Air quality transcends all scales with in the atmosphere from the local to the global with handovers and feedbacks at each scale interaction. Air quality has manifold effects on health, ecosystems, heritage and climate. In this review the state of scientific understanding in relation to global and regional air quality is outlined. The review discusses air quality, in terms of emissions, processing and transport of trace gases and aerosols. New insights into the characterization of both natural and anthropogenic emissions are reviewed looking at both natural (e.g. dust and lightning) as well as plant emissions. Trends in anthropogenic emissions both by region and globally are discussed as well as biomass burning emissions. In terms of chemical processing the major air quality elements of ozone, non-methane hydrocarbons, nitrogen oxides and aerosols are covered. A number of topics are presented as a way of integrating the process view into the atmospheric context; these include the atmospheric oxidation efficiency, halogen and HOx chemistry, nighttime chemistry, tropical chemistry, heat waves, megacities, biomass burning and the regional hot spot of the Mediterranean. New findings with respect to the transport of pollutants across the scales are discussed, in particular the move to quantify the impact of long-range transport on regional air quality. Gaps and research questions that remain intractable are identified. The review concludes with a focus of research and policy questions for the coming decade. In particular, the policy challenges for concerted air quality and climate change policy (co-benefit) are discussed.

Abstract. Mobility particle size spectrometers often referred to as DMPS (Differential Mobility Particle Sizers) or SMPS (Scanning Mobility Particle Sizers) have found a wide range of applications in atmospheric aerosol research. However, comparability of measurements conducted world-wide is hampered by lack of generally accepted technical standards and guidelines with respect to the instrumental set-up, measurement mode, data evaluation as well as quality control. Technical standards were developed for a minimum requirement of mobility size spectrometry to perform long-term atmospheric aerosol measurements. Technical recommendations include continuous monitoring of flow rates, temperature, pressure, and relative humidity for the sheath and sample air in the differential mobility analyzer. We compared commercial and custom-made inversion routines to calculate the particle number size distributions from the measured electrical mobility distribution. All inversion routines are comparable within few per cent uncertainty for a given set of raw data. Furthermore, this work summarizes the results from several instrument intercomparison workshops conducted within the European infrastructure project EUSAAR (European Supersites for Atmospheric Aerosol Research) and ACTRIS (Aerosols, Clouds, and Trace gases Research InfraStructure Network) to determine present uncertainties especially of custom-built mobility particle size spectrometers. Under controlled laboratory conditions, the particle number size distributions from 20 to 200 nm determined by mobility particle size spectrometers of different design are within an uncertainty range of around ±10% after correcting internal particle losses, while below and above this size range the discrepancies increased. For particles larger than 200 nm, the uncertainty range increased to 30%, which could not be explained. The network reference mobility spectrometers with identical design agreed within ±4% in the peak particle number concentration when all settings were done carefully. The consistency of these reference instruments to the total particle number concentration was demonstrated to be less than 5%. Additionally, a new data structure for particle number size distributions was introduced to store and disseminate the data at EMEP (European Monitoring and Evaluation Program). This structure contains three levels: raw data, processed data, and final particle size distributions. Importantly, we recommend reporting raw measurements including all relevant instrument parameters as well as a complete documentation on all data transformation and correction steps. These technical and data structure standards aim to enhance the quality of long-term size distribution measurements, their comparability between different networks and sites, and their transparency and traceability back to raw data.

