气态亚硝酸来源对臭氧、过氧乙酰硝酸酯及二次有机气溶胶浓度的影响

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OH自由基在大气化学中居于核心地位,我们面临的许多大气环境污染问题都与OH自由基有关。HONO光解对OH自由基的初级贡献可达30-80%,但HONO形成机制迄今不完全清楚。空气质量模式通常仅考虑HONO气相生成过程,从而严重低估HONO观测浓度,导致模拟的大气氧化能力偏低,二次污染物(如二次有机气溶胶(SOA)、O3及过氧乙酰硝酸酯(PAN)浓度低估。外场观测发现夏季农田施肥后HONO浓度明显增升,冬季重污染期存在高浓度的SOA及PAN。夏季农田施肥对区域O3浓度影响多大?冬季重污染期SOA和PAN浓度偏高的原因是什么?上述问题均与HONO潜在来源密不可分。
  本文系统总结了近四十年来HONO数十种潜在生成机制,归纳为源排放、气相生成、非均相反应生成三类。在此基础上,选取四种(交通、生物质燃烧、土壤、室内)源排放和两种(气溶胶表面、地表面)非均相反应生成加入WRF-Chem模式,以提升HONO模拟能力,进而改善O3、PAN、SOA模拟结果。模拟时段包括2006年8月份(侧重SOA),2017年2月份(侧重PAN),2017年6月份(侧重O3)以及2017年11-12月份(侧重SOA)。
  六项HONO潜在来源的加入显著改善HONO模拟,明显缩小了模拟与观测的偏差,尤其是白天正午前后。HONO潜在来源的加入显著改进了PAN的逐时及日均模拟。2017年2月份海淀区宝联站(密云区上甸子站)的PAN月均浓度从0.44ppb(0.47ppb)升至0.77ppb(0.73ppb),对应的观测平均值为0.86ppb(0.73ppb);海淀区宝联站(密云区上甸子站)2月中旬重污染期间PAN平均浓度从0.60ppb(0.65ppb)增至1.48ppb(1.56ppb),对应的观测平均值为1.86ppb及1.74ppb。长链烯烃、二甲苯、丙烯\甲苯是北京地区PAN生成的主要VOCs前体物。HONO潜在来源对中国东部PAN的增幅最大可达80-150%。这一研究方法及思路可应用于区域及全球尺度PAN的相关研究。
  2006年8月北京城区交通源排放对夜间HONO的积累较重要(~40%),但对白天大气氧化性提升很小。地表面非均相反应是白天近地面HONO的最主要来源(~66%),气溶胶表面其次(~19%)。室内源为恒定排放强度2.36ng N m-2s-1,引起夜间城区平均HONO增量约0.2ppb,月最大增量达0.6-0.8ppb,其影响在城区不可忽视。
  2017年冬季重污染期HONO与PM2.5呈现较好的线性关系,说明该时期气溶胶表面的非均相反应很可能是HONO的主要来源。HONO是京津冀地区冬季及夏季OH自由基最主要的初级来源,来自HONO光解的OH自由基生成率污染天明显高于清洁天。HONO潜在来源的加入显著提升了冬、夏季京津冀地区SOA的模拟浓度,缩小了模拟与观测之间的偏差。夏季SOA月平均增量约1-3μg m-3,对应增幅10-30%;冬季重污染期增量达5-25μg m-3,对应增幅75-200%。京津冀地区SOA的最主要挥发性有机化合物(VOCs)前体物为二甲苯、甲苯、长链烷烃/烯烃,自然源排放的VOCs氧化生成的SOA夏季贡献约10-20%,冬季贡献可忽略。乙二醛(glyoxal)主要经芳香烃氧化产生,其液相/非均相生成的SOA约占总SOA的15-30%。夏季生成的SOA主要分布在低挥发性范围,冬季生成的SOA具有更高的挥发性。
  2017年6月为华北平原当年冬小麦收割后玉米播种前的集中施肥阶段,施肥期间正午前后的HONO观测浓度可达1-3ppb,同时臭氧浓度也显著增升(超过150ppb)。我们将拟合公式FluhxHONO=14.0e0.004SR-13.0加入WRF-Chem模式,较好反映了施肥后白天HONO浓度变化。模拟结果显示,施肥后土壤额外排放的HONO所引起的O3增量(10-16μg m-3),大约是未施肥时六项HONO潜在来源所产生增量(5-10μg m-3)的2倍,施肥期间大气氧化性显著增强。
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