重污染期间大气中硝酸盐气溶胶生成与控制模拟研究

Secondary inorganic aerosols (sulfate, nitrate and ammonium, simplified as SNA)， especially nitrate are important constituents of PM2.5, and their concentrations and proportion in PM2.5 increase from clean to heavy polluted period. Traditional chemical transport models fail to capture SNA’s increase during haze period, and present researches focus on the formation mechanism of SNA. However, most of the attention is paid on sulfate formation, and studies of nitrate formation is limited. Recent studies have found that heterogeneous reaction of SO2 and NO2 on pre-existing aerosols is key pathway of sulfate formation, and this process can also lead to increase of nitrate concentration. N2O5 uptake on pre-existing aerosols to form nitrate is another pathway of nitrate formation, which need to be optimized in the current chemical transport models. On the other hand, considering the increasing importance of nitrate during haze, and NO2 as the precursor of both nitrate and sulfate, efforts should be made on emission control of NOX. The target of this project is to explore the formation mechanism of nitrate during haze and then improve model simulation of nitrate; to analyze the impact of NOX emission control on PM2.5 and SNA for a reasonable emission control strategy.

重污染中，二次无机气溶胶（硫酸盐、硝酸盐和铵盐，简称SNA），尤其是硝酸盐的浓度急剧升高且在PM2.5中的比例大大上升，而传统的大气化学模式模拟不到这一特征，重污染中SNA的生成机制是当前研究的热点。然而，当前研究大多关注硫酸盐，对硝酸盐重视不足。重污染时期二氧化氮（NO2）参与SO2的非均相氧化过程被认为是硫酸盐生成的主要途径，这一反应也有可能成为硝酸盐的重要来源。另外，大气化学模式中五氧化二氮（N2O5）吸收在颗粒物表面生成硝酸盐的过程也需要进一步优化。另一方面，考虑到硝酸盐在重污染中的作用越来越大，同时NO2成为为重污染中硫酸盐和硝酸盐的共同前体物，其排放控制对重污染治理将起到事半功倍的作用。本课题的目标是探究重污染时硝酸盐气溶胶生成机制并对大气化学模式的相关化学模块进行改进，使用改进的模式定量计算SNA对NOX排放变化的响应，综合分析得到更为合理可靠的区域性氮氧化物排放控制措施。

近年来，二次无机气溶胶（secondary inorganic aerosols, SIA），尤其是硝酸盐（NO3-）在重污染期间PM2.5中的比例越来越高。因此，探究重污染期间硝酸盐的生成机制、提高模式对PM2.5和SIA的模拟能力，并进一步探索氮氧化物（NOx）的排放特征并制定合理减排措施尤为重要。本课题探究了重污染时段大气中硝酸盐的生成机制并对大气化学模式进行改进，并采用改进后的模式定量计算分析PM2.5和SIA浓度及分布对NOx排放变化的响应。研究发现，当前NH3排放清单季节分配的不确定性是导致夏季硝酸盐模拟高估的重要原因。降低夏季NH3排放、提高冬季NH3排放，可在一定程度上改善模式对NO3-的模拟效果。利用改进后的模型，进一步探究了2009年以来气象条件和前体物排放变化对华北地区冬季灰霾的影响。结果表明，2009~2016年污染物减排对降低冬季PM2.5浓度仅贡献12%，且没有改善8年冬季的极度污染（日均PM2.5浓度大于250μg m-3）情况，华北地区冬季极度污染情况主要受到气象因素的影响。而2017年之后，NOx等前体物的大幅减排促使冬季PM2.5浓度的显著下降。另一方面，2013年以来我国SO2的大幅减排，将导致PM2.5对NOx的敏感性升高，进一步消减NOx排放可能对降低PM2.5浓度有更好的效果。而2020年初新冠疫情爆发，卫星监测显示NO2柱浓度急剧下降，通过自上而下方法计算我国NOx排放发现，封城期间（春节及之后4周），NOx排放强度比春节前降低44.7%，比2019年同期降低53.4%。2020年第一季度，中国东部NOx排放量比2019年降低40.5%，使更多大气自由基（HOx）参与臭氧生成，从而导致近地面臭氧浓度上升36.5%。中国东部近地面细颗粒物浓度下降了12.5%。