Abstract. In this paper we describe and summarize the main achievements of the European Aerosol Cloud Climate and Air Quality Interactions project (EUCAARI). EUCAARI started on 1 January 2007 and ended on 31 December 2010 leaving a rich legacy including: (a) a comprehensive database with a year of observations of the physical, chemical and optical properties of aerosol particles over Europe, (b) comprehensive aerosol measurements in four developing countries, (c) a database of airborne measurements of aerosols and clouds over Europe during May 2008, (d) comprehensive modeling tools to study aerosol processes fron nano to global scale and their effects on climate and air quality. In addition a new Pan-European aerosol emissions inventory was developed and evaluated, a new cluster spectrometer was built and tested in the field and several new aerosol parameterizations and computations modules for chemical transport and global climate models were developed and evaluated. These achievements and related studies have substantially improved our understanding and reduced the uncertainties of aerosol radiative forcing and air quality-climate interactions. The EUCAARI results can be utilized in European and global environmental policy to assess the aerosol impacts and the corresponding abatement strategies.

Abstract. Organic aerosols (OA) represent one of the major constituents of submicron particulate matter (PM1) and comprise a huge variety of compounds emitted by different sources. Three intensive measurement field campaigns to investigate the aerosol chemical composition all over Europe were carried out within the framework of the European Integrated Project on Aerosol Cloud Climate and Air Quality Interactions (EUCAARI) and the intensive campaigns of European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP) during 2008 (May–June and September–October) and 2009 (February–March). In this paper we focus on the identification of the main organic aerosol sources and we define a standardized methodology to perform source apportionment using positive matrix factorization (PMF) with the multilinear engine (ME-2) on Aerodyne aerosol mass spectrometer (AMS) data. Our source apportionment procedure is tested and applied on 25 data sets accounting for two urban, several rural and remote and two high altitude sites; therefore it is likely suitable for the treatment of AMS-related ambient data sets. For most of the sites, four organic components are retrieved, improving significantly previous source apportionment results where only a separation in primary and secondary OA sources was possible. Generally, our solutions include two primary OA sources, i.e. hydrocarbon-like OA (HOA) and biomass burning OA (BBOA) and two secondary OA components, i.e. semi-volatile oxygenated OA (SV-OOA) and low-volatility oxygenated OA (LV-OOA). For specific sites cooking-related (COA) and marine-related sources (MSA) are also separated. Finally, our work provides a large overview of organic aerosol sources in Europe and an interesting set of highly time resolved data for modeling purposes.

Abstract. This paper provides a detailed description of the atmospheric conditions characterizing the high Himalayas, thanks to continuous observations begun in March 2006 at the Nepal Climate Observatory-Pyramid (NCO-P) located at 5079 m a.s.l. on the southern foothills of Mt. Everest, in the framework of ABC-UNEP and SHARE-Ev-K2-CNR projects. The work presents a characterization of meteorological conditions and air-mass circulation at NCO-P during the first two years of activity. The mean values of atmospheric pressure, temperature and wind speed recorded at the site were: 551 hPa, −3.0 °C, 4.7 m s−1, respectively. The highest seasonal values of temperature (1.7 °C) and relative humidity (94%) were registered during the monsoon season, which was also characterized by thick clouds, present in about 80% of the afternoon hours, and by a frequency of cloud-free sky of less than 10%. The lowest temperature and relative humidity seasonal values were registered during winter, −6.3 °C and 22%, respectively, the season being characterised by mainly cloud-free sky conditions and rare thick clouds. The summer monsoon influenced rain precipitation (seasonal mean: 237 mm), while wind was dominated by flows from the bottom of the valley (S–SW) and upper mountain (N–NE). The atmospheric composition at NCO-P has been studied thanks to measurements of black carbon (BC), aerosol scattering coefficient, PM1, coarse particles and ozone. The annual behaviour of the measured parameters shows the highest seasonal values during the pre-monsoon (BC: 316.9 ng m−3, PM1: 3.9 μg m−3, scattering coefficient: 11.9 Mm−1, coarse particles: 0.37 cm−3 and O3: 60.9 ppbv), while the lowest concentrations occurred during the monsoon (BC: 49.6 ng m−3, PM1: 0.6 μg m−3, scattering coefficient: 2.2 Mm−1, and O3: 38.9 ppbv) and, for coarse particles, during the post-monsoon (0.07 cm−3. At NCO-P, the synoptic-scale circulation regimes present three principal contributions: Westerly, South-Westerly and Regional, as shown by the analysis of in-situ meteorological parameters and 5-day LAGRANTO back-trajectories. The influence of the brown cloud (AOD>0.4) extending over Indo–Gangetic Plains up to the Himalayan foothills has been evaluated by analysing the in-situ concentrations of the ABC constituents. This analysis revealed that brown cloud hot spots mainly influence the South Himalayas during the pre-monsoon, in the presence of very high levels of atmospheric compounds (BC: 1974.1 ng m−3, PM1: 23.5 μg m−3, scattering coefficient: 57.7 Mm−1, coarse particles: 0.64 cm−3, O3: 69.2 ppbv, respectively). During this season 20% of the days were characterised by a strong brown cloud influence during the afternoon, leading to a 5-fold increased in the BC and PM1 values, in comparison with seasonal means. Our investigations provide clear evidence that, especially during the pre-monsoon, the southern side of the high Himalayan valleys represent a "direct channel" able to transport brown cloud pollutants up to 5000 m a.s.l., where the pristine atmospheric composition can be strongly influenced.

