  0.0827  0.3834  0.3834  ‐0.2507  0.0000 

Ti  56  0.0093  1.1523  1.1523  0.0076  0.0000 

V  56  0.0055  0.2183  0.2183  0.0041  0.0000 

Cr  56  0.0101  0.7055  0.7055  0.0001  0.0000 

Mn  56  0.0389  0.1999  0.1999  0.0320  0.0000 

Fe  56  0.0567  0.1109  0.1109  0.0512  0.0000 

Co  56  0.0081  0.8177  0.8177  0.0098  0.0000 

Ni  56  0.0085  0.2306  0.2306  0.0038  0.0000 

Cu  56  0.0202  0.0542  0.0542  0.0212  0.0000 

Zn  56  0.0179  0.2433  0.2433  0.0099  0.0000 

Ga  56  0.0265  0.1204  0.1204  0.0104  0.0000 

Ge  56  0.0276  0.3938  0.3938  0.0157  0.0000 

  11

  Concentrations in µg/47‐mm filter 

Species 

Total No. of Blanks 

Field Blank Std. Dev. 

(STDBi) 

Root Mean Squared Blank 

Precision 

(SIGBi) 

Blank Precision 

(σBi) 

Average Field Blank 

Blank Subtracted 

(Bi) 

As  56  0.0000  0.3024  0.3024  0.0000  0.0000 

Se  56  0.0000  1.6983  1.6983  0.0000  0.0000 

Br  56  0.0169  0.1271  0.1271  ‐0.0267  0.0000 

Rb  56  0.0138  0.1296  0.1296  ‐0.0028  0.0000 

Sr  56  0.0213  0.4332  0.4332  ‐0.0017  0.0000 

Y  56  0.0090  0.3787  0.3787  0.0029  0.0000 

Zr  56  0.0393  0.2293  0.2293  ‐0.0464  0.0000 

Nb  56  0.0309  0.0414  0.0414  0.0158  0.0000 

Mo  56  0.0330  0.4173  0.4173  ‐0.0010  0.0000 

Rh  56  0.0589  0.4193  0.4193  0.0585  0.0000 

Pd  56  0.0600  0.5305  0.5305  0.0522  0.0000 

Ag  56  0.0435  0.6309  0.6309  ‐0.0407  0.0000 

Cd  56  0.0556  0.1714  0.1714  ‐0.0468  0.0000 

In  56  0.0623  0.4557  0.4557  ‐0.0255  0.0000 

Sn  56  0.0770  0.7236  0.7236  0.0575  0.0000 

Sb  56  0.0723  1.0310  1.0310  0.1009  0.0000 

Te  56  0.1012  0.7929  0.7929  0.1140  0.0000 

I  56  0.1153  0.2351  0.2351  ‐0.0050  0.0000 

Cs  56  0.2555  1.1224  1.1224  ‐0.7089  0.0000 

Ba  56  0.3296  1.5343  1.5343  ‐0.3629  0.0000 

La  56  0.3637  1.2352  1.2352  ‐0.0013  0.0000 

Ce  56  0.0188  1.2804  1.2804  ‐0.0287  0.0000 

Sm  56  0.0358  11.4276  11.4276  ‐0.0176  0.0000 

Eu  56  0.0683  21.5164  21.5164  ‐0.0727  0.0000 

Tb  56  0.0273  4.3382  4.3382  ‐0.0490  0.0000 

Hf  56  0.1565  0.3314  0.3314  ‐0.1740  0.0000 

Ta  56  0.0518  0.3314  0.3314  0.0176  0.0000 

W  56  0.2789  0.3314  0.3314  0.0887  0.0000 

Ir  56  0.0318  23.8755  23.8755  ‐0.0273  0.0000 

Au  56  0.0463  47.4197  47.4197  ‐0.0770  0.0000 

Hg  56  0.0072  24.6360  24.6360  0.0010  0.0000 

  12

  Concentrations in µg/47‐mm filter 

Species 

Total No. of Blanks 

Field Blank Std. Dev. 

(STDBi) 

Root Mean Squared Blank 

Precision 

(SIGBi) 

Blank Precision 

(σBi) 

Average Field Blank 

Blank Subtracted 

(Bi) 

Tl  56  0.0268  1.8523  1.8523  ‐0.0280  0.0000 

Pb  56  0.0323  3.4361  3.4361  0.0212  0.0000 

U  56  0.0614  0.1912  0.1912  0.0759  0.0000 

* The field blank samples collected on January 27, 2011 were not  included  in calculating dynamic blanks for ionic species since the QMA filters used in January (except for 110131 samples) were from Whatman (Clifton, NJ) and consistently had higher Na+ background. 

 

The analytical specifications for the 24‐hour PM2.5 measurements obtained during the study are  summarized  in Table 6. Limits of detection  (LOD) and  limits of quantitation  (LOQ) are given.  The  LOD  of  an  analyte  may  be  described  as  that  concentration  which  gives  an instrument  signal  significantly  different  from  the  “blank”  or  “background”  signal.  In  this study LOD is defined as the concentration at which instrument response equals three times the  standard  deviation  of  the  lab  blank  concentrations.  As  a  further  limit,  the  LOQ  is regarded  as  the  lower  limit  for  precise  quantitative measurements  and  is  defined  as  a concentration  corresponding  to  ten  times  the  standard  deviation  of  the  lab  blank concentrations. The LOQs should always be equal to or larger than the analytical LODs and it was the case for all the chemical compounds listed in Table 6. Both the LODs and LOQs were divided by 24.1 m3, the nominal 24‐hour volume, for the Partisol samplers. The variation of sampling volumes is assumed to be within ±5% of the pre‐set volume.  

Table 6. Analytical specifications of 24‐hour PM2.5 measurements at MK, CW, WB, TC, TW, and YL sites during the study period in Hong Kong 

Species Analytical Method 

LOD (µg/m3) 

LOQ (µg/m3) 

No. of Values 

No. > LOD 

% > LOD 

No. > LOQ 

% > LOQ 

Na+  IC  0.0007  0.0024  366  364  99%  364  99% 

NH4+  IC  0.0029  0.0098  366  366  100%  366  100% 

K+  IC  0.0007  0.0004  366  366  100%  366  100% 

Cl‐  IC  0.0007  0.0025  366  320  87%  320  87% 

NO3‐  IC  0.0034  0.0016  366  355  97%  355  97% 

SO42‐  IC  0.0071  0.0238  366  366  100%  366  100% 

                 

OC1_TOR  TOR  0.0639  0.2131  366  43  12%  0  0% 

OC2_TOR  TOR  0.0811  0.2702  366  363  99%  351  96% 

OC3_TOR  TOR  0.0703  0.2342  366  366  100%  366  100% 

OC4_TOR  TOR  0.1018  0.3393  366  360  98%  273  75% 

  13

Species Analytical Method 

LOD (µg/m3) 

LOQ (µg/m3) 

No. of Values 

No. > LOD 

% > LOD 

No. > LOQ 

% > LOQ 

OC_TOR  TOR  0.4082  1.3607  366  366  100%  339  93% 

OC_TOT  TOT  0.5416  1.8053  366  364  99%  336  92% 

PC_TOR  TOR  0.1659  0.5528  366  333  91%  277  76% 

PC_TOT  TOT  0.2725  0.9085  366  321  88%  276  75% 

EC1_TOR  TOR  0.0541  0.1804  366  366  100%  361  99% 

EC2_TOR  TOR  0.0418  0.1394  366  366  100%  364  99% 

EC3_TOR  TOR  0.0333  0.1111  366  362  99%  222  61% 

EC_TOR  TOR  0.0417  0.1389  366  366  100%  366  100% 

EC_TOT  TOT  0.0200  0.0666  366  366  100%  366  100% 

TC  TOR  0.4191  1.3971  366  366  100%  360  98% 

                 

Na  XRF  0.0149  0.0498  366  362  99%  349  95% 

Mg  XRF  0.0233  0.0776  366  359  98%  300  82% 

Al  XRF  0.0124  0.0413  366  365  100%  326  89% 

Si  XRF  0.0210  0.0700  366  365  100%  333  91% 

P  XRF  0.0013  0.0043  366  357  98%  335  92% 

S  XRF  0.0011  0.0035  366  366  100%  366  100% 

Cl  XRF  0.0018  0.0058  366  361  99%  346  95% 

K  XRF  0.0017  0.0057  366  366  100%  366  100% 

Ca  XRF  0.0021  0.0069  366  366  100%  366  100% 

Sc  XRF  0.0081  0.0270  366  0  0%  0%  0% 

Ti  XRF  0.0006  0.0021  366  364  99%  344  94% 

V  XRF  0.0005  0.0016  366  361  99%  349  95% 

Cr  XRF  0.0008  0.0027  366  268  73%  127  35% 

Mn  XRF  0.0039  0.0131  366  328  90%  249  68% 

Fe  XRF  0.0041  0.0137  366  366  100%  365  100% 

Co  XRF  0.0009  0.0031  366  58  16%  0  0% 

Ni  XRF  0.0008  0.0028  366  360  98%  246  67% 

Cu  XRF  0.0016  0.0053  366  366  100%  307  84% 

Zn  XRF  0.0164  0.0547  366  334  91%  290  79% 

Ga  XRF  0.0028  0.0093  366  2  1%  0  0% 

Ge  XRF  0.0015  0.0049  366  72  20%  4  1% 

As  XRF  0.0000  0.0000  366  240  66%  240  66% 

Se  XRF  0.0000  0.0000  366  2  1%  2  1% 

  14

Species Analytical Method 

LOD (µg/m3) 

LOQ (µg/m3) 

No. of Values 

No. > LOD 

% > LOD 

No. > LOQ 

% > LOQ 

Br  XRF  0.0019  0.0063  366  288  79%  240  66% 

Rb  XRF  0.0017  0.0056  366  115  31%  12  3% 

Sr  XRF  0.0018  0.0059  366  247  67%  28  8% 

Y  XRF  0.0017  0.0058  366  6  2%  0  0% 

Zr  XRF  0.0033  0.0109  366  9  2%  0  0% 

Nb  XRF  0.0039  0.0130  366  9  2%  0  0% 

Mo  XRF  0.0027  0.0091  366  42  11%  0  0% 

Rh  XRF  0.0060  0.0201  366  21  6%  0  0% 

Pd  XRF  0.0053  0.0175  366  29  8%  0  0% 

Ag  XRF  0.0042  0.0141  366  1  0%  0  0% 

Cd  XRF  0.0044  0.0148  366  7  2%  0  0% 

In  XRF  0.0067  0.0222  366  2  1%  0  0% 

Sn  XRF  0.0095  0.0318  366  200  55%  22  6% 

Sb  XRF  0.0090  0.0300  366  132  36%  0  0% 

Te  XRF  0.0118  0.0394  366  13  4%  0  0% 

I  XRF  0.0110  0.0366  366  19  5%  0  0% 

Cs  XRF  0.0367  0.1224  366  0  0%  0  0% 

Ba  XRF  0.0384  0.1280  366  27  7%  0  0% 

La  XRF  0.0407  0.1356  366  24  7%  0  0% 

Ce  XRF  0.0022  0.0072  366  1  0%  0  0% 

Sm  XRF  0.0038  0.0128  366  9  2%  0  0% 

Eu  XRF  0.0066  0.0221  366  22  6%  0  0% 

Tb  XRF  0.0029  0.0096  366  81  22%  8  2% 

Hf  XRF  0.0161  0.0538  366  0  0%  0  0% 

Ta  XRF  0.0067  0.0222  366  182  50%  0  0% 

W  XRF  0.0178  0.0593  366  1  0%  0  0% 

Ir  XRF  0.0050  0.0165  366  0  0%  0  0% 

Au  XRF  0.0044  0.0148  366  0  0%  0  0% 

Hg  XRF  0.0000  0.0000  366  1  0%  1  0% 

Tl  XRF  0.0034  0.0113  366  0  0%  0  0% 

Pb  XRF  0.0027  0.0091  366  324  89%  286  78% 

U  XRF  0.0064  0.0213  366  40  11%  0  0% 

 

  15

The  number  of  reported  concentrations  for  each  species  and  number  of  reported concentrations greater than the LODs and LOQs are also summarized in Table 6. For the 366 valid samples, major ions (including nitrate, sulfate, ammonium, soluble sodium, and soluble potassium),  organic  carbon,  elemental  carbon,  sodium  (Na), magnesium  (Mg),  aluminum (Al), silicon (Si), phosphorus (P), sulfur (S), chlorine (Cl), potassium (K), calcium (Ca), titanium (Ti), vanadium (V), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), and copper (Cu) were detected (> LOD) in almost all samples (more than 95%). Chloride was detected in 87% of the samples. Several transition metals (e.g. Y, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, W, Ir, Au, Hg, La, Ce, Sm, Eu, and U) were  not  detected  in most  of  the  samples  (less  than  15%).  Species  from motor vehicle  exhaust  such  as  Br  and  Pb  were  detected  in  79%  and  89%  of  the  samples respectively. V and Ni, which are residual‐oil‐related species, were detected in 99% and 98% of  the  samples,  respectively. This  is  typical  for urban and  suburban  sites  in most  regions. Toxic species emitted from industrial sources, such as Cd and Hg, were not detected (2% and 0% of  the  samples,  respectively). Soil‐dust‐related  species,  including Al, Si, Ca, Ti, and Fe, were found above the LODs in more than 99% of the samples and above the LOQs in more than 89% of the samples.  

