重污染期间二次硫酸盐不同化学过程来源的定量识别

High sulfate concentrations were found in the recent heavy air pollution episodes in China. However, the present pathways significantly underestimated sulfate concentrations. In this study, we will collect the data during high pollutions. Then, using 1-D box model with observations to diagnose the problems in the existed mechanisms. The pathways by the mineral aerosols would be improved, which enhance sulfate production by fasting SO2 oxidation through dissolving more sulfur with increasing cloud water alkalinity and catalyzed oxidation by transition metals. The new pathways might from heterogeneous reaction on aerosol surface would be added. The saturation effect of SO2 absorption on mineral aerosols, and the oxidation of SO2 on acid aerosol will be considered. Finally, the 3-D model will be used to apportion the contributions from various pathways. The sensitivity and uncertainties for various parameters, including crustal aerosols, relative humidity and inversion temperature etc., will also be estimated. The results could be applied in a haze warning system, and in reevaluating the radiation forcing in chemical climate research.

近些年来，我国发生多起大气重污染事件，硫酸盐浓度在细粒子中占有很高的比例，但是现存大气化学机制不能解释高浓度硫酸盐现象。如何改进现存硫酸盐形成机制，增加新机制，这是目前科学研究的难点。本研究拟对重污染个例进行观测分析。然后，采用一维大气化学盒子模型，诊断现有生成机理的问题。拟着重修正四价硫的液滴吸收和过渡重金属协同催化等硫酸盐液相生成途径，新增硫酸盐在矿质表面的饱和效应，以及气溶胶表面非均相酸催化生成等。最后，采用三维模型，通过对硫元素计算示踪，定量解析不同生成途径的贡献。此外，对影响硫酸盐生成的重要因子，矿质颗粒物、相对湿度和大气逆温等进行敏感性分析。本研究的目的是建立一套科学合理反映我国重污染天气下硫酸盐生成机制的数值模拟系统。该研究成果可以应用到灰霾，尤其小风静稳天气的预测预警中，也可有助于重新评估我国气溶胶的气候效应。

近些年来，我国发生多起大气重污染事件，硫酸盐浓度在细粒子中占有很高的比例，但是现存大气化学机制不能解释高浓度硫酸盐现象。本研究利用外场观测和数值模拟相结合的方法，通过改进和新增硫酸盐化学生成机制，建立了一套科学合理反映我国重污染天气下硫酸盐生成机制的数值模拟系统。本课题的主要结果包括：第一，基于新建立的硫酸盐数值模拟系统，明晰了重污染条件下硫酸盐的主要生成途径，发现气溶胶表面的锰催化氧化反应是硫酸盐最重要的生成途径（92.5 % ± 3.9 %）；第二，基于集成过程速率分析方法，探究了重污染期间各个物理化学过程对硫酸盐变化的贡献，发现从区域平均的来看硫酸盐的主要的源和汇分别为化学生成和干沉降，对于单点物理传输的影响比较大，但当空间尺度从单点扩大到整个区域时，物理传输的作用大幅减小；第三，基于气溶胶热动力模型ISORROPIA-II模拟分析细颗粒物的pH大小，结果表明在中国北方地区重污染期间，细颗粒物呈现出中等酸性的特征，pH的范围为3.0~4.9，均值为4.2；第四，基于WRF-Chem模型研究了氨排放削减对硫酸盐浓度的影响，发现降低50 %氨排放后，冬季北方、南方和四川盆地的硫酸盐浓度分别下降0.9 μg/m3、1.1 μg/m3和0.9 μg/m3；第五，结合PKU-NH3排放清单和WRF-Chem模型，发现近年来中国SO2排放量的快速下降导致了硫酸盐浓度的显著降低和大气氨浓度的显著增加。2008−2016年间中国SO2排放量下降60%左右，导致颗粒物硫酸盐浓度下降接近50%，大气氨浓度增长约30%。本研究中建立的硫酸盐生成机制的数值模拟系统可以为未来重污染灰霾预报和硫酸盐气候效应评估评估提供科学基础。