静稳天气条件下大气VOCs-NOx-SO2共存反应生成颗粒物的动力学与机理研究

Heavy haze is a growing problem in many Chinese cities. On an average heavy-haze day, the ground-level wind speed is very low, while water vapor level and concentrations of primary pollutants including nitric oxides (NOx) and sulfur dioxide (SO2) are surprisingly high. These conditions are highly conducive to rapid particle formation in the atmosphere, severely damaging visibility, industry, agriculture, transportation, human health, and the environment. However, the reason for particle formation during heavy haze days is still not clear. Studies on particle formation and growth during heavy haze days are urgently needed in China. This project plans to study the effects of primary pollutant concentration ratios and relative humidity on new particle formation and growth. We hope to identify the key factors controlling particle formation rate and productivity in a statically stable atmosphere. We postulate that possible factors are: the concentration ratio of VOCs : NOx : SO2; type and concentration of oxidants; and water vapor level. This project aims to explore the crucial initial chemical conditions that cause heavy haze, provide useful kinetic parameters for atmospheric model, and benefit the precaution and governance of the heavy haze in the urban areas of China.

针对我国城市地区大气形成重度雾霾的天气和污染特征，实验室模拟研究高相对湿度以及高浓度氮氧化物（NOx）和二氧化硫（SO2）条件下，大气NOx、SO2与挥发性有机物（VOCs）共存反应生成颗粒物的动力学以及机理，探究新粒子生成和颗粒物增长与各种反应物浓度比例和相对湿度的定量关系。拟解决的关键科学问题是，在静稳天气条件下颗粒物生成速率和产率受哪些关键因素影响，可能包括VOCs/NOx/SO2不同浓度比例关系、氧化剂种类和浓度以及水汽浓度水平。本项目拟重点研究引发严重雾霾形成的关键初始条件，为大气模式研究提供有用的反应动力学参数，为预警和治理我国城市地区重度雾霾提供科学依据。

人们广泛关注的严重雾霾污染通常出现在静稳天气条件下。静稳天气的特点是，空气流动变缓，挥发性有机物（VOCs）、氮氧化物（NO和NO2，合称NOx）和二氧化硫（SO2）等污染气体浓度显著升高，相对湿度很高（在60%以上），光照变弱。本项目针对这些特点开展大气颗粒物生成动力学和机理研究。以实验室模拟为主，结合外场观测和模式模拟，研究了典型VOCs或含氧挥发性有机物（OVOCs）光化学反应，改变NOx和SO2浓度以及相对湿度，以中间产物过氧化物和羰基化合物为切入点，研究颗粒物形成和增长的规律。主要发现：（1）萜烯臭氧氧化反应是二次有机气溶胶（SOA）的重要来源，过氧化物是SOA的重要成分。（2）芳香烃光化学反应生成SOA的产率与氧化程度和相对湿度有关，SOA产率随相对湿度的增加而增加。（3）实测的过氧化物和羰基化合物气-粒分配系数比以往Pankow吸附分配理论模拟值高约100000，羰基化合物的气-粒分配系数随相对湿度变化呈现“U”型特征。（4）NOx和SO2与VOCs共存显著改变VOCs光化学反应进程，过氧化物和羰基化合物是表征这一变化的探针。（5）颗粒物表面非均相反应对于颗粒物增长具有重要贡献，特别是显著促进SO2转化生成无机和有机含硫颗粒物。本项目取得的研究成果揭示了VOCs-NOx-SO2共存光化学反应动力学规律，关键中间产物过氧化物和羰基化合物的源和汇均依赖于这三种气态物质的浓度水平以及相对湿度变化，而颗粒物的形成和增长很大程度上取决于过氧化物和羰基化合物的贡献。本研究为深入认识大气颗粒物形成机制和开发有关大气化学模式提供了基础数据和关键参数，为预警和治理我国广大地区严重雾霾提供科学依据。