In  general,  the  analytical  specifications  shown  in  Table  6  suggest  that  the  PM2.5  samples collected during the study period possess adequate sampling  loading for chemical analysis of those species that are expected from major sources in the region. The detection limits of the selected analytical methods were sufficiently low to establish valid measurements with acceptable precision. 

 

3.3 Data Validation 

Three levels of data validation were conducted to the data acquired from the study. 

Level I data validation: 1) flag measurements for deviations from procedures; 2) identify and remove  invalid  values  and  indicate  the  reasons  for  invalid  sampling,  and  3)  estimate precisions from replicate and blank analyses. 

Level  II  data  validation  examines  internal  consistency  tests  among  different  data  and attempts to resolve discrepancies based on known physical relationships between variables: 1) compare a sum of chemical species to mass concentrations; 2) compare measurements from different methods; 3) compare collocated measurements; 4) examine time series from different  sites  to  identify  and  investigate  outliers,  and  5)  prepare  a  data  qualification statement. 

Level III data validation is part of the data interpretation process and should identify unusual values  including:  1)  extreme  values;  2)  values which would  otherwise  normally  track  the values  of  other  variables  in  a  time  series,  and  3)  values  for  observables  which  would normally follow a qualitatively predictable spatial or temporal pattern. External consistency tests are used  to  identify values  in  the data set which appear atypical when compared  to other data sets. The first assumption upon finding a measurement which is inconsistent with physical expectations  is  that  the unusual value  is due  to a measurement error.  If nothing unusual is found upon tracing the path of the measurement, the value would be assumed to be a valid result of an environmental cause. 

Level I data validation was performed and the validation flags and comments are stated  in the  database  as  documented  in  Section  3.1.  Level  II  validation  tests  and  results  are 

  16

described  in  the  following  subsections  including  1)  sum  of  chemical  species  versus PM2.5 mass; 2) physical and chemical consistency; 3) anion/cation balance; 4) reconstructed versus measured mass,  5)  carbon measurements  by  different  thermal/optical methods,  and  6) collocated measurement comparison. For Level III data validation, parallel consistency tests were  applied  to  data  sets  from  the  same  population  (e.g.,  region,  period  of  time)  by different  data  analysis  approaches.  Collocated  samples  collected  at  four  out  of  the  six sampling  sites were  examined.  Comparison  of  PM2.5 mass  concentrations  obtained  from gravimetric analysis and from 24‐hr average TEOM measurements were also conducted. The level  III data validation continues  for as  long as the database  is maintained. For Level  II/III data validation in this study, correlations and linear regression statistics were performed on the valid data set and scatter plots were generated for better comparison. 

 

3.3.1 Sum of Chemical Species versus PM2.5 Mass 

The  sum  of  the  individual  chemical  concentrations  determined  in  this  study  for  PM2.5 samples  should be  less  than or equal  to  the corresponding mass concentrations obtained from gravimetric measurements. The chemical  species  include  those  that were quantified on both Teflon‐membrane filters and quartz fiber filters. To avoid double counting, chloride (Cl‐), total potassium  (K), soluble sodium  (Na+), and sulfate  (SO4

2‐) are  included  in the sum while  total sulfur  (S),  total chlorine  (Cl),  total sodium  (Na), and soluble potassium  (K+) are excluded. Carbon concentration is represented by the sum of organic carbon and elemental carbon. Unmeasured  ions, metal oxides, or hydrogen and oxygen associated with organic carbon are not counted into the measured concentrations. 

The sum of chemical species was plotted against the measured PM2.5 mass on Teflon filters for each of the individual sites in Figure 2. Linear regression analysis results and the average ratios of Y over X are both shown in Table 7 for comparison. 

None of the 366 sums of species are more than the corresponding PM2.5 mass beyond the reported measurement uncertainties. A strong correlation  (R2 = 0.98) was  found between the sum of measured species and mass with a slope of 0.81 ± 0.01. The average Y/X ratios indicate  that  around 80% of  the PM2.5 mass  can be explained by  the measured  chemical species. 

MK111120  was  found  to  be  an  outlier  in  Figure  2a.  The  PM2.5  mass  concentration determined  is  67.92 µg/m3  on  Teflon  filter,  54.79 µg/m3  on QMA  filter,  41.86 µg/m3  for reconstructed mass,  and 38.05 µg/m3  for  sum‐of‐species. However  for  this  sample,  good agreements were reached for SO4

2‐ vs. Total S, K+ vs. total K, NH4+ balance, and NIOSH_TOT 

TC  vs.  IMPROVE_TOR  TC,  suggesting  that  the  chemical  analysis  results  were  valid  and reliable.  Therefore,  the  large  discrepancies  found  between  sum‐of‐species  and measured mass might be due to the sampling uncertainties or contamination during sample delivery and/or storage. 

 

 

 

 

 

  17

y = 0.802x + 2.647

R2 = 0.963

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Sum of C

hemical Spe

cies (u

g/m

3 )

(a) Mong Kok (MK)

y = 0.807x + 0.668

R2 = 0.988

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Sum of C

hemical Spe

cies (u

g/m

3 )

(b) Central/Western (CW)

y = 0.799x + 0.105

R2 = 0.987

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Sum of C

hemical Spe

cies (u

g/m

3 )

(c) Clear Water Bay (WB)

y = 0.809x + 0.113

R2 = 0.991

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Sum of C

hemical Spe

cies (u

g/m

3 )

(d) Tung Chung (TC)

y = 0.804x + 0.966

R2 = 0.993

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Sum of C

hemical Spe

cies (u

g/m

3 )

(e) Tsuen Wan (TW)

y = 0.801x + 0.658

R2 = 0.990

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Sum of C

hemical Spe

cies (u

g/m

3 )

(f) Yuen Long (YL)

 

Figure  2.  Scatter  plots  of  sum  of measured  chemical  species  versus measured mass  on Teflon filter for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. 

 

 

 

 

 

 

  18

Table 7. Statistics analysis of sum of measured chemical species versus measured mass on Teflon filters for PM2.5 samples collected at individual sites. 

Statistics/Site  MK  CW  WB  TC  TW  YL  ALL 

n  61  61  61  61  61  61  366 

Slope 0.802 

(± 0.020) 

0.807 

(± 0.011) 

799 

(± 0.012) 

0.809 

(± 0.010) 

0.804 

(± 0.009) 

0.801 

(± 0.010) 

0.811 

(± 0.005) 

Intercept 2.647 

(± 0.954) 

0.668 

(± 0.456) 

0.105 

(± 0.416) 

0.113 

(± 0.403) 

0.966 

(± 0.353) 

0.658 

(± 0.455) 

0.592 

(± 0.224) 

R2  0.963  0.988  0.987  0.992  0.993  0.990  0.984 

AVG mass  43.077  35.364  31.320  35.572  35.298  38.220  36.475 

AVG sum   37.178  29.218  25.124  28.901  29.329  31.272  30.170 

AVG sum/mass 

0.879 

(± 0.065) 

0.837 

(± 0.060) 

0.802 

(± 0.047) 

0.817 

(± 0.051) 

0.842 

(± 0.046) 

0.831 

(± 0.055) 

0.835 

(± 0.059) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  19

3.3.2 Physical and Chemical Consistency 

Measurements  of  chemical  species  concentrations  conducted  by  different methods  are compared.  Physical  and  chemical  consistency  tests  include:  1)  sulfate  (SO4

2‐)  versus  total sulfur  (S); 2) soluble potassium  (K+) versus  total potassium  (K), and 3) chloride  (Cl‐) versus total chlorine (Cl).   

3.3.2.1 Water‐Soluble Sulfate (SO42‐) versus Total Sulfur (S) 

SO42‐  is measured by  ion chromatography (IC) on QMA filters and total S  is measured by x‐

ray fluorescence (XRF) on Teflon filters. The ratio of SO42‐ to S is expected to equal three if all 

of  the  sulfur  is  present  as  SO42‐.  Figure  3  shows  the  scatter  plots  of  SO4

2‐  versus  total  S concentrations for each of the six sites. A good correlation (R2 = 0.96) were observed for all the sites with a slope of 3.02 ± 0.03 and an intercept of ‐0.38 ± 0.13. The average sulfate to total sulfur ratio was determined to be 2.88 ± 0.26, which meets the validation criteria (SO4

2‐

/total S < 3.0).  

Good  correlations  (R2  =  0.92  ‐  0.98) were  found  for  sulfate/total  sulfur  in  PM2.5  samples collected  in  individual  sites. The  regression  statistics  suggest  a  slope  ranging  from 2.95 ± 0.07  to  3.09  ±  0.08  and  the  intercepts  are  all  kept  at  relatively  low  levels.  The  average sulfate/sulfur ratio, on the other hand, ranges from 2.84 ± 0.24 to 2.91 ± 0.41. Both of the calculations  indicate  that  most  of  the  sulfur  was  present  as  soluble  sulfate  in  the atmosphere. 

The  outlier  found  in  Figure  3a  is  ascribed  to  MK110125.  The  consistency  of  total  S concentrations  obtained  from  the  two  collocated  samples  (MK110125SF02T  and MK110125PF03T)  indicates  that  the  XRF  analysis  results  are  reliable. On  the  other  hand, NH4

+ balance and charge balance from the IC analysis results were examined and it suggests the validity of the ionic concentration. Considering the higher mass concentration found on QMA filter than that on Teflon filter and the higher concentrations of K+ and Cl‐ than those of K and Cl, it is suspected that more PM loading was sampled on QMA filter than on Teflon filters for MK110125. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  20

y = 3.075x ‐ 0.364

R2 = 0.921

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10Sulfur (ug/m3)

Sulfa

te (u

g/m

3 )

(a) Mong Kok (MK)

y = 3.071x ‐ 0.538

R2 = 0.975

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10Sulfur (ug/m3)

Sulfate (ug/m

3 )

(b) Central/Western (CW)

y = 2.977x ‐ 0.302

R2 = 0.983

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10Sulfur (ug/m3)

Sulfate (ug/m

3 )

(c) Clear Water Bay (WB)

y = 3.089x ‐ 0.496

R2 = 0.962

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10Sulfur (ug/m3)

Sulfate (ug/m

3 )

(d) Tung Chung (TC)

y = 2.990x ‐ 0.339

R2 = 0.982

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10Sulfur (ug/m3)

Sulfate (ug/m

3 )

(e) Tsuen Wan (TW)

y = 2.952x ‐ 0.310

R2 = 0.967

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10Sulfur (ug/m3)

Sulfate (ug/m

3 )

(f) Yuen Long (YL)

 

Figure  3.  Scatter  plots  of  sulfate  versus  total  sulfur  measurements  for  PM2.5  samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. 

