长三角西部地区大气氨及二次无机气溶胶的观测和模拟研究

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细颗粒物(PM2.5)会对地球大气辐射平衡产生扰动,或者是充当云凝结核和冰核,影响生态系统、人体健康和能见度。硫酸盐、硝酸盐和铵盐(SNA)作为PM2.5中最重要的二次无机组份,其快速的化学生成或静稳的天气形势被认为是导致中国东部地区冬季雾霾频发的重要原因。氨(NH3)是大气环境中最为重要的碱性气体,因其在全球氮循环和生态系统中的重要作用,以及作为重要前体物对于二次无机气溶胶形成的贡献。基于这一背景,本研究以长三角西部地区南京大学地球系统区域过程综合观测试验基地(SORPES)长期外场观测为基础,对长三角西部地区二次无机气溶胶及其前体物的浓度水平和时间变化特征进行分析,讨论重要前体物NH3变化的关键影响因子和高氨浓度事件的成因以及NH3对二次无机气溶胶形成的影响,并结合区域空气质量模型,探究在冬季典型天气形势下,SNA的化学生成和累积过程与天气形势之间的联系,以及它们对于PM2.5的共同贡献。SORPES站2014至2017年对SNA及其前体物的观测结果表明:PM2.5及主要的二次无机气溶胶SO42-,NO3-和NH4+的平均浓度分别为56.6,13.8,15.0和9.6μg/m3;气态前体物SO2,NOx和NH3的平均浓度分别为14.4,48.0和7.1μg/m3。除NH3以外,其他组分的浓度均呈现出冬季高、夏季低的季节变化规律,主要与气象条件和排放源的季节性变化以及东亚季风所导致的传输过程有关。春节的假期效应导致了2月份PM2.5浓度的降低,而6月份SNA小峰值的出现则是由于初夏光化学氧化反应加快,升高的温度和增强的日间辐射利于NH3的排放,从而促进了二次无机气溶胶的生成。各组分在日尺度上的变化主要受到大气边界层的发展、人为源和自然源排放强度的变化以及化学生成过程的影响。SORPES站点的NH3浓度的变化范围为0.1-53.3μg/m3。NH3浓度呈现出夏季要显著高于冬季的季节变化规律和白天高夜间低的日变化特征,主要受到农业活动、生物质燃烧、温度、气-固转化和降水等因素的影响。其中,降水发生时对于NH3有清除作用,而降水发生后对于NH3排放则会有增强作用。交通源排放对于SORPES站观测到的NH3浓度贡献较少。利用拉格朗日粒子溯源模式(LPDM)发现,SORPES站夏季观测到的高氨事件是长三角区域尺度上农业施肥导致的一次排放和NHx(NH3+NH4+)传输过程共同作用的结果。长三角西部地区四季均处于富氨的大气环境下,足以完全中和气溶胶中的强酸。2017年冬季强化观测的结果显示:非均相反应有效的提高了二次无机气溶胶SO42-和NO3-的生成速率,加重PM2.5污染程度,也显著提高了重污染事件发生期间SNA所占比例。WRF-Chem的模拟结果也证明SNA在整个中国东部的雾霾污染中确实发挥了至关重要的作用,对PM2.5总质量浓度的贡献超过40%。长三角地区在局地静稳的天气形势下仅处于轻微污染状态,局地化学生成过程对SNA污染的形成贡献约61%。而受到冷锋系统的影响时,污染加剧,对流输送成为最主要的贡献过程(85%)。尽管如此,由于锋区前部高的相对湿度以及对于污染气团的强烈抬升作用,促进了前体物的非均相氧化和液相氧化过程,使得SNA的化学生成速率显著提高。除此以外我们还发现,受到温度、大气氨的可利用性和干沉降不同的影响,陆地表面和海洋上空NO3-的相态平衡存在明显差异。
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