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. The aerosol light absorption coefficient is an essential parameter involved in atmospheric radiation budget calculations. The Aethalometer (AE) has the great advantage of measuring the aerosol light absorption coefficient at several wavelengths, but the derived absorption coefficients are systematically too high when compared to reference methods. Up to now, four different correction algorithms of the AE absorption coefficients have been proposed by several authors. A new correction scheme based on these previously published methods has been developed, which accounts for the optical properties of the aerosol particles embedded in the filter. All the corrections have been tested on six datasets representing different aerosol types and loadings and include multi-wavelength AE and white-light AE. All the corrections have also been evaluated through comparison with a Multi-Angle Absorption Photometer (MAAP) for four datasets lasting between 6 months and five years. The modification of the wavelength dependence by the different corrections is analyzed in detail. The performances and the limits of all AE corrections are determined and recommendations are given.

Abstract. Absorption photometers for real time application have been available since the 1980s, but the use of filter-based instruments to derive information on aerosol properties (absorption coefficient and black carbon, BC) is still a matter of debate. Several workshops have been conducted to investigate the performance of individual instruments over the intervening years. Two workshops with large sets of aerosol absorption photometers were conducted in 2005 and 2007. The data from these instruments were corrected using existing methods before further analysis. The inter-comparison shows a large variation between the responses to absorbing aerosol particles for different types of instruments. The unit to unit variability between instruments can be up to 30% for Particle Soot Absorption Photometers (PSAPs) and Aethalometers. Multi Angle Absorption Photometers (MAAPs) showed a variability of less than 5%. Reasons for the high variability were identified to be variations in sample flow and spot size. It was observed that different flow rates influence system performance with respect to response to absorption and instrumental noise. Measurements with non absorbing particles showed that the current corrections of a cross sensitivity to particle scattering are not sufficient. Remaining cross sensitivities were found to be a function of the total particle load on the filter. The large variation between the response to absorbing aerosol particles for different types of instruments indicates that current correction functions for absorption photometers are not adequate.

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. 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. Many of the next generation of global climate models will include aerosol schemes which explicitly simulate the microphysical processes that determine the particle size distribution. These models enable aerosol optical properties and cloud condensation nuclei (CCN) concentrations to be determined by fundamental aerosol processes, which should lead to a more physically based simulation of aerosol direct and indirect radiative forcings. This study examines the global variation in particle size distribution simulated by 12 global aerosol microphysics models to quantify model diversity and to identify any common biases against observations. Evaluation against size distribution measurements from a new European network of aerosol supersites shows that the mean model agrees quite well with the observations at many sites on the annual mean, but there are some seasonal biases common to many sites. In particular, at many of these European sites, the accumulation mode number concentration is biased low during winter and Aitken mode concentrations tend to be overestimated in winter and underestimated in summer. At high northern latitudes, the models strongly underpredict Aitken and accumulation particle concentrations compared to the measurements, consistent with previous studies that have highlighted the poor performance of global aerosol models in the Arctic. In the marine boundary layer, the models capture the observed meridional variation in the size distribution, which is dominated by the Aitken mode at high latitudes, with an increasing concentration of accumulation particles with decreasing latitude. Considering vertical profiles, the models reproduce the observed peak in total particle concentrations in the upper troposphere due to new particle formation, although modelled peak concentrations tend to be biased high over Europe. Overall, the multi-model-mean data set simulates the global variation of the particle size distribution with a good degree of skill, suggesting that most of the individual global aerosol microphysics models are performing well, although the large model diversity indicates that some models are in poor agreement with the observations. Further work is required to better constrain size-resolved primary and secondary particle number sources, and an improved understanding of nucleation and growth (e.g. the role of nitrate and secondary organics) will improve the fidelity of simulated particle size distributions.

Abstract. Atmospheric new particle formation (NPF) is an important phenomenon in terms of global particle number concentrations. Here we investigated the frequency of NPF, formation rates of 10 nm particles, and growth rates in the size range of 10–25 nm using at least 1 year of aerosol number size-distribution observations at 36 different locations around the world. The majority of these measurement sites are in the Northern Hemisphere. We found that the NPF frequency has a strong seasonal variability. At the measurement sites analyzed in this study, NPF occurs most frequently in March–May (on about 30 % of the days) and least frequently in December–February (about 10 % of the days). The median formation rate of 10 nm particles varies by about 3 orders of magnitude (0.01–10 cm−3 s−1) and the growth rate by about an order of magnitude (1–10 nm h−1). The smallest values of both formation and growth rates were observed at polar sites and the largest ones in urban environments or anthropogenically influenced rural sites. The correlation between the NPF event frequency and the particle formation and growth rate was at best moderate among the different measurement sites, as well as among the sites belonging to a certain environmental regime. For a better understanding of atmospheric NPF and its regional importance, we would need more observational data from different urban areas in practically all parts of the world, from additional remote and rural locations in North America, Asia, and most of the Southern Hemisphere (especially Australia), from polar areas, and from at least a few locations over the oceans.

Abstract Atmospheric new particle formation (NPF) is a naturally occurring phenomenon, during which high concentrations of sub-10 nm particles are created through gas to particle conversion. The NPF is observed in multiple environments around the world. Although it has observable influence onto annual total and ultrafine particle number concentrations (PNC and UFP, respectively), only limited epidemiological studies have investigated whether these particles are associated with adverse health effects. One plausible reason for this limitation may be related to the absence of NPF identifiers available in UFP and PNC data sets. Until recently, the regional NPF events were usually identified manually from particle number size distribution contour plots. Identification of NPF across multi-annual and multiple station data sets remained a tedious task. In this work, we introduce a regional NPF identifier, created using an automated, machine learning based algorithm. The regional NPF event tag was created for 65 measurement sites globally, covering the period from 1996 to 2023. The discussed data set can be used in future studies related to regional NPF.

Official air quality monitoring networks are often scarce and unevenly spatially distributed. In recent years, the use of low-cost sensors next to official networks is increasing. These additional networks provide measurements of high spatial and temporal resolution and potentially reveal patterns and emissions sources that are hard to detect with conventional methods. In this work, the data assimilation method implemented around the LOTOS-EUROS chemistry transport model is employed to assimilate measurements from heterogenous low-cost sensor networks around the city of Eindhoven in the Netherlands in November 2021. Three data assimilation experiments are performed and evaluated against a free run of the model. In the first one, measurements from the low-cost Innovatief Lucht Meetsysteem (ILM) network are exploited. In the second one, the citizen science network SamenMeten is used and in the third one, a combination of both datasets is applied. In the assimilation experiments at a domain around the city of Eindhoven, it is shown to be essential to use boundary conditions from an assimilation on a larger domain to account for the variability in pollution that originates from sources outside the domain of interest. Such an improvement in boundary conditions counts for a decrease in the initial free run negative biases of 45% for PM10 and 23% for PM2.5 in the city of Eindhoven. The assimilation of low-cost measurements in the region after the correction of the boundary conditions decreases the absolute PM10 biases in the 3 independent official stations over the city of Eindhoven further from −4.4 μg m−3 to about 0.8 μg m−3 averaged over the three experiments. Also, the correlation coefficient is increased from 0.75 to 0.89 and the normalized root mean square is decreased from 0.47 to 0.25. We conclude that the improved boundary conditions and assimilation of observations from dense low-cost networks are able to improve the LOTOS-EUROS simulations at urban scale.