 

 

 

 

 

 

  21

Table  8.  Statistics  analysis of  sulfate  versus  total  sulfur measurements  for PM2.5  samples collected at individual sites. 

Statistics/Site  MK  CW  WB  TC  TW  YL  ALL 

n  61  61  61  61  61  61  366 

Slope 3.075 

(± 0.117) 

3.071 

(± 0.064) 

2.977 

(± 0.051) 

3.089 

(± 0.080) 

2.990 

(± 0.052) 

2.952 

(± 0.071) 

3.023 

(± 0.030) 

Intercept ‐0.364 

(± 0.478) 

‐0.538 

(± 0.267) 

‐0.302 

(± 0.219) 

‐0.496 

(± 0.336) 

‐0.339 

(± 0.221) 

‐0.310 

(± 0.297) 

‐0.383 

(± 0.128) 

R2  0.921  0.975  0.983  0.962  0.982  0.967  0.964 

AVG total S  3.668  3.726  3.840  3.752  3.764  3.781  3.755 

AVG SO42‐   10.912  10.907  11.128  11.094  10.914  10.851  10.968 

AVG SO42‐/S 

2.911 

(± 0.407) 

2.894 

(± 0.215) 

2.865 

(± 0.199) 

2.911 

(± 0.254) 

2.881 

(± 0.173) 

2.843 

(± 0.244) 

2.884 

(± 0.259) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  22

3.3.2.2 Water‐soluble Potassium (K+) versus Total Potassium (K) 

Water‐soluble potassium  (K+)  is measured by  ion chromatography  (IC) on QMA  filters and the total potassium (K) is measured by x‐ray fluorescence (XRF) on Teflon filters. The ratio of K+ to K is expected to equal or be less than 1. Figure 4 shows the scatter plots of K+ versus total K concentrations for each of the six sites. A good correlation (R2 = 0.94) were observed for all  the  sites with a  slope of 0.95 ± 0.01 and an  intercept of 0.03 ± 0.01. The  ratio of water‐soluble potassium to total potassium averages at 1.14 ± 0.44.  

Good  correlations  (R2  =  0.90  ‐  0.95) were  found  for  K+/K  in  PM2.5  samples  collected  in individual sites. The regression statistics suggest a slope ranging from 0.90 ± 0.03 to 0.98 ± 0.03 and the intercepts are all kept at relatively low levels. Generally, over 90% of the total potassium  is  in  its soluble  ionic  form and a  few scattered data points might be caused by instrumental and method uncertainties. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  23

y = 0.971x + 0.019

R2 = 0.904

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Total Potassium (ug/m3)

Soluble Po

tassium (u

g/m

3 )

(a) Mong Kok (MK)

y = 0.925x + 0.031

R2 = 0.937

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Total Potassium (ug/m3)

Soluble Po

tassium (u

g/m

3 )

(b) Central/Western (CW)

y = 0.903x + 0.055

R2 = 0.946

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Total Potassium (ug/m3)

Soluble Po

tassium (u

g/m

3 )

(c) Clear Water Bay (WB)

y = 0.980x + 0.026

R2 = 0.954

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Total Potassium (ug/m3)

Soluble Po

tassium (u

g/m

3 )

(d) Tung Chung (TC)

y = 0.930x + 0.046

R2 = 0.938

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Total Potassium (ug/m3)

Soluble Po

tassium (u

g/m

3 )

(e) Tsuen Wan (TW)

y = 0.973x + 0.033

R2 = 0.946

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Total Potassium (ug/m3)

Soluble Po

tassium (u

g/m

3 )

(f) Yuen Long (YL)

 

Figure 4. Scatter plots of water‐soluble potassium versus total potassium measurements for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. 

 

 

 

 

 

 

  24

Table 9. Statistics analysis of water‐soluble potassium versus total potassium measurements for PM2.5 samples collected at individual sites. 

Statistics/Site  MK  CW  WB  TC  TW  YL  ALL 

n  61  61  61  61  61  61  366 

Slope 0.971 

(± 0.041) 

0.925 

(± 0.031) 

0.903 

(± 0.028) 

0.980 

(± 0.028) 

0.930 

(± 0.031) 

0.973 

(± 0.030) 

0.952 

(± 0.013) 

Intercept 0.019 

(± 0.023) 

0.031 

(± 0.018) 

0.055 

(± 0.017) 

0.026 

(± 0.019) 

0.046 

(± 0.019) 

0.033 

(± 0.022) 

0.033 

(± 0.008) 

R2  0.904  0.937  0.946  0.954  0.938  0.946  0.939 

AVG total K  0.462  0.468  0.474  0.519  0.480  0.572  0.496 

AVG K+   0.467  0.463  0.483  0.534  0.492  0.590  0.505 

AVG K+/K 1.069 

(± 0.283) 

1.087 

(± 0.317) 

1.167 

(± 0.487) 

1.166 

(± 0.554) 

1.160 

(± 0.390) 

1.170 

(± 3.475) 

1.136 

(± 0.439) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  25

3.3.2.3 Water‐soluble Chloride (Cl‐) versus Total Chlorine (Cl) 

Water‐soluble chloride (Cl‐) is measured by ion chromatography (IC) on QMA filters and the total chlorine (Cl) is measured by x‐ray fluorescence (XRF) on Teflon filters. The ratio of Cl‐ to Cl is expected to equal or be less than 1. Figure 5 shows the scatter plots of Cl‐ versus total Cl  concentrations  for each of  the  six  sites. Moderate  correlations  (R2 = 0.49  ‐ 0.79) were found for all of the sampling sites. The slopes were larger than unity (1.11 ‐ 2.02) except for the WB site (0.77). The uncertainties of chloride measurements are mainly associated with the volatility of Cl. One one hand, a portion of Cl‐ could be  lost during  the storage of  the QMA  filters  especially when  the  aerosol  samples  are  acidic. On  the other hand,  some Cl would  be  volatized  in  the  vacuum  chamber  during  XRF  analysis.  Such  losses  are more significant when chlorine concentrations are low. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  26

y = 1.399x + 0.081

R2 = 0.494

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Chlorine (ug/m3)

Chloride

 (ug/m

3 )

(a) Mong Kok (MK)

y = 1.168x + 0.050

R2 = 0.690

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Chlorine (ug/m3)

Chlorid

e (ug/m

3 )

(b) Central/Western (CW)

y = 0.769x + 0.050

R2 = 0.685

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Chlorine (ug/m3)

Chlorid

e (ug/m

3 )

(c) Clear Water Bay (WB)

y = 1.105x + 0.029

R2 = 0.790

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Chlorine (ug/m3)

Chlorid

e (ug/m

3 )

(d) Tung Chung (TC)

y = 1.238x + 0.042

R2 = 0.631

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Chlorine (ug/m3)

Chloride

 (ug/m

3 )

(e) Tsuen Wan (TW)

y = 2.021x + 0.018

R2 = 0.686

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0Chlorine (ug/m3)

Chlorid

e (ug/m

3 )

(f) Yuen Long (YL)

 

Figure  5.  Scatter  plots  of water‐soluble  chloride  versus  total  chlorine measurements  for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. 

 

 

 

 

 

 

  27

Table 10. Statistics analysis of water‐soluble  chloride versus  total  chlorine measurements for PM2.5 samples collected at individual sites. 

Statistics/Site  MK  CW  WB  TC  TW  YL  ALL 

n  61  61  61  61  61  61  366 

Slope 1.399 

(± 0.184) 

1.168 

(± 0.102) 

0.769 

(± 0.068) 

1.105 

(± 0.074) 

1.238 

(± 0.123) 

2.021 

(± 0.178) 

1.176 

(± 0.050) 

Intercept 0.081 

(± 0.029) 

0.050 

(± 0.021) 

0.050 

(± 0.013) 

0.029 

(± 0.014) 

0.042 

(± 0.015) 

0.018 

(± 0.024) 

0.054 

(± 0.008) 

R2  0.494  0.690  0.685  0.790  0.631  0.686  0.599 

AVG total Cl  0.089  0.120  0.072  0.073  0.064  0.077  0.083 

AVG Cl‐  0.205  0.191  0.105  0.109  0.122  0.174  0.151 

AVG Cl‐/Cl 3.142 

(± 5.957) 

2.197 

(± 2.106) 

2.783 

(± 3.559) 

3.657 

(± 8.481) 

2.667 

(± 2.643) 

3.026 

(± 3.212) 

2.912 

(± 4.849) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  28

3.3.2.4 Ammonium Balance 

To  further validate  the  ion measurements, calculated versus measured ammonium  (NH4+) 

are compared. NH4+  is directly measured by  IC analysis of QMA  filter extract. NH4

+  is very often  found  in  the  chemical  forms  of  NH4NO3,  (NH4)2SO4,  and  NH4HSO4  while  NH4Cl  is usually negligible and excluded from the calculation. Assuming full neutralization, measured NH4

+ can be compared with  the computed NH4+, which can be calculated  in  the  following 

two ways, 

Calculated NH4+ based on NH4NO3 and (NH4)2SO4 = 0.29 × NO3

‐ + 0.38 × SO42‐   

Calculated NH4+ based on NH4NO3 and NH4HSO4 = 0.29 × NO3

‐ + 0.192 × SO42‐   

The calculated NH4+ is plotted against measured NH4

+ for each of the six sites in Figure 6. For both  forms of sulfate  the comparisons show strong correlations  (R2 = 0.98  for ammonium sulfate and R2 = 0.93 for ammonium bisulfate, respectively) but with quite different slopes. The  slopes  for  all  of  the  sampling  sites  range  from  1.04  ±  0.02  to  1.08  ±  0.02  assuming ammonium  sulfate,  and  from  0.59  ±  0.02  to  0.69  ±  0.02  assuming  ammonium  bisulfate, close to the slope values found in earlier years. The average ratios of calculated ammonium to measured ammonium suggest that ammonium sulfate is the dominant form for sulfate in the PM2.5 over the Hong Kong region. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  29

y = 1.063x + 0.208

R2 = 0.978

y = 0.663x ‐ 0.094

R2 = 0.954

0

5

10

15

0 5 10 15Measured Ammonium (ug/m3)

Calculated

 Ammon

ium (u

g/m

3 )(a) Mong Kok (MK)

y = 1.039x + 0.212

R2 = 0.983

y = 0.652x ‐ 0.117

R2 = 0.953

0

5

10

15

0 5 10 15Measured Ammonium (ug/m3)

Calculated

 Ammon

ium (u

g/m

3 )

(b) Central/Western (CW)

y = 1.085x + 0.063

R2 = 0.974

y = 0.588x + 0.001

R2 = 0.952

0

5

10

15

0 5 10 15Measured Ammonium (ug/m3)

Calculated

 Ammon

ium (u

g/m

3 )

(c) Clear Water Bay (WB)

y = 1.077x + 0.052

R2 = 0.964

y = 0.664x ‐ 0.225

R2 = 0.890

0

5

10

15

0 5 10 15Measured Ammonium (ug/m3)

Calculated

 Ammon

ium (u

g/m

3 )

(d) Tung Chung (TC)

y = 1.081x ‐ 0.071

R2 = 0.984

y = 0.650x ‐ 0.236

R2 = 0.948

0

5

10

15

0 5 10 15Measured Ammonium (ug/m3)

Calculated

 Ammon

ium (u

g/m

3 )

(e) Tsuen Wan (TW)

y = 1.068x ‐ 0.065

R2 = 0.984

y = 0.688x ‐ 0.351

R2 = 0.937

0

5

10

15

0 5 10 15Measured Ammonium (ug/m3)

Calculated

 Ammon

ium (u

g/m

3 )

(f) Yuen Long (YL)

 

Figure  6.  Scatter  plots  of  calculated  ammonium  versus measured  ammonium  for  PM2.5 samples  collected  at  (a) MK,  (b)  CW,  (c) WB,  (d)  TC,  (e)  TW,  and  (f)  YL.  The  calculated ammonium data are obtained assuming all nitrate was in the form of ammonium nitrate and all sulfate was in the form of either ammonium sulfate (data in blue) or ammonium bisulfate (data in brown). 