Abstract. We present comprehensive results on continuous atmospheric cluster and particle measurements in the size range ~1–42 nm within the European Integrated project on Aerosol Cloud Climate and Air Quality interactions (EUCAARI) project. We focused on characterizing the spatial and temporal variation of new particle formation events and relevant particle formation parameters across Europe. Different types of air ion and cluster mobility spectrometers were deployed at 12 field sites across Europe from March 2008 to May 2009. The measurements were conducted in a wide variety of environments, including coastal and continental locations as well as sites at different altitudes (both in the boundary layer and the free troposphere). New particle formation events were detected at all of the 12 field sites during the year-long measurement period. From the data, nucleation and growth rates of newly formed particles were determined for each environment. In a case of parallel ion and neutral cluster measurements, we could also estimate the relative contribution of ion-induced and neutral nucleation to the total particle formation. The formation rates of charged particles at 2 nm accounted for 1–30% of the corresponding total particle formation rates. As a significant new result, we found out that the total particle formation rate varied much more between the different sites than the formation rate of charged particles. This work presents, so far, the most comprehensive effort to experimentally characterize nucleation and growth of atmospheric molecular clusters and nanoparticles at ground-based observation sites on a continental scale.

Abstract In the atmosphere nighttime removal of volatile organic compounds is initiated to a large extent by reaction with the nitrate radical (NO 3 ) forming organic nitrates which partition between gas and particulate phase. Here we show based on particle phase measurements performed at a suburban site in the Netherlands that organic nitrates contribute substantially to particulate nitrate and organic mass. Comparisons with a chemistry transport model indicate that most of the measured particulate organic nitrates are formed by NO 3 oxidation. Using aerosol composition data from three intensive observation periods at numerous measurement sites across Europe, we conclude that organic nitrates are a considerable fraction of fine particulate matter (PM 1 ) at the continental scale. Organic nitrates represent 34% to 44% of measured submicron aerosol nitrate and are found at all urban and rural sites, implying a substantial potential of PM reduction by NO x emission control.

