大气团簇动力学模型耦合气溶胶动力学模型应用于新粒子生成的机理研究

Globally, secondary aerosols through new particle formation (NPF) dominates the contribution to could condensation nuclei (CCN) over that from the primary aerosol, so it is of vital importance to the aerosol indirect radiative forcing (IRF). Besides, the recent field observation indicates that NPF might contribute a lot to the local scale haze formation. However, the NPF mechanism in the global scale especially in the developing countries, is still unclear. The theoretical research about the NPF mechanism has a long history, but the most popular nucleation parameterization is from the classical nucleation theory (CNT) which is based on the microscopical properties. And its application in aerosol dynamics model and chemical transport model (CTM) causes a large forecasting error. In the project, the applicant would choose the typical aerosol nucleation molecular clusters and make the global potential energy surface (PES) search coupled with quantum chemistry (QC) calculations to obtain their accurate thermodynamic properties. Based on that, the cluster dynamics model which is based on quantum chemistry calculations would be further coupled with the aerosol dynamics model first and then be validated and be applied on the prediction of the NPF events. In the future, the zero dimensional model would be further coupled into the three dimensional model so that the accuracy of forecasting the aerosol formation and its aging in the local scale.

通过新粒子生成形成的二次气溶胶对云凝结核的贡献在全球范围内被认为超过一次气溶胶,因此其对气溶胶的间接辐射强迫具有重要意义。此外，最新的外场观测数据表明，新粒子生成对局域性雾霾可能有不可忽视的贡献。然而，全球范围内，尤其是发展中国家的新粒子生成机理尚不明确。关于新粒子生成机理的理论研究由来已久，然而应用最为广泛的仍然是基于宏观属性的经典成核理论发展而来的成核参数化方案，其在气溶胶动力学模型和化学传输模式的应用中都导致了较大的预测误差。本项目申请人拟选取典型气溶胶成核分子团簇体系，通过全域势能面结构结构结合高精度量子化学计算获取其准确热力学属性。在此基础上，实现基于量子化学数据的团簇动力学模型与气溶胶动力学模型相耦合并完成其有效性的校验，并应用于未知成核机理的新粒子生成事件的预测中。未来会将此零维模型进一步拓展到三维模式中，有望进一步提高对局域发生的气溶胶的形成及其演变模拟的准确度。

政府间气候变化专门委员会(IPCC)最新给出的报告中报道了不同类型的辐射强迫因子的贡献大小及其不确定度。从图中可以看出，对气溶胶与云的相互作用认识水平最低且其不确定度最大。 模式模拟表明， 在全球范围内，新粒子生成产生的与气候变化密切相关的云凝结核数（CCN） 要超过一次粒子产生的且不同新粒子生成机理对间接辐射效应影响差异很大，因此研究新粒子生成机理对于理解气候变化有重要意义。新粒子生成机理的核心在于理解气相物质如何形成分子团簇并继续长大的，即气溶胶成核机理。目前关于新粒子生成机理，即气溶胶成核机理的研究，理论研究占据着不可或缺的地位。一方面，这是由于 3 nm 以下设备尚处于调试和初步应用阶段，其稳定性和可行性尚待评估； 另一方面，这类设备大多昂贵，因此，其应用于外场测量尚无法普及。本项目在全域势能面搜索算法结合高精度量子化学计算的方法的基础上，以有机物参与的成核分子团簇为重点研究对象，通过建立和完善大气成核分子团簇的动力学模型研究，研究其凝聚、蒸发、裂解和碰并的动力学过程，为后续量子化学数据最终参数化到模式中提供有效手段，从而能有效降低大气模式模拟过程的不确定度。在本项目支持下，我们相继对甲磺酸-有机胺/氨气，乙二酸-甲胺，甲磺酸-硫酸-水，氨基酸-硫酸等多种酸-酸，酸-碱类成核分子团簇的结构、能量、热力学以及动力学特性进行了系统性地研究，研究发现，酸碱性以及特定官能团比如羧酸等在成核中占据重要角色，决定着成核分子团簇的稳定性，而结合团簇浓度的动力学分析表明，强酸-强碱成核以及有机物参与的多组分成核在我国的新粒子生成机理中占据不可忽视的地位。