 

 

 

  30

Table 11. Statistics analysis of calculated ammonium versus measured ammonium for PM2.5 samples collected at individual sites. 

Statistics/Site  MK  CW  WB  TC  TW  YL  ALL 

n  61  61  61  61  61  61  366 

Ammonium Sulfate (blue dots) 

Slope 1.063 

(± 0.021) 

1.039 

(± 0.018) 

1.085 

(± 0.023) 

1.077 

(± 0.027) 

1.081 

(± 0.018) 

1.068 

(± 0.017) 

1.066 

(± 0.009) 

Intercept 0.208 

(± 0.106) 

0.212 

(± 0.092) 

0.063 

(± 0.107) 

0.052 

(± 0.137) 

‐0.071 

(± 0.089) 

‐0.065 

(± 0.092) 

0.078 

(± 0.043) 

R2  0.978  0.983  0.974  0.964  0.984  0.984  0.977 

AVG Mea. NH4+  4.373  4.454  4.090  4.377  4.385  4.627  4.385 

AVG Cal. NH4+  4.858  4.838  4.500  4.766  4.668  4.874  4.751 

AVG Cal./Mea. NH4

+ 

1.162 

(± 0.215) 

1.147 

(± 0.241) 

1.256 

(± 0.835) 

1.118 

(± 0.222) 

1.077 

(± 0.149) 

1.067 

(± 0.171) 

1.138 

(± 0.390) 

Ammonium Bisulfate (brown dots) 

Slope 0.663 

(± 0.019) 

0.652 

(± 0.019) 

0.588 

(± 0.017) 

0.664 

(± 0.030) 

0.650 

(± 0.020) 

0.688 

(± 0.023) 

0.654 

(± 0.009) 

Intercept ‐0.094 

(± 0.096) 

‐0.117 

(± 0.098) 

0.001 

(± 0.080) 

‐0.225 

(± 0.154) 

‐0.236 

(± 0.100) 

‐0.351 

(± 0.122) 

‐0.180 

(± 0.046) 

R2  0.954  0.953  0.952  0.890  0.948  0.937  0.934 

AVG Mea. NH4+  4.373  4.454  4.090  4.377  4.385  4.627  4.385 

AVG Cal. NH4+  2.806  2.787  2.408  2.680  2.616  2.835  2.689 

AVG Cal./Mea. NH4

+ 

0.658 

(± 0.144) 

0.644 

(± 0.150) 

0.675 

(± 0.496) 

0.610 

(± 0.147) 

0.592 

(± 0.107) 

0.603 

(± 0.124) 

0.630 

(± 0.237) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  31

3.3.3 Charge Balance 

For the anion and cation balance, the sum of Cl‐, NO3‐, and SO4

2‐ is compared to the sum of NH4

+, Na+, and K+ in μmoles/m3 using the following equations: 

  ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

−−−

298005.62453.35

2433

/

SONOCl s  for anionμmoles/m        

  ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

+++

098.390.2304.1843 KNaNH

ns  for catioμmoles/m         

The  cation  equivalents  are  plotted  against  the  anion  equivalents  in  Figure  7.  A  strong correlation (R2 = 0.98) was observed for the PM2.5 samples collected at all of the sampling sites.  The  slopes  are  expected  to  be  slightly  larger  than  unity  since  the  calculations  only accounted for major measured ions and there is a deficiency in cations due to the exclusion of  [H+],  [Ca2+],  and  [Mg2+].  Seen  from  the  figure,  however,  the  slopes  obtained  from individual  sites  range  from  0.95  to  0.96.  The  difference  is  most  likely  caused  by  the underestimation of chloride and nitrate measurements on QMA filters. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  32

y = 0.961x + 0.006

R2 = 0.979

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Cation Equivalence (umoles/m3)

Anion

 Equ

ivalen

ce (u

moles/m

3 )

(a) Mong Kok (MK)

y = 0.949x + 0.002

R2 = 0.992

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Cation Equivalence (umoles/m3)

Anion

 Equ

ivalen

ce (u

moles/m

3 )

(b) Central/Western (CW)

y = 0.956x ‐ 0.005

R2 = 0.982

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Cation Equivalence (umoles/m3)

Anion

 Equ

ivalen

ce (u

moles/m

3 )

(c) Clear Water Bay (WB)

y = 0.961x ‐ 0.003

R2 = 0.980

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Cation Equivalence (umoles/m3)

Anion

 Equ

ivalen

ce (u

moles/m

3 )

(d) Tung Chung (TC)

y = 0.961x ‐ 0.008

R2 = 0.990

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Cation Equivalence (umoles/m3)

Anion

 Equ

ivalen

ce (u

moles/m

3 )

(e) Tsuen Wan (TW)

y = 0.955x ‐ 0.008

R2 = 0.989

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Cation Equivalence (umoles/m3)

Anion

 Equ

ivalen

ce (u

moles/m

3 )

(f) Yuen Long (YL)

 

Figure 7. Scatter plots of anion versus cation measurements for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. 

 

 

 

 

 

 

  33

Table  12.  Statistics  analysis  of  anion  versus  cation  measurements  for  PM2.5  samples collected at individual sites. 

Statistics/Site  MK  CW  WB  TC  TW  YL  ALL 

n  61  61  61  61  61  61  366 

Slope 0.961 

(± 0.018) 

0.949 

(± 0.011) 

0.956 

(± 0.017) 

0.961 

(± 0.018) 

0.961 

(± 0.012) 

0.955 

(± 0.013) 

0.957 

(± 0.006) 

Intercept 0.006 

(± 0.006) 

0.002 

(± 0.004) 

‐0.005 

(± 0.005) 

‐0.003 

(± 0.006) 

‐0.008 

(± 0.004) 

‐0.008 

(± 0.004) 

‐0.002 

(± 0.002) 

R2  0.979  0.992  0.982  0.980  0.990  0.989  0.984 

AVG Σcation  0.273  0.278  0.264  0.274  0.273  0.289  0.275 

AVG Σanion  0.268  0.267  0.245  0.260  0.255  0.268  0.261 

AVG Σanion/Σcation 

0.987 

(± 0.112) 

0.963 

(± 0.069) 

0.934 

(± 0.080) 

0.963 

(± 0.076) 

0.921 

(± 0.059) 

0.914 

(± 0.076) 

0.942 

(± 0.084) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  34

3.3.4 NIOSH_TOT versus IMPROVE_TOR for Carbon Measurements 

Carbon  concentrations  were  determined  for  the  collected  PM2.5  samples  by  both NIOSH_TOT  and  IMPROVE_TOR methods.  The  total  carbon  (TC)  concentrations  obtained from  NIOSH_TOT  and  IMPROVE_TOR  reach  an  excellent  agreement  (Figure  8),  giving credence to the validities of the analysis results from both methods. The comparison results of  OC  and  EC  determined  by  both methods  for  individual  sites  are  shown  in  Figure  9. Generally, EC concentrations derived by NIOSH_TOT method were much  lower than those by IMPROVE_TOR method. The difference  in EC obtained by these two protocols has been well‐documented  and  is  primarily  a  result  of  protocol‐dependent  nature  of  correction  of charring of OC  formed during  thermal  analysis  [e.g., Chow  et al.,2004; Chen  et al., 2004; Subraminan  et  al.,  2006].  Seen  from  the  results,  the  average  ratios  of NIOSH_TOT  EC  to IMPROVE_TOR EC for samples from individual sampling sites range from 0.38 ± 0.13 to 0.64 ± 0.46. No correlation was found between NIOSH_TOT EC and IMPROVE_TOR EC for samples collected at Mong Kok site, which have very high EC loading on the QMA filters. 

y = 1.013x + 0.228

R2 = 0.979

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40

TC by NIOSH_TOT, ug/m3

TC by IM

PROVE_TO

R, ug/m

3

 

Figure  8. Comparisons  of  TC  determined  by NIOSH_TOT  and  IMPROVE_TOR methods  for PM2.5 samples collected at all sites. 

 

 

 

 

 

 

 

 

  35

y = 1.009x + 3.190

R2 = 0.757

0.0

10.0

20.0

30.0

0.0 10.0 20.0 30.0OC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

OC by

 NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

(a) Mong Kok (MK)

y = 0.100x + 4.010

R2 = 0.020

0.0

10.0

20.0

30.0

0.0 10.0 20.0 30.0EC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

EC by NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

 

y = 1.146x + 0.908

R2 = 0.870

0.0

10.0

20.0

30.0

0.0 10.0 20.0 30.0OC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

OC by

 NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

(b) Central/Western (CW)

y = 0.338x + 0.382

R2 = 0.524

0.0

10.0

20.0

30.0

0.0 10.0 20.0 30.0EC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

EC by NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

 

y = 1.214x + 0.328

R2 = 0.908

0.0

10.0

20.0

30.0

0.0 10.0 20.0 30.0OC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

OC by

 NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

(c) Clear Water Bay (WB)

y = 0.288x + 0.164

R2 = 0.666

0.0

10.0

20.0

30.0

0.0 10.0 20.0 30.0EC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

EC by NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

 

  36

y = 1.226x + 0.596

R2 = 0.913

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0OC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

OC by

 NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

(d) Tung Chung (TC)

y = 0.324x + 0.347

R2 = 0.663

0.0

10.0

20.0

30.0

0.0 10.0 20.0 30.0EC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

EC by NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

 

y = 1.158x + 1.077

R2 = 0.919

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0OC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

OC by

 NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

(e) Tsuen Wan (TW)

y = 0.392x + 0.287

R2 = 0.581

0.0

10.0

20.0

30.0

0.0 10.0 20.0 30.0EC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

EC by NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

 

y = 1.239x + 0.941

R2 = 0.898

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0OC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

OC by

 NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

(f) Yuen Long (YL)

Z

y = 0.293x + 0.559

R2 = 0.644

0.0

10.0

20.0

30.0

0.0 10.0 20.0 30.0EC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

EC by NIOSH

_TOT (ug/m

3 )

 

Figure  9.  Comparisons  of  OC  and  EC  determined  by  NIOSH_TOT  and  IMPROVE_TOR methods for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. 

 

 

 

 

 

  37

Table  13.  Statistics  analysis of OC  and  EC determined by NIOSH_TOT  and  IMPROVE_TOR methods for PM2.5 samples collected at individual sites. 

