华北地区大气五氧化二氮化学过程对区域空气污染的影响研究

Dinitrogen pentoxide (N2O5) is an important reactive trace gas in the atmosphere. It plays key roles in the atmospheric chemistry, photochemical air pollution and formation of fine particles. Recent studies have revealed large knowledge gaps in quantifying the heterogeneous loss of N2O5 on aerosol surfaces and subsequent production of highly reactive chlorine radical.In this study, we propose to utilize state-of-the-art instruments including a chemical ionization mass spectrometer (CIMS) to measure atmospheric concentrations of N2O5, ClNO2 and other key species in typical regions of north China, then to conduct modeling analysis of the data. The goal is to understand the atmospheric heterogeneous chemical processes of N2O5 in the highly polluted environment of north China,and to examine their impacts on the formation of ground-level ozone and fine nitrate. This study will fill in the knowledge gaps on heterogeneous chemistry of N2O5 in the polluted environment of China. The results will improve the performance of current air quality models, and also support the development of control strategies for mitigating photochemical smog and haze pollution in north China.

五氧化二氮（N2O5）是大气中一种重要的反应性痕量气体，在大气化学以及臭氧和细颗粒物污染中均扮演重要角色。国际最新研究表明，N2O5在颗粒物表面的非均相水解机制非常复杂，其水解速率（摄取系数）随气溶胶理化性质高度变化但内在规律尚不清楚；作为水解的关键产物之一，ClNO2对大气氧化性以及臭氧光化学生成的影响也没有被充分认识。缺少针对实际大气中N2O5化学行为的研究是导致上述认识不足的重要原因。本项目拟在我国华北典型地区开展实验，使用目前国际先进的化学离子化质谱仪对N2O5和ClNO2进行观测，并对其它相关大气参数进行测量；在此基础上研究N2O5的非均相水解过程，并评估其对大气臭氧和细颗粒物硝酸盐生成的定量贡献。本研究致力于填补当前国际上十分活跃的N2O5大气化学研究在我国大陆地区的空白，研究成果可应用于现有的空气质量模式以提高其模拟性能，也可为当地开展光化学烟雾和灰霾控制提供科学支撑。

五氧化二氮（N2O5）是大气中一种重要的反应性痕量气体，在大气化学以及臭氧和细颗粒物污染中均扮演重要角色。此前由于仪器条件限制，我国大陆地区尚无针对实际大气N2O5化学行为的研究。本项目在国家自然科学基金的支持下，改进了一台高灵敏度高分辨率的化学离子化质谱，首次在我国华北地区开展了N2O5和ClNO2的大气观测研究，填补了N2O5与ClNO2的数据的空白，获得了高质量的、宝贵的数据集。项目先后在华北地区郊区（望都）、城区（济南）和高山站（泰山）进行了综合大气观测，掌握了华北地区N2O5和ClNO2的大气浓度水平及其时空变化特征，并发现在华北地区普遍存在着较快的N2O5非均相过程和高浓度的ClNO2（高达几个ppbv），远高于国际其他地区研究，主要是由于华北地区高浓度氮氧化物排放和同时存在的高颗粒物环境使得N2O5非均相转化更为显著。.为更好的评估N2O5和ClNO2非均相化学过程对大气化学和区域空气污染的影响，课题组还改进和开发了可用于MCM的大气氯化学反应模块，并已共享给国内外研究者。项目利用多种分析方法和改进的箱体化学模型，对华北地区典型大气条件下N2O5的非均相摄取转化机制进行了深入的分析，揭示了华北地区较高的颗粒物浓度和氯离子浓度，会有效增强N2O5的非均相摄取过程，并促进了ClNO2和硝酸盐气溶胶的生成，从而对该地区霾污染形成也有显著的作用。研究结果还揭示了在高NOx污染，高气溶胶污染的情况下，N2O5非均相化学过程对华北地区大气氧化性有着重要影响，显著地增加了该地区自由基以及臭氧的生成，对该地区光化学污染的形成有较大的贡献。.通过本项目4年的综合观测和模式分析研究，明确了在我国重污染条件下的N2O5摄取系数及ClNO2产率的具体特征，揭示了华北典型地区大气N2O5的非均相摄取机制，并定量评估了N2O5非均相过程对自由基、臭氧和硝酸盐气溶胶的贡献。依托本项目研究成果，目前已发表SCI论文9篇，更有多篇论文正在撰写和投稿中。项目在华北的发现引起了更多针对中国大陆地区活性氮氧化物的进一步研究，也有效推动了国家科技部在活性氮氧化物和大气氧化性等相关方向上的新科技项目立项。项目研究成果对于深入认识我国大气氧化性以及控制光化学和细颗粒物污染均具有重要意义，并可为华北地区进一步更好地控制大气光化学污染和霾污染提供科学依据。