HONO形成机制在WRF-Chem模式中的改进及其对京津冀地区空气质量的影响

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OH和HO2合称HOx自由基,是大气中重要的氧化剂;作为OH自由基的重要来源之一,HONO可显著影响O3、NOy和PM2.5等污染物浓度,进而影响区域空气质量。HONO形成机制至今仍存在争议,多数空气质量模式无法模拟出HONO高浓度观测值。Lietal.(2008)提出太阳光照下产生的激发态NO2(NO2*)与空气中水汽之间的反应(简称NO2*机制)是HONO白天来源之一,该反应在NOx(=NO+NO2)高排放地区可能具有重要影响。非均相化学过程作为HONO夜间主要来源,也是大气化学研究的关键问题之一。   论文首先将HONO新增源,即HONO源排放、NO2*机制以及NO2在气溶胶表面的非均相反应,耦合到区域空气质量模式WRF-Chem,评价了耦合HONO新增源模块后WRF-Chem的模拟能力。结果表明HONO新增源可显著改进HONO模拟效果,非均相反应是HONO最主要来源。O3、NO2以及NOy的模拟也有改进。HONO新增源对HOx、O3以及NOy浓度影响显著,可增加HOx浓度,提高O3峰值浓度并降低NOy中气态物种的浓度。HONO新增源在北京、天津以及石家庄等NOx高排放地区影响更大。   然后,讨论了HONO新增源对PM2.5浓度的影响。结果表明HONO新增源可显著提高京津冀地区PM2.5及其主要无机组分的月均、日均和时均浓度。京津冀地区NO3、NH4+、SO42-、PM2.5月均浓度分别增加了10~50%、10~40%、6~10%、和3~10%。NO3-、NH4+、SO42-等浓度增加的同时,易发生吸湿性增长,从而降低大气能见度,在静稳天气条件下,可诱发灰霾。由此提出了HONO新增来源影响灰霾形成的概念模型。HONO新增来源,特别是NO2*机制与NO2在气溶胶表面的非均相反应可加强O3与PM2.5之间的化学耦合。考虑HONO新增来源后,O3与PM2.5白天平均浓度增加量之间的相关系数在京津冀大部分地区大于0.6,在主要城市地区以及渤海湾大于0.8。   进而,分析了HONO新增源对NOy沉降量的影响,结果表明HONO新增来源可显著影响NOy各组分的干沉降量:NO2干沉降量显著减少,NO、HNO3、HONO、PAN以及硝酸盐等干沉降量在京津冀大部分地区有所增加。HONO干沉降增加量大于500%;NO3-干沉降量增加了5~30%;PAN干沉降量在北京、天津等地增加了10~15%;NO干沉降量增加约10%;HNO3干沉降量在北京、天津等地增加了6%。HONO新增来源中,气溶胶表面的非均相反应对NOy各组分干沉降量的影响最大。   最后,通过改变NOx、VOC以及NH3排放量的比例,探讨了HONO新增源对PM2.5和O3控制措施的影响。在NOx、VOC和NH3三者中,削减NOx排放量对减少PM2.5浓度最为有效,NH3的减排效果居其次。同时大量削减NOx与VOC排放量可有效降低O3在京津冀地区的峰值浓度。同时大量削减NOx、VOC和NH3的排放量是控制PM2.5和O3浓度最有效的措施。在相同减排情景下,考虑HONO新增来源时PM2.5和O3浓度的下降比例均大于忽略HONO来源时降低的比例,说明HONO来源增强了PM2.5和O3浓度减控的有效性。   HONO新增来源对HOx、O3、NOy、PM2.5浓度以及NOy沉降量产生显著影响的根本原因是HONO新增源增加了大气中OH的浓度,进而使大气光化学活性增强。HONO新增来源对O3等污染物浓度的显著影响表明区域空气质量模式应考虑HONO新增来源,特别是在NOx和PM等污染物排放量较高的城市地区。HONO新增源可显著增强O3与PM2.5之间的化学耦合,表明O3与PM2.5的控制措施应结合考虑,协同防控。
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