Statistics/Site  MK  CW  WB  TC  TW  YL  ALL 

n  61  61  61  61  61  61  366 

NIOSH_TOT OC versus IMPROVE_TOR OC 

Slope 1.009 

(± 0.074) 

1.146 

(± 0.058) 

1.214 

(± 0.050) 

1.226 

(± 0.049) 

1.158 

(± 0.045) 

1.239 

(± 0.054) 

1.207 

(± 0.023) 

Intercept 3.190 

(± 0.661) 

0.908 

(± 0.328) 

0.328 

(± 0.236) 

0.596 

(± 0.310) 

1.077 

(± 0.285) 

0.941 

(± 0.368) 

0.862 

(± 0.148) 

R2  0.757  0.870  0.908  0.913  0.919  0.898  0.887 

AVG IMPROVE_TOR  

OC 8.094  4.918  3.905  5.125  5.435  5.727  5.534 

AVG NIOSH_TOT OC  11.360  6.546  5.068  6.877  7.371  8.037  7.543 

AVG TOT_OC/TOR_OC 

1.475 

(± 0.269) 

1.384 

(± 0.276) 

1.303 

(± 0.314) 

1.331 

(± 0.276) 

1.411 

(± 0.243) 

1.459 

(± 0.356) 

1.394 

(± 0.296) 

NIOSH_TOT EC versus IMPROVE_TOR EC 

Slope 0.100 

(± 0.091) 

0.338 

(± 0.042) 

0.288 

(± 0.027) 

0.324 

(± 0.030) 

0.392 

(± 0.043) 

0.293 

(± 0.028) 

0.467 

(± 0.018) 

Intercept 4.010 

(± 0.793) 

0.382 

(± 0.172) 

0.164 

(± 0.075) 

0.347 

(± 0.129) 

0.287 

(± 0.200) 

0.559 

(± 0.148) 

0.013 

(± 0.095) 

R2  0.020  0.524  0.666  0.663  0.581  0.644  0.648 

AVG TOR_OC  8.481  3.709  2.431  3.654  4.238  4.606  4.520 

AVG TOT_OC  4.861  1.634  0.863  1.529  1.949  1.911  2.124 

AVG TOT_OC/TOR_OC 

0.637 

(± 0.463) 

0.465 

(± 0.154) 

0.380 

(± 0.125) 

0.485 

(± 0.247) 

0.480 

(± 0.157) 

0.466 

(± 0.205) 

0.486 

(± 0.262) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  38

Comparisons were made between methods using same thermal protocol but with different optical detection for charring correction, and methods using different thermal protocols but with  the  same  optical  detection  (Figure  10).  Results  show  that  the way  how  to  perform charring correction is the major cause for the EC concentration difference while the impact from the temperature program plays a minor role. This result agrees with the findings  in a recent  publication  [Wu  et  al.,  2012]  which  also  concluded  that  measurements  by  the IMPROVE_TOR and NIOSH_TOT protocols are not comparable. 

y = 1.192x + 0.537

R2 = 0.920

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0OC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

OC by

 IMPR

OVE_TO

T (ug/m

3 )

(a)

y = 0.604x + 0.160

R2 = 0.772

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0EC by IMPROVE_TOR (ug/m3)

EC by IM

PROVE_TO

T (ug/m

3 )

 

y = 0.950x ‐ 0.031

R2 = 0.960

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0OC by NIOSH_TOT (ug/m3)

OC by

 IMPR

OVE_TO

T (ug/m

3 )

(b)

y = 1.067x + 0.626

R2 = 0.8100.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0EC by NIOSH_TOT (ug/m3)

EC by IM

PROVE_TO

T (ug/m

3 )

 

Figure  10.  Comparisons  of  OC  and  EC  determined  by  (a)  IMPROVE_TOT  versus IMPROVE_TOR and (b)  IMPROVE_TOT versus NIOSH_TOT for PM2.5 samples collected at all sites. 

 

 

 

 

 

 

 

 

  39

Table  14.  Statistics  analysis  of  OC  and  EC  determined  by  IMPROVE_TOT  versus IMPROVE_TOR and IMPROVE_TOT versus NIOSH_TOT for PM2.5 samples collected at all sites. 

                    Method 

Statistics 

IMPROVE_TOT 

versus 

IMPROVE_TOR 

IMPROVE_TOT 

versus 

NIOSH_TOT 

  OC  EC  OC  EC 

n  366  366  366  366 

Slope  1.192 ± 0.018  0.604 ± 0.017  0.950 ± 0.010  1.067 ± 0.027 

Intercept  0.537± 0.121  0.160 ± 0.091  ‐0.031 ± 0.090  0.626 ± 0.072 

R2  0.920  0.772  0.960  0.810 

AVG (X)  5.534  4.520  7.543  2.124 

AVG (Y)  7.132  2.891  7.132  2.891 

AVG (Y/X)  1.305 ± 0.193  0.669 ± 0.326  1.071 ± 0.188  1.481 ± 0.435 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  40

3.3.5 Material Balance 

Major  PM  components  can  be  classified  into  seven  categories  including:  1)  geological material, which can be estimated by (1.89 × [Al] + 2.14 × [Si] + 1.4 × [Ca] + 1.43 × [Fe]); 2) organic matter, which can be estimated from OC concentration as [OM] = 1.4 × [OC]; 3) soot which  can be  represented by  EC  concentration;  4)  ammonium  sulfate  (1.38  ×  [SO4

2‐]);  5) ammonium nitrate (1.29 ×  [NO3

‐]); 6) non‐crustal trace elements; 7) Unidentified material. Considering  the  large  uncertainty  in Na measurement  by  XRF,  soluble  sodium  is  used  in calculation  instead of total sodium. Therefore, the reconstructed mass  is calculated by the following equation, 

[Reconstructed Mass] 

=  1.89 × [Al] + 2.14 × [Si] + 1.4 × [Ca] + 1.43 × [Fe] 

+  1.4 × [OC] 

+  [EC] 

+   1.38 × [SO42‐] 

+  1.29 × [NO3‐] 

+  [Na+] 

+  trace elements excluding Na, Al, Si, Ca, Fe, and S 

The  reconstructed  mass  is  plotting  against  the  measured  mass  in  Figure  11.  A  strong correlation  (R2  =  0.98)  is  observed  between  the  reconstructed mass  and measured mass with a slope of 0.90 ± 0.01. Different from the comparison made between sum of chemical species and measured mass (Figure 2), the major uncertainty of the reconstructed mass  is due  to  the  estimation  of  organic  matter  (OM).  Generally,  the  concentration  of  OM  is determined by multiplying the OC concentration by an empirical factor. In this study, a value of  1.4  was  applied  to  this  factor.  It  is  worth  noting  that  the  [OM]/[OC]  ratio  is  site dependent. The [OM]/[OC] ratio of freshly emitted aerosols is smaller than that of the more aging (oxygenated) aerosols. Since the conversion factor  is kept constant for calculation  in this study,  it can be seen  that  the average ratio of reconstructed mass  to measured mass has the highest value for MK site, which  is a roadside station and the dominant air mass  is more freshly generated. 

MK111120 was found to be an outlier in Figure 11a and the possible underlying causes were discussed in Section 3.3.1. 

 

 

 

 

 

 

 

 

  41

y = 0.887x + 3.307

R2 = 0.963

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Recon

structed

 Mass (ug/m

3 )

(a) Mong Kok (MK)

y = 0.875x + 1.216

R2 = 0.988

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Recon

structed

 Mass (ug/m

3 )

(b) Central/Western (CW)

y = 0.887x ‐ 0.063

R2 = 0.988

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Reconstructed Mass (ug/m

3 )

(c) Clear Water Bay (WB)

y = 0.899x + 0.024

R2 = 0.994

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Reconstructed Mass (ug/m

3 )

(d) Tung Chung (TC)

y = 0.893x + 0.876

R2 = 0.993

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Recon

structed

 Mass (ug/m

3 )

(e) Tsuen Wan (TW)

y = 0.881x + 0.773

R2 = 0.991

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Measured Mass (ug/m3)

Reconstructed Mass (ug/m

3 )

(f) Yuen Long (YL)

 

Figure 11. Scatter plots of  reconstructed mass versus measured mass on Teflon  filters  for PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. 

 

 

 

 

 

 

  42

Table 15. Statistics analysis of reconstructed mass versus measured mass on Teflon  filters for PM2.5 samples collected at individual sites. 

Statistics/Site  MK  CW  WB  TC  TW  YL  ALL 

n  61  61  61  61  61  61  366 

Slope 0.887 

(± 0.023) 

0.875 

(± 0.012) 

0.887 

(± 0.013) 

0.899 

(± 0.009) 

0.893 

(± 0.010) 

0.881 

(± 0.011) 

0.896 

(± 0.006) 

Intercept 3.307 

(± 1.065) 

1.216 

(± 0.494) 

‐0.063 

(± 0.451) 

0.024 

(± 0.370) 

0.876 

(± 0.382) 

0.773 

(± 0.463) 

0.682 

(± 0.249) 

R2  0.963  0.988  0.988  0.994  0.993  0.991  0.984 

AVG Mea. Mass 

43.077  35.364  31.320  35.572  35.298  38.220  36.475 

AVG Rec. Mass 

41.500  32.170  27.726  32.003  32.401  34.459  33.376 

AVG Rec./Mea. 

Mass 

0.982 

(± 0.071) 

0.926 

(± 0.068) 

0.883 

(± 0.051) 

0.904 

(± 0.048) 

0.929 

(± 0.048) 

0.915 

(± 0.057) 

0.923 

(± 0.065) 

 

The annual average composition (%) of the major components to the PM2.5 mass is shown in Figure 12 for individual sites. The unidentified mass for MK, CW, WB, TC, TW, and YL is 3.7%, 8.8%,  11.3%,  9.7%,  7.7%,  and  9.0%  of  the  measured  mass,  respectively.  Overall,  the reconstructed mass agrees with the measured mass within approx. 12%. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  43

Geological4%

Nitrate6%

Unidentified4%

Trace Element3%

NH4+10%

Na+1%

K1%

Soot20%

Organics26%

Sulfate25%

(a) Mong Kok (MK) Average Mass = 43.08 µg/m3

Geological5%

Nitrate7%

Unidentified9%

Trace Element4%

NH4+13%

Na+1%

K1%

Soot10%

Organics19%

Sulfate31%

Average Mass = 35.36 µg/m3(b) Central/Western (CW)

Geological5%

Nitrate3%

Unidentified11%

Trace Element4%

NH4+13%

Na+2%

K2%

Soot8%

Organics17%

Sulfate35%

Average Mass = 31.32 µg/m3(c) Clear Water Bay (WB)

Sulfate32%

Organics20%

Soot10%

K1%

Na+1%

NH4+12%

Trace Element4%

Unidentified10%

Nitrate5%

Geological5%

Average Mass = 35.57 µg/m3(d) Tung Chung (TC)

Geological5%

Nitrate5%

Unidentified8%

Trace Element3%

NH4+12%

Na+1%

K1%

Soot12%

Organics22%

Sulfate31%

Average Mass = 35.30 µg/m3(e) Tsuen Wan (TW)

Sulfate29%

Organics21%

Soot12%

K1%

Na+1%

NH4+12%

Trace Element3%

Unidentified9%

Nitrate7%

Geological5%

Average Mass = 38.22 µg/m3(f) Yuen Long (YL)

 

Figure  12.  Annual  average  composition  (%)  of major  components  including  1)  geological material; 2) organic matter; 3) soot; 4) ammonium; 5) sulfate; 6) nitrate; 7) non‐crustal trace elements,  and  8)  Unidentified  material  (difference  between  measured  mass  and  the reconstructed mass) to PM2.5 mass for (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. 

 

 

  44

Annually MK had the highest PM2.5  loading while WB had the  lowest (Figure 13). For all of the six sites, OM and sulfate were two most abundant components followed by ammonium and  soot  (EC  by  IMPROVE_TOR method).  The  EC  concentration was  highest  in MK  and lowest in WB, which is consistent with the natures of the sampling sites. The concentrations of ammonium, geological materials, and trace elements didn’t vary much across all six sites. 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

MK CW WB TC TW YL

PM2.5 C

oncentration

 (ug/m3)

Trace Element

Nitrate

Sulfate

K

Na+

NH4+

Soot

Organics

Geological

Measured Mass

 

Figure 13. Comparison of annual average concentrations of major components including 1) geological material; 2) organic matter; 3) soot; 4) ammonium; 5) sulfate; 6) nitrate; 7) non‐crustal  trace  elements,  and  8) Unidentified material  (difference between measured mass and the reconstructed mass) to PM2.5 mass between individual sites. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  45

3.3.6 Comparison of Collocated Samples 

Collocated samplings were conducted  in MK and CW sites on Teflon filters, and  in WB and TC  sites on QMA  filters.  The  comparison of  the  collocated  samples  serves  as part of  the quality  assurance  efforts  for  the  PM  study  with  the  purpose  of  determining  the reproducibility of the sampling and analytical methods. 

