重污染天气下二次气溶胶的垂直分布、生成机制和数值模拟研究

Air pollution is still severe in China. Secondary aerosols are the major components of atmospheric pollutants, yet current air quality models often fail to accurately simulate the high concentrations of secondary aerosols during severe haze pollution. One of the major reasons is that our understanding of the vertical distributions and formation mechanisms of secondary aerosols, and their interactions with boundary layer is not complete. The proposed research will conduct two field campaigns in summer and winter including vertical measurements on the basis of the Beijing 325 m meteorological tower, and synchronous measurements at urban and rural sites. The goal of this project is to illustrate the vertical characteristics and evolutionary mechanisms of secondary aerosols, and their interactions with meteorological parameters, to identify the major molecular organic compounds in secondary organic aerosols (SOA), to investigate the gas-particle partitioning for specific organic compounds and their roles in the formation of SOA, to establish a conceptual framework linking oxidation states, volatilities, the number of carbon, and molecular weight, and hence to modify the module of physical/chemical properties of SOA, and kinetic gas-particle partitioning mechanisms in the WRF-Chem model, to improve the model capabilities in simulating the concentrations, and vertical/horizontal distributions of SOA, and finally to quantify the contributions of SOA and regional transport to the formation of severe haze episodes and the feedback as well.

我国当前大气污染仍十分严峻。二次气溶胶是大气污染物的主要成分，但空气质量数值模式难以准确模拟重污染期间高浓度的二次气溶胶，一个重要原因是二次气溶胶垂直分布特征、生成机制及与边界层物理过程的相互作用尚未完全理清。本项目将基于北京325米气象塔，开展夏季和冬季大气气溶胶垂直观测和市区、郊区同步观测实验，阐明重污染天气下，二次气溶胶的垂直分布特征、演变规律及与气象要素的耦合作用，解析二次有机气溶胶的主要分子组成，阐明典型有机分子化合物的气-粒转化及对二次有机气溶胶（SOA）生成的影响，建立关联有机气溶胶氧化态、挥发性、碳原子数与分子量的概念框架模型，进而改进WRF-Chem数值模式中的SOA物理/化学属性模块和基于动力平衡的气−粒分配方案，提高数值模式对SOA的浓度、垂直和水平分布模拟能力，量化二次有机气溶胶和区域输送对重霾污染形成的贡献及反馈。

大气污染防治行动计划实施以来，我国空气质量大幅度改善，然而重污染天气仍时有发生，高浓度的二次气溶胶生成和老化机制及物理/化学属性演变规律尚未完全厘清。因此，深入开展大气污染成分的垂直观测，探究其垂直分布特征与气态前体物和气象要素之间的耦合作用，对阐明二次气溶胶生成机制，改进和提高数值模式模拟具有重要的意义。为此，项目基于北京325米气象塔建设了完备的垂直探测吊舱系统，实现了地面至240米气溶胶化学组分、光学特性、气态污染物和气象要素等垂直连续观测和固定高度的长期连续观测。基于该吊舱系统，项目先后开展了冬季和夏季垂直观测，获取了低层大气气溶胶理化特性的典型垂直廓线，阐明了二次气溶胶组分垂直变化与气象要素和前体物的关系，揭示了二次无机组分硝酸盐与硫酸盐在不同季节的垂直变化差异及其影响因素，不同类型二次有机气溶胶和二次有机气溶胶与一次有机气溶胶的垂直变化对排放、气象和前体物的垂直变化响应等。项目基于气溶胶质谱含硫碎片，建立了定量估算液相二次有机气溶胶重要组分羟甲基磺酸盐的方法，并基于北京和河北固城同步观测，利用离子色谱、气溶胶质谱和单颗粒质谱对羟甲基磺酸盐在总硫中的贡献进行了准确量化评估。项目还基于气溶胶挥发性、氧碳比和玻璃转化温度建立了三者之前的参数化关系式，并将该动力学参数化方案耦合至化学传输模式WRF-Chem，对我国SOA的玻璃转化温度和相态分布进行了模拟，发现我国SOA相态的显著空间差异性。项目执行期间获得了北京冬季和夏季一套完整的气溶胶理化特性观测数据集以及北京和固城冬季同步观测数据集，为研究二次气溶胶的生成机制和数值模式的比对评估提供了关键数据。项目发展的气象塔吊舱系统已经被国内外多家科研单位采用，开展了典型活性气体和自由基等观测，进一步深化了我们对二次气溶胶生成机制的科学认知。项目共计发表学术论文27篇，其中ESI高被引论文7篇，培养博士研究生9人。