Abstract. Two years of harmonized aerosol number size distribution data from 24 European field monitoring sites have been analysed. The results give a comprehensive overview of the European near surface aerosol particle number concentrations and number size distributions between 30 and 500 nm of dry particle diameter. Spatial and temporal distribution of aerosols in the particle sizes most important for climate applications are presented. We also analyse the annual, weekly and diurnal cycles of the aerosol number concentrations, provide log-normal fitting parameters for median number size distributions, and give guidance notes for data users. Emphasis is placed on the usability of results within the aerosol modelling community. We also show that the aerosol number concentrations of Aitken and accumulation mode particles (with 100 nm dry diameter as a cut-off between modes) are related, although there is significant variation in the ratios of the modal number concentrations. Different aerosol and station types are distinguished from this data and this methodology has potential for further categorization of stations aerosol number size distribution types. The European submicron aerosol was divided into characteristic types: Central European aerosol, characterized by single mode median size distributions, unimodal number concentration histograms and low variability in CCN-sized aerosol number concentrations; Nordic aerosol with low number concentrations, although showing pronounced seasonal variation of especially Aitken mode particles; Mountain sites (altitude over 1000 m a.s.l.) with a strong seasonal cycle in aerosol number concentrations, high variability, and very low median number concentrations. Southern and Western European regions had fewer stations, which decreases the regional coverage of these results. Aerosol number concentrations over the Britain and Ireland had very high variance and there are indications of mixed air masses from several source regions; the Mediterranean aerosol exhibit high seasonality, and a strong accumulation mode in the summer. The greatest concentrations were observed at the Ispra station in Northern Italy with high accumulation mode number concentrations in the winter. The aerosol number concentrations at the Arctic station Zeppelin in Ny-Å lesund in Svalbard have also a strong seasonal cycle, with greater concentrations of accumulation mode particles in winter, and dominating summer Aitken mode indicating more recently formed particles. Observed particles did not show any statistically significant regional work-week or weekday related variation in number concentrations studied. Analysis products are made for open-access to the research community, available in a freely accessible internet site. The results give to the modelling community a reliable, easy-to-use and freely available comparison dataset of aerosol size distributions.

Abstract. We have studied the hydration of sulfuric acid – ammonia and sulfuric acid – dimethylamine clusters using quantum chemistry. We calculated the formation energies and thermodynamics for clusters of one ammonia or one dimethylamine molecule together with 1–2 sulfuric acid and 0–5 water molecules. The results indicate that dimethylamine enhances the addition of sulfuric acid to the clusters much more efficiently than ammonia when the number of water molecules in the cluster is either zero, or greater than two. Further hydrate distribution calculations reveal that practically all dimethylamine-containing two-acid clusters will remain unhydrated in tropospherically relevant circumstances, thus strongly suggesting that dimethylamine assists atmospheric sulfuric acid nucleation much more effectively than ammonia.

Abstract. We synthesised observations of total particle number (CN) concentration from 36 sites around the world. We found that annual mean CN concentrations are typically 300–2000 cm−3 in the marine boundary layer and free troposphere (FT) and 1000–10 000 cm−3 in the continental boundary layer (BL). Many sites exhibit pronounced seasonality with summer time concentrations a factor of 2–10 greater than wintertime concentrations. We used these CN observations to evaluate primary and secondary sources of particle number in a global aerosol microphysics model. We found that emissions of primary particles can reasonably reproduce the spatial pattern of observed CN concentration (R2=0.46) but fail to explain the observed seasonal cycle (R2=0.1). The modeled CN concentration in the FT was biased low (normalised mean bias, NMB=−88%) unless a secondary source of particles was included, for example from binary homogeneous nucleation of sulfuric acid and water (NMB=−25%). Simulated CN concentrations in the continental BL were also biased low (NMB=−74%) unless the number emission of anthropogenic primary particles was increased or a mechanism that results in particle formation in the BL was included. We ran a number of simulations where we included an empirical BL nucleation mechanism either using the activation-type mechanism (nucleation rate, J, proportional to gas-phase sulfuric acid concentration to the power one) or kinetic-type mechanism (J proportional to sulfuric acid to the power two) with a range of nucleation coefficients. We found that the seasonal CN cycle observed at continental BL sites was better simulated by BL particle formation (R2=0.3) than by increasing the number emission from primary anthropogenic sources (R2=0.18). The nucleation constants that resulted in best overall match between model and observed CN concentrations were consistent with values derived in previous studies from detailed case studies at individual sites. In our model, kinetic and activation-type nucleation parameterizations gave similar agreement with observed monthly mean CN concentrations.