长江三角洲区域有机气溶胶形成机制和分布特征的数值模拟研究

有机气溶胶是气溶胶的重要组分之一，了解其形成机制和分布特征对评估其对人体健康、区域空气质量以及环境气候变化的影响意义重大。目前国内关于有机气溶胶形成机制和分布特征的研究多基于实验和观测资料分析，相关数值模拟研究较少，并且有机气溶胶数值模拟方法本身尚需完善。本项目拟将挥发性有机化合物的氯原子氧化过程、一次有机气溶胶的光化学老化过程和二次有机气溶胶前体物异戊二烯耦合入CMAQ-MADRID2区域空气质量模式,用于长江三角洲区域有机气溶胶的数值模拟。通过数值模拟计算，结合地面观测数据，详细分析该区域有机气溶胶的形成机制和分布特征，并采用过程分析和敏感性试验的方法分析各物理化学过程、气象因素、一次有机气溶胶、二次有机气溶胶前体物和其它大气污染物对有机气溶胶形成过程的作用和影响，初步探讨沿海城市群有机气溶胶的形成规律和污染特征，为我国制定区域有机气溶胶控制方案提供理论依据。

本项目将挥发性有机化合物（VOC）的氯原子氧化过程、一次有机气溶胶（POA）的光化学老化过程和可凝聚态有机物的聚合过程耦合入气溶胶模块MADRID2，开发了MADRID 2_EX。通过建立箱式模型和设定环境条件，在含低浓度和高浓度VOC的郊区、含低浓度和高浓度VOC的市区等4种环境条件下进行了测试，发现MADRID 2_EX产生的二次有机气溶胶（SOA）约占有机气溶胶基础模拟浓度的21%，对气溶胶模块对有机气溶胶的低估现象具有改进作用。将开发的MADRID 2_EX模型耦合进三维主模型CMAQ，建立CMAQ-MADRID 2_EX，并考虑SOA前体物异戊二烯，模拟长三角特别是上海地区的气溶胶。与基础模拟相比，在模拟期间即2009年3月28日至4月30日，CMAQ-MADRID2_EX模拟的PM2.5较高（最大偏高19.4%），主要是因为改进气溶胶模块后其模拟的有机气溶胶增加。通过与观测的2009年3月28日徐汇站点的PM2.5组分和4月1-30日PM2.5的小时均值相对比，CMAQ-MADRID2_EX模拟的PM2.5更接近观测值，说明改进的模式可以改善气溶胶的数值模拟效果。. 通过对2009年1、4、7、10月的数值模拟，发现长江三角洲地区PM2.5和有机气溶胶的分布有较为明显的季节变化，即冬春季较高而夏季最低，而SOA的变化则是夏季高于冬季，其主要原因与排放源和区域输送有关。POA主要来自化石燃料的燃烧、生物质的燃烧和其它污染源，SOA主要来自VOC的气相氧化和可凝性物质的气固分配过程，且冬季大气输送作用较夏季更为明显。另外，通过在CMAQ_MADRID2_EX中嵌入过程分析手段，利用综合过程速率分析法定性和定量地分析了各物理和化学过程对污染物浓度变化的贡献量。发现源排放、气溶胶过程、垂直输送和水平输送等过程对长江三角洲地区PM2.5和有机气溶胶模拟浓度的变化起到了主要作用。源排放过程是PM2.5和POA浓度增加的主要原因，垂直输送过程是其浓度降低的主要原因；气溶胶过程即VOC的气相氧化和可凝性物质的气固分配是SOA浓度增加的主要原因，水平扩散和垂直输送过程是其浓度降低的主要原因。因此，在控制有机气溶胶方面，需要同时控制一次有机气溶胶和二次有机气溶胶前体物。