The data used for this comparison were subject to a data screening procedure including two steps. First, species that can be quantified (concentration > LOQ) more than 70% of the time will be included. Second, if either of the values in one pair of samples is below the LOQ, the whole pair of samples will be removed from the data set. 

Bias  and  precisions  were  computed  for  collocated  comparisons  on  PM2.5  and  selected chemical species with the screened data set. The equations used are as below, 

2ii

iYX

C+

=             (10) 

%100)(

% ×−

=i

iii

C

XYRB         (11) 

∑=

×−=

n

i i

ii

C

XY

nRB

1

%100)(1%         (12) 

2

%% iRBRSD =           (13) 

∑=

=n

iiRSD

nRSD

1

2%1

%         (14) 

where: 

Xi = ambient air concentration of sample i measured at sampler X, µg/m3 

Yi = ambient air concentration of sample i measured at collocated sampler Y, µg/m3 

n = number of paired samples 

%RB = percent relative bias 

%RSD = percent relative standard deviation 

The method for comparison used in this analysis gives a measure of the overall precision of the  PM study,  i.e.  the  sampling  stage  and  the  analytical  stage  are  combined.  The  results (Table 16) show that the average relative biases of the concentrations of PM2.5 and selected chemical species for collocated samples are below 10%. It suggests that the precision of the PM sampling/analytical methods are acceptable.  

 

 

 

 

  46

Table 16. Average relative biases and average relative standard deviations of concentrations of PM2.5 and selected chemical species for collocated samples. 

 No. of Paired Samples 

Average Relative Bias (%RB) 

Average Relative Standard Deviation (%RSD) 

PM2.5_Teflon  122  ‐0.430  1.664 

PM2.5_QMA  122  1.973  14.235 

Na+   121  ‐0.444  11.793 

NH4+   122  ‐0.254  6.564 

K+  121  3.393  13.978 

Cl‐   100  1.446  28.029 

NO3‐   112  7.706  22.378 

SO42‐   122  1.091  5.404 

TOR_OC  115  0.258  9.389 

TOR_EC  122  0.642  16.366 

Al  111  2.117  5.843 

Si  114  3.089  7.296 

K  122  1.098  3.570 

Ca  122  2.822  6.887 

Ti  118  1.847  13.528 

V  117  ‐0.825  11.453 

Mn  86  2.439  9.193 

Fe  122  3.584  5.401 

Ni  79  1.928  10.271 

Cu  108  4.270  7.546 

Zn  102  1.574  6.739 

Pb  94  0.668  6.029 

 

 

 

 

 

 

 

 

  47

3.3.7 PM2.5 Mass Concentrations: Gravimetric vs. Continuous Measurements 

Continuous  monitoring  of  PM2.5  concentrations  by  TEOMs  (tapered  element  oscillating microbalance) is carried out at a few locations  in Hong Kong, including in MK, CW, TC, TW, and YL sites. A beta gauge particulate monitor (Model 5030 SHARP, Thermo Scientific) has been  set  up  in HKUST  site  for  continuous monitoring  of  PM2.5  concentrations  since May 2011. Comparisons of PM2.5 mass concentrations from gravimetric measurement and 24‐hr average TEOM/beta gauge measurement were conducted. The results are presented in both time‐series  plots  and  scatter  plots  (Figure  14).  Uncertainties  of  TEOM/beta  gauge  are assumed  to be 5% of  concentration. The  two measurements  show good agreement  (R2 = 0.79  ‐ 0.94) with slopes ranging  from 0.7  to 1.2. No prominent outliers were  found  in  the results from all six sampling sites. 

0

20

40

60

80

100

120

1/13/2011

2/13/2011

3/13/2011

4/13/2011

5/13/2011

6/13/2011

7/13/2011

8/13/2011

9/13/2011

10/13/2011

11/13/2011

12/13/2011

PM2.5 C

onc., ug/m

3

Measured Mass

TEOM

(a) Mong Kok (MK)

y = 0.711x + 7.645

R2 = 0.786

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120Measured PM2.5 mass, ug/m3

TEOM PM

2.5 m

ass, ug/m

3

 

0

20

40

60

80

100

120

1/13/2011

2/13/2011

3/13/2011

4/13/2011

5/13/2011

6/13/2011

7/13/2011

8/13/2011

9/13/2011

10/13/2011

11/13/2011

12/13/2011

PM2.5 C

onc., ug/m

3

Measured Mass

TEOM

(b) Central/Western (CW)

y = 1.068x ‐ 0.498

R2 = 0.933

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120Measured PM2.5 mass, ug/m3

TEOM PM

2.5 m

ass, ug/m

3

 

0

20

40

60

80

100

120

1/13/2011

2/13/2011

3/13/2011

4/13/2011

5/13/2011

6/13/2011

7/13/2011

8/13/2011

9/13/2011

10/13/2011

11/13/2011

12/13/2011

PM2.5 C

onc., ug/m

3

Measured Mass

Beta Gauge

(c) Clear Water Bay (WB)

y = 1.163x ‐ 2.608

R2 = 0.939

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120Measured PM2.5 mass, ug/m3

Beta Gauge

 PM

2.5 m

ass, ug/m

3

 

  48

0

20

40

60

80

100

120

1/13/2011

2/13/2011

3/13/2011

4/13/2011

5/13/2011

6/13/2011

7/13/2011

8/13/2011

9/13/2011

10/13/2011

11/13/2011

12/13/2011

PM2.5 C

onc., ug/m

3Measured Mass

TEOM

(d) Tung Chung (TC)

y = 0.861x + 2.130

R2 = 0.886

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120Measured PM2.5 mass, ug/m3

TEOM PM

2.5 m

ass, ug/m

3

 

0

20

40

60

80

100

120

1/13/2011

2/13/2011

3/13/2011

4/13/2011

5/13/2011

6/13/2011

7/13/2011

8/13/2011

9/13/2011

10/13/2011

11/13/2011

12/13/2011

PM2.5 C

onc., ug/m

3

Measured Mass

TEOM

(e) Tsuen Wan (TW)

y = 0.832x + 5.434

R2 = 0.863

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120Measured PM2.5 mass, ug/m3

TEOM PM

2.5 m

ass, ug/m

3

 

0

20

40

60

80

100

120

1/13/2011

2/13/2011

3/13/2011

4/13/2011

5/13/2011

6/13/2011

7/13/2011

8/13/2011

9/13/2011

10/13/2011

11/13/2011

12/13/2011

PM2.5 C

onc., ug/m

3

Measured Mass

TEOM

(f) Yuen Long (YL)

y = 0.815x + 5.370

R2 = 0.886

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120Measured PM2.5 mass, ug/m3

TEOM PM

2.5 m

ass, ug/m

3

 

Figure  14.  Comparisons  of  PM2.5 mass  concentrations  from  gravimetric  and  continuous measurements at (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL. 

 

 

 

 

 

 

  49

4. Comparison to the PM2.5 Sampling Campaigns  in 2000  ‐ 2001, 2004  ‐ 2005, and 2008 ‐ 2009 

A side‐by‐side comparison of the  four year study of PM2.5 samples collected during 2000  ‐ 2001, 2004  ‐ 2005, the whole year of 2009, and current 2011 period  is shown  in Table 17 [Chow et al., 2002, 2006, 2010]. In this study, two additional sites (CW and TC) were added while the rural HT site was replaced by the suburban WB site.  

MK, TW,  and YL  sites were picked out  for  annual  trend observation.  The  annual  average PM2.5 concentrations observed at these three sites were all found to decrease from 2005 to 2009 and then increase slightly in current study (Figure 15). The circular pollution wind maps as  a  function  of  PM2.5  mass  concentrations  were  plotted  for  TW  site  during  the  four sampling  campaign  periods  and  for  YL  site  during  the  three  sampling  periods  (Figures 16&17). Wind data at King’s Park was used to represent TW site while wind data at Lau Fau Shan was used to represent YL site. The color‐coded PM2.5 concentrations (in µg/m

3) were averaged  for different wind  speeds  (given by  the  radius with 1 m/s  resolution) and wind directions  (given  by  the  angle  with  10  degree  resolution).  The  black  concentric  circles correspond to winds of 3.5, 7, and 10.5 m/s for TW sites and 5, 10, and 15 m/s for YL site. The blue contours correspond to the most frequent 80% of the measured wind speed and direction pairs.  It  can be  seen  from  the  results  that  throughout  the  years,  the prevailing winds  are  easterly  (northeasterly  in winter  and  southeasterly  in  summer) while  a  small portion are westerly winds. High PM2.5 concentrations were usually associated with winds coming from the north, suggesting the important role of air pollutant transport from regions outside Hong Kong. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

MK TW YL

PM2.5 C

oncentration

s (ug/m

3 )

2001 2005 2009 2011

 

Figure  15. Comparisons of  annual  average PM2.5 mass  concentrations  at MK, TW,  and YL sites from 2001 to 2011. The error bars represent one standard variation of the PM2.5 mass concentration measurements over the year. 

 

 

  50

   

   

Figure  16. Wind Roses  for PM2.5 mass  concentrations  (µg/m3)  at  TW  site during  2000  ‐ 2001, 2004 ‐ 2005, 2008 ‐ 2009, and 2011. The black concentric circles correspond to winds of 3.5, 7, and 10.5 m/s. The blue contour lines correspond to the most frequent 80% of the measured wind speed and direction pairs. 

 

 

 

Figure 17. Wind Roses for PM2.5 mass concentrations (µg/m3) at YL site during 2004 ‐ 2005, 2008 ‐ 2009, and 2011. The black concentric circles correspond to winds of 5, 10, and 15 m/s. The blue contour  lines correspond to the most frequent 80% of the measured wind speed and direction pairs. 

  51

Measured  species were  grouped  into  six  categories  described  in  Section  3.3.5  for  better comparison (Figure 18).  

At MK and TW, ammonium and sulfate concentrations increased from the first year study to the second year study, decreased  in the third year study and  increased again  in the fourth year study. Compared to the 3rd year study, ammonium concentrations increased by 28.5% and 34.2% at MK and TW, respectively, during the 4th year study. At YL, the concentrations of  these  two  species were  at  a  lower  level during  the  third  year  study  compared  to  the second year study, but increased again in the fourth year study. 

Nitrate concentrations trended similarly at both MK and TW. Nitrate kept increasing during the first three one‐year studies but decreased in the 4th year study by 12.7% and 11.6% for MK  and  TW  sites,  respectively. At  YL  site,  however,  nitrate  decreased  from  the  2nd  year study to the 3rd year study but increased again by around 7% in the 4th year study. 

OC  concentrations  increased  consistently across  the MK, TW, and YL  sites  in  the 4th  year study by 29.2%, 24.2%, and 18.5%, respectively, compared to the 3rd year study. However, the EC concentrations exhibited different  trends. EC decreased quite significantly  (approx. 20%) at MK while increased by 12.7% and 32.1% at TW and YL, respectively. 

From 2009 to 2011, the concentrations of water‐soluble potassium (K+) increased by 46.2 ‐ 50.8%  across  the  three  sites  suggesting  that  the  impact of biomass burning  and/or  long‐range  transport  of  vegetative  burning  emissions  on  the  Hong  Kong  region may  become more important. Crustal materials (Al, Si, Ca, and Fe) generally trended down in the 2001 ‐ 2009 period but increased by 51.0%, 90.7%, and 91.5% at MK, TW, and YL sites, respectively. On the other hand, non‐crustal element concentrations  increased by 3.5 ‐ 20.3%  in the 4th year study compared to the 3rd year study. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  52

Table 17. Side‐by‐side comparison of the four one‐year studies of PM2.5 samples (in µg/m3) collected during 2000 ‐ 2001, 2004 ‐ 2005, 2008 ‐ 2009, and current 2011 (1/1/2011 ‐ 12/30/2011) period. Carbon concentrations are from the IMPROVE_TOR method. 

