东部地区半挥发性有机物对二次有机气溶胶生成贡献的数值模拟与验证

Semi-volatile organic compound (SVOC) is of great importance for the formation of secondary organic aerosol (SOA). However, the knowledge on the contribution of SVOC to the formation of SOA via chemical conversion and gas-particle partition is still limited. The project will be aimed at the abundance, sources of SVOC and the physical and chemical behaviors of SVOC to the formation of SOA; 1. Establish the data base for the speciated SVOCs from typical anthropogenic sources based on the source-oriented and field measurements; 2. By considering the intermediate SVOC as the link between primary precursors and SOA, explore the physical/chemical evolution of SVOC and parameterize the relationship between SVOC and SOA; 3. Based on the above investigation, supplement the mechanisms for the evolution of SVOC, develop the SVOC-SOA modules and couple them into the regional air quality model (WRF-Chem), improve and optimize the WRF-Chem model by using the intermediate SVOC as constrain to conduct process analysis from SVOC emissions to the formation of SOA; 4. Using the improved regional air quality model to explore the roles of SVOC in the formation of SOA and the key impact factors. Through the above investigation, this study will perform a systematic analysis on the “source emissions-intermediate compounds-chemical conversion-impact factors”, aiming to evaluate the contribution of SVOC to the formation of SOA, which could help to improve the model performance of the simulation of SOA, elucidate the detailed mechanisms of the formation of SOA in East China, and provide technique support for the implementation and formulation of control measures on SVOC, SOA and fine particles (PM2.5).

半挥发性有机物 (SVOC) 对二次有机气溶胶 (SOA) 的形成有重要作用，但SVOC经化学转化生成SOA的过程尚难以准确定量。本项目针对SVOC的组分、来源及物理化学转化：1.构建典型源排放SVOC的成分数据库，开展基于外场观测的源排放验证；2.以中间态SVOC为核心，在气态、颗粒态有机物全组分同步测量基础上，探索SVOC的演化过程，建立SVOC-SOA的参数化关系；3.增补SVOC气相化学机制，构建并耦合SVOC-SOA生成模块，以实测中间态SVOC为约束，改进和优化区域空气质量模型，实现SVOC从源排放到SOA生成的全程模拟；4.利用优化的区域空气质量模型，揭示SOA对SVOC的响应关系，判别影响SOA生成的关键因子。通过上述研究，开展SVOC源排放-中间物种-化学转化-影响因子的系统研究，提升我国SOA模式模拟能力，为阐释我国东部地区SOA形成机制，制定相关控制策略提供技术支撑。

本研究瞄准区域大气复合污染形成机制这一前沿领域开展研究，针对“二次有机气溶胶的数值模拟与校验”这一关键科学问题，以区域大气复合污染较为严重的中国东部地区为重点研究区域，对半/中等挥发性有机物（S/IVOCs）的分析检测、排放测量、化学演化及其参数化与数值模拟方法进行创新，并对半/中等挥发性有机物的环境效应进行量化研究：1）开发了基于二维气相色谱技术的分析检测方法，准确测量了大气环境及源直接排放的70种S/IVOCs组分的浓度水平，并基于这些信息对S/IVOCs的时空分布以及气-粒分配特征进行了分析。2）结合源排放的直接测量、外场观测以及文献数据，获取了重点源S/IVOCs的排放特征，建立了2016年涵盖全国主要部门的、网格化的、高时空分辨率的S/IVOCs排放清单。3）在传统二次有机气溶胶（SOA）生成机制的基础上，通过增补与优化S/IVOCs排放与化学转化机制，开发了耦合传统与非传统SOA前体物及其化学过程的区域空气质量模式（WRF-Chem），使模型的SOA整体模拟效果得到了有效提升（模拟能力提升了211%）。4）利用改进后的区域空气质量模型量化了SOA对S/IVOCs的响应关系及其关键影响因素，识别影响SOA生成的关键S/IVOCs来源及源区。研究发现引发SOA污染的关键气象条件为低风速、强风向扰动、高温度与高湿度，而关键的化学过程主要是S/IVOCs的气相氧化以及乙二醛的液相反应。另外，影响SOA生成的最关键S/IVOCs排放源为工业部门，其次是民用部门。对于SOA污染的关键S/IVOCs源区，本地排放对SOA生成的贡献在京津冀和长三角地区最为重要，而珠三角地区的SOA生成以外来区域传输的S/IVOCs贡献为主（本地贡献率仅为14%）。项目相关研究结果为深入理解中国区域SOA与PM2.5的污染过程、有效诠释区域大气复合污染的形成机制、制定科学的污染物管理控制政策提供了关键的数据基础，技术手段以及科学支撑。