基于数值模式的二次有机气溶胶形成机制研究及其在京津冀地区的应用

Secondary organic aerosols (SOA) are major components of PM2.5 and play a significant role in haze formation and climate change. Current atmospheric chemical transport models usually underestimate SOA concentrations considerably due to incomplete knowledge of SOA precursors and formation mechanisms, so model development to improve SOA simulations becomes one of key issues in the field of atmospheric environment research. We will couple three additional HONO sources (i.e., direct HONO emissions, daytime unknown HONO source (Punknown) and nighttime heterogeneous reactions of NO2 on wet aerosol surfaces) into the latest version of the Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry (WRF-Chem), and improve the emissions of volatile organic compounds (VOCs) using satellite measurements, as well as adopt and modify the state-of-art SOA module. We will evaluate the improved WRF-Chem by comparing model results with observed features in chemical species including SOA, and then assess impacts of the Punknown, the modified VOCs emissions, and coexistence of the Punknown and modified VOCs emissions, respectively, on SOA concentrations, as well as analyze seasonal variations of SOA production rates and chemical transformation pathways in the Beijing-Tianjin-Hebei region. Percentage contributions of key precursors of SOA and PM2.5, and each key precursor chemical transformation pathways to SOA and PM2.5 will be quantified, and key chemical transformation pathways to SOA in the evolution of heavy air pollution events will be explored so as to offer scientific basis for regional air pollution control measures in China.

二次有机气溶胶(SOA)是PM2.5的重要组分，对霾形成、气候变化具有重要影响，但目前大气化学模式普遍低估有机气溶胶，主要原因是SOA的来源、生成机制认识不足，为此改进大气化学模式对SOA的模拟能力是目前大气环境领域的前沿问题之一。本研究以WRF-Chem模式的最新版本为基础，添加HONO新增源(HONO源排放、白天HONO未知源、夜间NO2在湿润气溶胶表面的非均相反应)，利用卫星资料订正VOCs源排放，选择并改进SOA模块。结合外场观测实验，研究HONO未知源添加、VOCs源排放订正、两者的协同影响对京津冀地区SOA浓度的贡献，探究SOA转化途径、影响因素、生成速率的季节变化特征，揭示重污染形成与发展过程中SOA转化的关键化学途径，量化主要前体物及转化途径对SOA、PM2.5生成的贡献率，为我国区域大气污染防控提供科学依据。

有机气溶胶(OA)作为PM2.5的重要组分，约占PM2.5的20~90%。目前空气质量模式普遍低估OA浓度，与二次有机气溶胶(SOA)的严重低估有关。SOA模拟低估的已知部分原因是芳香烃源排放低估、乙二醛垂直柱浓度模拟严重偏低、烟雾箱实验中蒸汽器壁损失造成SOA产率低估、二羰基化合物非均相反应忽略、大气氧化性模拟不准确。从外场观测和数值模拟两方面我们开展了相关研究。外场观测研究表明北京地区VOCs浓度呈现明显的季节变化，夏季该地区VOCs浓度中烷烃和烯烃约占50%，芳香烃约占15%，但芳香烃对SOA生成潜势贡献超过90%，远大于烷烃和烯烃的总贡献，芳香烃中对SOA生成潜势贡献较大的VOCs物种为甲苯、间/对二甲苯、乙苯、苯等。北京和天津具有相似的VOCs来源地区，区域合作减少重点行业的VOCs排放至关重要，有利于改善整个地区的空气质量。根据上述SOA严重低估原因，我们改进了空气质量模式中芳香烃源排放、SOA产率、异戊二烯生成乙二醛产率，加入二羰基化合物非均相反应，更新了气态亚硝酸(HONO)六潜在来源(室内排放、生物质燃烧排放、机动车排放、土壤排放、气溶胶和地表面的非均相反应)，其中室内HONO排放是我们首次加入空气质量模式并评估其影响，上述改进显著提升了空气质量模式模拟HONO和SOA的能力。地表面和气溶胶表面的非均相反应是白天HONO的主要来源，对白天HONO模拟浓度的贡献分别为~66%和~19%；白天北京、天津城区中心室内排放对HONO浓度贡献与交通源的贡献相近。HONO六潜在来源显著增大夏季京津冀地区氧化剂浓度，促进SOA时均浓度显著增升，SOA增加的主要原因是二甲苯、甲苯、长链烷烃与OH自由基氧化。HONO六潜在来源加速冬季重霾天HOx(= OH + HO2)循环, 显著增大冬季SOA时均浓度。另外，根据外场观测资料估算了白天HONO未知源，利用卫星观测资料订正了VOCs源排放，并量化了两者对SOA的协同贡献及独自贡献。此外，我们还指出了新的亟待加强的研究方向。发表学术论文24篇，其中SCI论文23篇，培养研究生6名，3名项目骨干成员晋升为副研究员。