  2001  2001  2001    2005  2005  2005  2005    2009  2009  2009  2009    2011  2011  2011  2011  2011  2011   MK  TW  HT    MK  TW  YL  HT    MK  TW  YL  HT    MK  CW  WB  TC  TW  YL 

Teflon Mass  58.281  34.122  23.658    53.023  38.593  41.310  28.437    41.600  30.612  31.781  24.105    43.077  35.364  31.320  35.572  35.298  38.220 Quartz Mass  62.502  37.280  25.848    54.868  40.748  43.908  29.643    45.924  34.003  36.343  25.945    47.922  39.841  35.893  39.811  40.558  42.895 

Cl‐  0.256  0.138  0.143    0.283  0.126  0.264  0.124    0.312  0.175  0.213  0.298    0.205  0.191  0.105  0.109  0.122  0.174 NO3‐  1.653  1.343  0.708    2.404  1.635  2.864  0.762    2.809  2.031  2.419  1.508    2.452  2.389  0.934  1.897  1.795  2.590 SO4=  9.502  9.172  8.641    12.840  13.174  13.910  11.906    10.414  10.481  11.041  9.657    10.912  10.907  11.128  11.094  10.914  10.851 NH4+  3.174  2.965  2.157    4.400  4.070  4.617  3.059    3.402  3.268  3.470  2.631    4.373  4.454  4.090  4.377  4.385  4.627 Na+  0.398  0.397  0.679    0.423  0.362  0.375  0.527    0.320  0.211  0.262  0.380    0.431  0.452  0.510  0.413  0.404  0.402 K+  0.457  0.492  0.403    0.479  0.486  0.562  0.433    0.278  0.308  0.365  0.259    0.467  0.463  0.483  0.534  0.492  0.590 OC  16.642  8.690  4.226    11.177  6.932  7.235  3.921    6.262  4.376  4.834  2.697    8.094  4.918  3.905  5.125  5.435  5.727 EC  20.288  5.371  1.682    14.115  6.258  6.194  2.277    10.661  3.760  3.488  1.206    8.481  3.709  2.431  3.654  4.238  4.606 TC  36.911  14.041  5.890    25.284  13.181  13.420  6.190    16.912  8.124  8.310  3.892    16.550  8.604  6.313  8.756  9.649  10.309 Al  0.1139  0.1146  0.1094    0.1408  0.1414  0.1448  0.1223    0.0986  0.0828  0.0913  0.0828    0.1942  0.2008  0.1990  0.2009  0.1910  0.2114 Si  0.4778  0.3870  0.3489    0.3469  0.3141  0.3221  0.2546    0.2485  0.1853  0.2073  0.1685    0.3981  0.4209  0.3980  0.4079  0.3888  0.4349 P  0.0092  0.0050  0.0028    0.1886  0.1950  0.1917  0.1747    0.0225  0.0237  0.0229  0.0225    0.0194  0.0163  0.0150  0.0158  0.0163  0.0155 S  3.4886  3.3789  3.0534    4.3005  4.5835  4.5622  4.2099    3.3471  3.4305  3.4535  3.1650    3.6677  3.7263  3.8399  3.7518  3.7641  3.7813 Cl  0.1169  0.0874  0.1432    0.1391  0.0758  0.1590  0.0709    0.1037  0.0568  0.0941  0.0799    0.0889  0.1203  0.0720  0.0726  0.0640  0.0774 K  0.5517  0.5858  0.4892    0.4678  0.5080  0.5631  0.4551    0.3064  0.3281  0.3828  0.2780    0.4619  0.4677  0.4740  0.5192  0.4797  0.5722 Ca  0.1705  0.1262  0.1024    0.1082  0.0896  0.0891  0.0652    0.1102  0.0729  0.0738  0.0626    0.1298  0.1209  0.0914  0.0959  0.1006  0.1111 Ti  0.0092  0.0088  0.0079    0.0109  0.0102  0.0114  0.0062    0.0109  0.0084  0.0097  0.0062    0.0128  0.0118  0.0106  0.0138  0.0117  0.0156 V  0.0134  0.0137  0.0117    0.0190  0.0237  0.0195  0.0167    0.0175  0.0182  0.0144  0.0177    0.0146  0.0150  0.0119  0.0139  0.0206  0.0139 Cr  0.0010  0.0009  0.0006    0.0017  0.0015  0.0017  0.0014    0.0014  0.0012  0.0016  0.0011    0.0021  0.0020  0.0022  0.0022  0.0021  0.0024 Mn  0.0128  0.0124  0.0077    0.0170  0.0158  0.0170  0.0123    0.0127  0.0113  0.0127  0.0087    0.0214  0.0214  0.0174  0.0226  0.0186  0.0215 Fe  0.2692  0.1871  0.1219    0.2579  0.1858  0.1996  0.1190    0.2343  0.1325  0.1552  0.0947    0.2958  0.1978  0.1582  0.2094  0.1932  0.2215 Co  0.0001  0.0001  0.0002    0.0001  0.0001  0.0001  0.0002    0.0002  0.0002  0.0001  0.0002    0.0005  0.0005  0.0003  0.0004  0.0003  0.0004 Ni  0.0055  0.0054  0.0047    0.0061  0.0071  0.0068  0.0050    0.0049  0.0052  0.0044  0.0050    0.0050  0.0050  0.0042  0.0048  0.0064  0.0049 Cu  0.0113  0.0090  0.0052    0.0110  0.0104  0.0113  0.0065    0.0210  0.0188  0.0167  0.0169    0.0252  0.0215  0.0225  0.0226  0.0207  0.0234 Zn  0.1794  0.1743  0.1087    0.2399  0.2186  0.2381  0.1727    0.1579  0.1343  0.1600  0.1177    0.2156  0.2364  0.1948  0.2909  0.1936  0.2188 Ga  0.0004  0.0004  0.0005    0.0018  0.0030  0.0024  0.0026    0.0003  0.0004  0.0003  0.0004    0.0003  0.0002  0.0002  0.0002  0.0001  0.0001 As  0.0046  0.0055  0.0042    0.0053  0.0063  0.0084  0.0043    0.0012  0.0010  0.0016  0.0006    0.0043  0.0046  0.0053  0.0050  0.0046  0.0058 Se  0.0021  0.0022  0.0020    0.0003  0.0004  0.0005  0.0004    0.0003  0.0004  0.0004  0.0006    0.0000  0.0000  0.0000  0.0000  0.0000  0.0000 Br  0.0129  0.0127  0.0121    0.0106  0.0099  0.0116  0.0108    0.0172  0.0148  0.0143  0.0174    0.0172  0.0170  0.0190  0.0159  0.0156  0.0171 Rb  0.0036  0.0043  0.0032    0.0020  0.0025  0.0029  0.0019    0.0010  0.0011  0.0015  0.0008    0.0011  0.0013  0.0014  0.0015  0.0014  0.0016 Sr  0.0013  0.0011  0.0011    0.0011  0.0011  0.0015  0.0015    0.0017  0.0019  0.0020  0.0015    0.0030  0.0032  0.0030  0.0027  0.0029  0.0030 Y  0.0001  0.0001  0.0002    0.0004  0.0004  0.0004  0.0003    0.0003  0.0004  0.0003  0.0004    0.0002  0.0002  0.0004  0.0002  0.0003  0.0004 Zr  0.0006  0.0006  0.0005    0.0016  0.0013  0.0007  0.0010    0.0010  0.0008  0.0011  0.0010    0.0006  0.0002  0.0003  0.0004  0.0004  0.0006 Mo  0.0005  0.0005  0.0007    0.0015  0.0011  0.0017  0.0012    0.0007  0.0006  0.0007  0.0005    0.0016  0.0012  0.0011  0.0011  0.0013  0.0009 Pd  0.0012  0.0017  0.0011    0.0019  0.0014  0.0016  0.0020    0.0006  0.0007  0.0008  0.0005    0.0016  0.0018  0.0023  0.0021  0.0019  0.0018 Ag  0.0011  0.0017  0.0014    0.0013  0.0020  0.0018  0.0012    0.0010  0.0007  0.0008  0.0007    0.0003  0.0002  0.0003  0.0002  0.0001  0.0001 Cd  0.0019  0.0023  0.0022    0.0022  0.0021  0.0025  0.0018    0.0008  0.0007  0.0007  0.0005    0.0006  0.0005  0.0005  0.0006  0.0004  0.0007 In  0.0018  0.0020  0.0014    0.0009  0.0010  0.0017  0.0011    0.0005  0.0005  0.0005  0.0005    0.0003  0.0003  0.0005  0.0006  0.0003  0.0002 Sn  0.0188  0.0203  0.0116    0.0131  0.0188  0.0162  0.0084    0.0107  0.0101  0.0100  0.0091    0.0131  0.0122  0.0125  0.0135  0.0120  0.0154 Sb  0.0046  0.0049  0.0038    0.0042  0.0027  0.0039  0.0033    0.0009  0.0009  0.0014  0.0015    0.0080  0.0074  0.0068  0.0075  0.0067  0.0087 Ba  0.0267  0.0170  0.0086    0.0106  0.0081  0.0068  0.0053    0.0031  0.0031  0.0024  0.0026    0.0167  0.0108  0.0087  0.0104  0.0101  0.0108 La  0.0131  0.0087  0.0130    0.0105  0.0081  0.0082  0.0112    0.0036  0.0034  0.0040  0.0053    0.0164  0.0156  0.0146  0.0163  0.0132  0.0165 Au  0.0003  0.0005  0.0004    0.0003  0.0006  0.0002  0.0003    0.0000  0.0000  0.0001  0.0002    0.0000  0.0000  0.0000  0.0000  0.0000  0.0000 Hg  0.0001  0.0002  0.0001    0.0000  0.0003  0.0001  0.0001    0.0000  0.0000  0.0000  0.0000    0.0000  0.0000  0.0000  0.0000  0.0000  0.0000 Tl  0.0001  0.0001  0.0001    0.0002  0.0001  0.0000  0.0003    0.0000  0.0001  0.0001  0.0000    0.0000  0.0000  0.0000  0.0000  0.0000  0.0000 Pb  0.0664  0.0726  0.0576    0.0478  0.0498  0.0624  0.0432    0.0405  0.0406  0.0437  0.0399    0.0597  0.0604  0.0626  0.0630  0.0599  0.0671 U  0.0001  0.0002  0.0002    0.0013  0.0011  0.0017  0.0018    0.0008  0.0007  0.0007  0.0010    0.0040  0.0035  0.0040  0.0038  0.0038  0.0035 

  53

0

5

10

15

20

25

Geological OC So

otNH4+ Na

+ K

Sulfate

Nitrate

Trace Elem

ent

PM2.5 C

oncentration

s (ug/m

3 )2001 2005 2009 2011(a) Mong Kok (MK)

0

5

10

15

20

25

Geological OC So

otNH4+ Na

+ K

Sulfate

Nitrate

Trace Elem

ent

PM2.5 C

oncentration

s (ug/m

3 )

2001 2005 2009 2011(b) Tsuen Wan (TW)

0

5

10

15

20

25

Geological OC So

otNH4+ Na

+ K

Sulfate

Nitrate

Trace Elem

ent

PM2.5 C

oncentration

s (ug/m

3 )

2005 2009 2011(c) Yuen Long (YL)

 

Figure 18. Annual trend of major components of PM2.5 samples collected at (a) MK, (b) TW, and (c) YL. 

  54

Annual average concentrations of certain gaseous pollutants were  further examined  in an attempt to understand more about the underlying causes leading to the increase in OC and ammonium sulfate, which are  the  two main contributors  to  the PM elevation. TW and YL sites were chosen since the monitoring data are more complete for these two sites.  

