基于“外场实验室”的颗粒物表／界面多相反应研究

Large scale severe fine particle pollution in China is threatening the health of people. Multiphase atmospheric chemistry has been suggested as an important pathway for the formation of fine particles and haze. Detailed mechanisms of these multiphase chemistry processes, however, are still not well understood. We intend to synthesize the field measurement approach with that of laboratory kinetic studies, and demonstrate a supersite-based "ambient laboratory" which introduces ambient air into the reactor and directly investigate the kinetics of relevant reactions, i.e., the uptake coefficient and incremental reactivity for the aerosol formation. We will investigate the dependence of multiphase chemistry on the types of air pollution and aerosol particles, and environmental conditions. We aim at identifying key gaseous precursors with significant synergistic effects on multiphase chemistry. We will establish a database to store kinetic data determined from current and future ambient laboratory studies, which may help to develop a more generalized parameterization scheme. Finally we will use numerical models to evaluate the contribution of multiphase chemistry to the aerosol formation and the relevant control strategies.

我国大范围大气细颗粒物超标问题已经严重影响到人民的生活和身体健康。大气颗粒物的多相反应是细颗粒生成和灰霾形成的潜在重要途径，但当前研究对于大气颗粒物多相反应作用机制的认识还非常有限。本项目拟将外场观测和实验室动力学研究技术相结合，首先设计基于超级站的“外场实验室”的技术示范，将环境复杂大气组分引入反应装置，从而获得实际大气状态下的多相反应动力学参数——摄取系数和增量反应性；同时揭示不同污染类型（气溶胶类型）和环境变量对气溶胶多相化学的影响，确定环境条件下在多相反应中具有显著协同效应的重要前体物；在此基础上建立环境多相反应动力学参数的数据库，为建立普适的多相反应化学表观机制提供数据平台支持；最后通过数值模型评估各种多相反应机制对二次气溶胶生成的贡献及相关控制对策。

大气颗粒物多相反应是二次污染和灰霾形成的潜在重要途径。目前对颗粒物多相反应作用机制的认识不足，是大气污染成因及气候变化领域的主要不确定因素。围绕这一科学问题，本项目以实际大气多相反应动力学参数和增量反应性为突破口，结合外场观测和实验室动力学研究技术，揭示了我国大气颗粒物表面的多相反应机制及其环境效应。.在多相反应动力学方面，本项目首次将流动管系统置于城市大气环境中，不仅可以获得真实环境条件下的VOCs吸收系数，还可鉴别多种环境因素对吸收系数的影响。研究量化了VOCs在实际大气环境中的土壤-大气双向交换的长时间变化特征，获取了13中VOCs在土壤表面的吸收系数。同时针对包括O3在内的六种大气活性气体，评估了它们在不同环境不同气溶胶类型、季节和大气混合层高度下的，被气溶胶表面和地表吸附的相对重要性。.在甄别气溶胶多相过程关键影响因素方面，研究开发了精细的动力学方案，考虑环境温度和湿度对于气溶胶相态和反应速率的影响，以更好地表示颗粒物相态在区域和全球模型中的效应。通过使用重要的致癌性大气污染成分苯并芘作为示踪剂，我们首次实现了实际大气中对颗粒物相态区域和全球影响的定量验证。在McFAN综合外场实验中针对华北冬季有机组分吸湿性变化及其影响因素开展研究。发现在华北冬季有机气溶胶吸湿性存在显著日变化，可从疏水变成中等吸湿，且与高氧化性有机气溶胶含量密切相关。此外，实验室实验表明有机物对无机物的相态具有明显的影响，并且可能潜在地影响混合颗粒的吸湿行为。.在多相过程的环境效应评估方面，利用搭载在洲际民航客机上的气溶胶观测系统对对流层上部和平流层底部的黑碳气溶胶进行了为期14个月的观测，揭示高空大气黑碳的分布和老化过程。高空黑碳颗粒的高浓度和高包裹层厚度的观测结果表明，地面森林大火等生物质燃烧释放的黑碳气溶胶可能在平流层底部诱导强烈的局部加热，并可能对气候的区域辐射强迫产生重大影响。研究负载KCl的TiO2的大气化学行为，发现在光照条件下负载KCl的TiO2可以大量的释放活性氯（包括Cl2，ClO等），这些活性氯将会在很大程度上影响城市大气的氧化能力。