中国二次有机气溶胶数值模拟和潜在来源分析

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上世纪80年代以来,随着我国工业化和城市化进程不断加快,大气污染问题日益严重,特别是细颗粒物污染。外场观测表明,有机气溶胶(OA)在我国细颗粒物中占着相当大的比例,且对细颗粒物的光学特性和气候效应有很大影响。由于目前对二次有机气溶胶(SOA)来源认识不足,所以模式对OA的模拟结果始终偏低。针对这一问题,本文利用区域空气质量模拟系统RAMS-CMAQ对我国SOA可能的潜在来源进行分析,包括芳香烃排放低估、挥发性有机化合物(VOCs)生成SOA产率低估、乙二醛低估以及未考虑的SOA生成机制。  针对SOA气相形成过程中的潜在来源,开展了四个敏感性试验来讨论芳香烃排放和前体物生成SOA产率低估对我国SOA模拟的影响。通过比较观测和四个敏感性试验模拟的结果发现,芳香烃在我国的排放和前体物生成SOA的产率确实存在低估,且对SOA模拟影响较大。考虑两个低估因子后,模式对SOA生成的描述更加合理真实。在分析时段内,模式对观测站点SOA平均浓度的模拟结果增加到初始的4倍,解释约23.5%的SOA潜在来源。SOA在OA中平均所占比例也由初始的6.74%增加到25.42%,与观测结果更为接近,同时模拟的OA浓度与观测结果的偏差也减小。从区域模拟结果来看,在我国,SOA浓度呈东高西低分布,高值区出现在四川盆地(6-11μg/m3)和珠三角地区(8-17μg/m3),最低值出现在青藏高原,且因该地前体物排放较少,故浓度不到0.5μg/m3。OA浓度分布与SOA相似,也呈东高西低分布,其在中东部地区的浓度为2-30μg/m3,最高值(15-30μg/m3)主要集中在京津冀地区、河南省南部、珠三角地区和四川盆地。而在西部地区,OA浓度除在西北的城镇区域可达5μg/m3外,通常在2μg/m3以下。SOA对OA的贡献在全国范围内变化较大,通常为10-90%。因我国中东部大部分地区以人为源排放为主,所以这些地区人为源SOA(ASOA)对SOA的贡献通常在60%以上。  乙二醛是SOA液相形成过程中重要的前体物之一。通过比较卫星观测和四组主要敏感性试验模拟的乙二醛垂直柱密度发现,其垂直柱密度在我国冬季和夏季确实存在低估,这可能与芳香烃源排放和前体物生成乙二醛产率的低估有关。因前体物排放在时空上存在差异,所以不同季节不同区域,两个低估因子对乙二醛模拟结果的影响不同。考虑芳香烃排放源的低估影响后,乙二醛垂直柱密度的模拟结果明显改善,特别是人为源排放较显著的地区(如华北平原和四川盆地)。与夏季结果相比,芳香烃排放低估对冬季乙二醛垂直柱密度模拟结果影响更显著。而考虑异戊二烯生成乙二醛产率低估影响时,其对夏季乙二醛垂直柱密度模拟结果的影响要远大于冬季。当同时考虑以上两低估因子影响时,两模拟时段的结果都更接近观测,但在长江和黄河下游的主要人口聚居区(包括华北平原和长三角地区),乙二醛垂直柱密度的模拟结果却并不理想,特别是夏季结果。在此基础上,进一步考虑人为源前体物排放和其生成乙二醛产率被低估的可能,最终模拟结果与观测相当,但仍有很大不确定性。  结合乙二醛低估原因的分析结果,同时在模式中增加云滴和湿气溶胶表面对乙二醛和丙酮醛反应性吸收生成SOA这一机制,对液相化学过程在我国夏季和秋季SOA模拟中的潜在影响进行研究。通过比较观测的与三组敏感性试验模拟的结果发现,液相化学过程在不同季节对我国SOA模拟的潜在影响不同,一般夏季影响较大,而秋季影响较小,这主要与不同季节大气中液水含量不同有关。从站点模拟结果来看,在仅考虑新的SOA生成机制时,SOA平均浓度在夏季增加了1.57μg/m3,解释了约15.0%的SOA潜在来源,而秋季却仅增加0.25μg/m3,对SOA的贡献很小。在此基础上,进一步考虑乙二醛低估影响,则模拟的来自液相形成过程的SOA(AORGCJ)平均浓度在夏季为2.85μg/m3,对SOA的贡献达到了39.0%,解释了约26.7%的SOA潜在来源,而秋季相对较低,仅0.56μg/m3,对SOA的贡献仅为18.5%。虽然液相化学过程在不同季节对SOA的潜在贡献不同,但考虑其影响之后,SOA的模拟结果与观测更接近,特别是夏季结果。从夏季区域模拟结果来看,在我国,考虑液相化学过程的潜在影响后,AORGCJ的浓度明显提高,且总体呈东高西低分布,最高值(5-10μg/m3)通常出现在黄河和长江下游及四川盆地地区,最低值(0.1μg/m3以下)出现在我国西北地区,这与液水含量和液相过程前体物(乙二醛和丙酮醛)浓度分布有很大关系。不同区域AORGCJ对SOA的贡献也不同。在我国中东部地区,AORGCJ对SOA的贡献通常在40-60%之间,并在沿海区域达到70-80%,在我国西部地区,AORGCJ对SOA的贡献则相对较低,通常不到40%,但在西南部分地区AORGCJ对SOA的贡献则可达70-80%。若进一步考虑各前体物生成SOA产率低估的影响,则模拟结果表明,夏季我国SOA浓度整体呈东高西低分布,高值区位于长江和黄河下游区域与四川盆地,最高可达20-25μg/m3,最低值(0.5μg/m3以下)出现在青藏高原。OA浓度分布与SOA极为相似,其在中东部地区的浓度为5-30μg/m3,最高值(20-30μg/m3)主要集中在华北平原、长三角地区以及四川盆地,而在西部,OA浓度除在西北的部分城镇区可达5μg/m3外,通常在2μg/m3以下。我国夏季OA主要来自SOA的贡献,在人口密集地区,SOA对OA的贡献可达60-80%,而在其它大部分区域则超过80%。
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