Figure  19  shows  the  annual  trends  of  sulfur  dioxide,  which  is  the  precursor  of  sulfate, together with the oxidant  level at TW and YL  from 2000 to 2011. Peak values of both SO2 and Ox (sum of O3 and NO2) were observed for 2004 ‐ 2005 and they corresponded to the highest SO4

2‐ concentrations at both  the TW and YL  sites among  the  studied periods. The SO2 and Ox concentration  levels  in the period of 2008  ‐ 2009 were comparable to those  in 2011. Assuming similar meteorological conditions in both periods (precipitation is important sink of  sulfate but  the data  is not  available  to  the project  team),  the  amounts of  sulfate formed  locally were expected to be comparable. The  increase of sulfate  in 2011 compared to  2008  ‐  2009 might  then  be  attributed  to  pollutant  transport  from  outside‐Hong  Kong region. 

0

10

20

30

40

50

60

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Year

Ox C

onc., ppb

Tsuen Wan

Yuen Long

(b) Oxidants (Ox = O3 + NO2)

0

2

4

6

8

10

12

14

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Year

SO2 Co

nc., pp

b

Tsuen Wan

Yuen Long

(a) Sulfur Dioxide (SO2)

 

Figure 19. Annual average concentration  levels of (a) sulfur dioxide and (b) oxidants at TW and YL sites from 2000 to 2011. 

To briefly  investigate  the  impact of outside‐Hong Kong  transport on  the pollution  level  in Hong Kong, the annual average concentrations of O3 and CO at Tap Mun (TM) AQMS were examined  (Figure  20).  O3  serves  as  a  tracer  for  regional  transport  in  places where  NOx emissions are low. CO is a well‐known combustion tracer. Due to its relatively long lifetime, CO can also be an indicator for long‐range transport. The TM AQMS is chosen for inspecting the  annual  trend of O3  and CO  since  it  is  a  rural background/transport  site  located on  a remote  island off  the northeast  coast of Hong Kong, with  little  local  combustion  sources. The  O3  concentrations  in  all  four  studied  periods  were  at  similar  levels  while  the  CO concentration  increased  in the 2nd year (2004‐2005) study compared to the 1st year (2000‐2001)  study,  decreased  by  approx.  20%  in  the  3rd  year  (2008‐2009)  study,  and  then increased again to the level of 2004 ‐ 2005 in this study (year 2011). This variation suggests that transport of air pollutants from regions outside Hong Kong was more significant in 2011 than in the period of 2008 ‐ 2009, in some way supporting the contention that the increase of PM (more specifically, OC and sulfate) might partially be caused by regional transport. 

 

  55

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Year

O3 C

onc., p

pb

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

CO Con

c., p

pm

O3, ppb

CO, ppm

 

Figure 20. Annual average  concentrations of O3 and CO at Tap Mun AQMS  from 2000  to 2011. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  56

5. Summary 

During the period from January 1, 2011 to December 31, 2011, a PM2.5 sampling campaign was conducted every sixth day in Hong Kong at six sites representing air quality at roadside, urban, new  town, and  suburban areas. A  total of 366  samples  (61  samples  for each  site) were collected from the Mong Kok (MK), Central Western (CW), Clear Water Bay (WB), Tung Chung  (TC), Tsuen Wan  (TW), and Yuen Long  (YL) sites. The highest annual average PM2.5 mass of about 43.1 µg/m3 was measured at the roadside MK site. The lowest annual average PM2.5 mass of about 31.3 µg/m3 was found at the suburban WB site, which is slightly lower than the newly proposed HK AQO annual 24‐hour PM2.5 standard of 35 µg/m

3. 

Two levels of validation were performed on the complete data set. Reconstructed mass and measured mass were highly correlated with correlation coefficients  (R2) ranging  from 0.96 to  0.99.  It  further  supports  the  validity  of  both  gravimetric  analysis  and  chemical measurements.  The  reconstructed mass  averagely explains approx. 90% of  the measured PM2.5 mass.  

Sulfate  is  the most abundant  component  in  the PM2.5 across  the  five  sites  (28.4  ‐ 35.5%) except  for MK  (25.3%,  lower  than  that of OC). Nitrate concentrations as measured  in  the quartz filters were much lower than those of sulfate, contributing approx. 3.0 ‐ 6.8% to the total mass at all sites. Ammonium was reasonably balanced by sulfate and nitrate and it was suggested  to exist dominantly as ammonium  sulfate over  the Hong Kong  region. Both OC and  EC  concentrations were  consistently  higher  at MK  than  at  the  other  five  sites.  The lowest average EC value was found at WB site, which is in a relatively clean area with little commercial development. 

Monthly average PM2.5 concentration and chemical composition  for each of the  individual site  are  shown  in  Figure  21  in  order  to  examine  the  seasonal  trends  of  the  different  air pollutants. The results suggest that the entire Hong Kong region experienced higher PM2.5 concentrations  in winter months  (Jan, Feb, Nov, and Dec) while the summer months  (Jun, Jul, and Aug) usually have lower PM levels. The meteorological conditions play an important role in this situation. In winter time, the northerly and northeasterly winds prevail, bringing in air pollutants from mainland China. During summer, wind directions change to southerly and southeasterly and the clean marine air helps to dilute air pollutants in Hong Kong. 

The  elevated  PM2.5  concentrations  were mainly  caused  by  increasing  concentrations  of sulfate, organics, and nitrate. Both sulfate and organics can be  linked to regional transport from the Pearl River Delta (PRD) region or even super‐regional transport from outside PRD region. It suggests that sulfate and organics from secondary sources contribute significantly to the PM2.5 mass loading in Hong Kong. The concentration variation of nitrate, on the other hand,  might  be  caused  by  regional  transport  together  with  local  formation  which  is temperature‐dependent. 

Unlike the other five sites, the concentrations of EC at MK exhibited little seasonal variations, suggesting  that  EC  at MK  is  dominantly  from  local  sources  (e.g.  vehicle  exhausts).  The reduction  in  EC  levels  at MK  from  2001  to  2011  indicates  control measures  of  vehicular emissions are effective over the years. 

 

 

  57

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

PM2.5 C

oncentration

 (ug/m

3 )

Trace Element

Nitrate

Sulfate

K

Na+

NH4+

Soot

Organics

Geological

PM2.5

(a) Mong Kok (MK)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

PM2.5 C

oncentration

 (ug/m

3 )

Trace Element

Nitrate

Sulfate

K

Na+

NH4+

Soot

Organics

Geological

PM2.5

(b) Central/Western (CW)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

PM2.5 C

oncentration

 (ug/m

3 )

Trace Element

Nitrate

Sulfate

K

Na+

NH4+

Soot

Organics

Geological

PM2.5

(c) Clear Water Bay (WB)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

PM2.5 C

oncentration

 (ug/m

3 )

Trace Element

Nitrate

Sulfate

K

Na+

NH4+

Soot

Organics

Geological

PM2.5

(d) Tung Chung (TC)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

PM2.5 C

oncentration

 (ug/m

3 )

Trace Element

Nitrate

Sulfate

K

Na+

NH4+

Soot

Organics

Geological

PM2.5

(e) Tsuen Wan (TW)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

PM2.5 C

oncentration

 (ug/m

3 )

Trace Element

Nitrate

Sulfate

K

Na+

NH4+

Soot

Organics

Geological

PM2.5

(f) Yuen Long (YL)

 

Figure 21. Monthly average of PM2.5 mass concentrations and chemical compositions for (a) MK, (b) CW, (c) WB, (d) TC, (e) TW, and (f) YL during 2011 PM study. 

 

Seen  from  the  evaluation  of  variations  of  PM2.5  mass  concentrations  and  major  PM components at different sites, sulfate, nitrate, and OC increased to different extents during the  period  of  2009  ‐  2011.  These  pollutants  can  be  generated  from  both  primary  and secondary sources, and they can be formed  locally or transported from outside Hong Kong region.  

 

 

 

 

  58

References 

Birch,  M.  E.  and  R.  A.  Cary  (1996),  Elemental  carbon‐based  method  for  monitoring occupational exposures to particulate diesel exhaust, Aerosol Sci. Technol., 25, 221‐241. 

Chen, L. ‐W. A., J. C. Chow, J. G. Watson, H. Moosmüller, and W. P. Arnott (2004), Modeling reflectance  and  transmittance  of  quartz‐fiber  filter  samples  containing  elemental  carbon particles: Implications for thermal/optical analysis, J. Aerosol Sci., 35, 765‐780. 

Chow, J. C., J. G. Watson, L. C. Pritchett, W. R. Pierson, C. A. Frazier, and R. G. Purcell (1993), The  DRI  thermal/optical  reflectance  carbon  analysis  system:  description,  evaluation  and applications in U. S. air quality studies, Atmos. Environ., 27A, 1185‐1201. 

Chow, J. C., J. G. Watson, L. ‐W. A. Chen, W. P. Arnott, H. Moosmüller, and K. K. Fung (2004), Equivalence of  elemental  carbon by  Thermal/Optical Reflectance  and  Transmittance with different temperature protocols, Environ. Sci. Technol., 38, 4414‐4422. 

Chow J. C., J. G. Watson, L. ‐W. A. Chen, M. C. O. Chang, N. F. Robinson, D. Trimble, and S. D. Kohl  (2007),  The  IMPROVE_A  temperature  protocol  for  thermal/optical  carbon  analysis: maintaining consistency with a long‐term database, J. Air Waste Manage. Assoc., 57, 1014‐1023. 

Chow J. C., J. G. Watson, Kohl, S. D., Gonzi, M. P., L. ‐W. A. Chen (2002), Measurements and Validation for the Twelve Month Particulate Matter Study in Hong Kong, report prepared for Hong  Kong  Environmental  Protection  Department.  Available  at: http://www.epd.gov.hk/epd/english/environmentinhk/air/studyrpts/files/final_version_hkepdfinalreport_rev12‐12‐02.pdf. 

Chow J. C., J. G. Watson, Kohl, S. D., Voepel, H. E., L. ‐W. A. Chen (2006), Measurements and Validation for the Twelve Month Particulate Matter Study in Hong Kong, report prepared for Hong  Kong  Environmental  Protection  Department.  Available  at: http://www.epd.gov.hk/epd/english/environmentinhk/air/studyrpts/files/HKEPDFinalReportRev_V8.pdf. 

Chow J. C., J. G. Watson, Kohl, S. D., L. ‐W. A. Chen (2010), Measurements and validation of the  2008/2009  particulate matter  study  in  Hong  Kong,  report  prepared  for  Hong  Kong Environmental  Protection  Department.  Available  at: http://www.epd.gov.hk/epd/english/environmentinhk/air/studyrpts/files/HKEPDFinalReportRev_11‐29‐10_v2.pdf. 

Subramanian,  R.,  A.  Y.  Khlystov,  and  A.  L.  Robinson  (2006),  Effect  of  peak  inert‐mode temperature  on  elemental  carbon measured  using  thermal‐optical  analysis,  Aerosol  Sci. Technol., 40, 763‐780. 

Watson, J. G., J. C. Chow, and C. A. Frazier (1999), X‐ray fluorescence analysis of ambient air samples,  Elemental  Analysis  of  Airborne  Particles,  Vol  1,  by  S.  Landsberger  and  M. Creatchman, Eds. Gordon and Breach Science, Amsterdam, 67‐96. 

Wu, C., W. M. Ng, J. X. Huang, D. Wu, and J. Z. Yu (2012), Determination of elemental and organic  carbon  in  PM2.5  in  the  Pearl River Delta Region:  Inter‐instrument  (Sunset  vs. DRI Model 2001 thermal/optical carbon analyzer) and inter‐protocol comparisons (IMPROVE vs. ACE‐Asia protocol), Aerosol Sci. Technol., 46, 610‐621.