华北地区大气氮氧化物非均相化学及其对大气氧化性和区域空气污染的影响

Heterogeneous chemistry of reactive nitrogen has potentially significant impacts on atmospheric oxidative capacity, radical chemistry, and regional air pollution. There is large deficiency in our understanding of complex heterogeneous production processes of nitrous acid (HONO) and nitryl chloride and their effects, which are a hot research topic in international atmospheric chemistry. In China, control of reactive nitrogen started rather late, and the contribution of nitrogen to regional air pollution is significant. North China has large NOx emission, abundant particulate matter in the atmosphere, strong oxidative capacity, and severe regional air pollution. It is expected that the heterogeneous processes play very important roles, but research on this topic is extremely limited..Built on our previous work, this project conducts field and modeling studies to systematically investigate the atmospheric abundance of HONO、ClNO2 and ROx, the heterogeneous processes of reactive nitrogen and radical source and recycling, and their impacts on ozone, oxidative capacity and secondary aerosol formation. The findings will enrich our knowledge of heterogeneous and radical chemistry and the formation mechanism of complex air pollution in China. The results will improve air quality models and provide scientific support to prevention and mitigation of regional air pollution in China.

氮氧化物的非均相化学过程对大气氧化性、自由基化学和大气复合污染有重要影响。其中关于HONO和ClNO2复杂的非均相生成机制及影响，现有认识存在严重不足，是当前国际大气化学领域的研究热点之一。我国氮氧化物控制工作起步较晚，氮氧化物对大气复合污染形成有重要贡献。华北地区NOx排放量大，颗粒物浓度高，大气氧化性强，区域污染严重，非均相化学过程预期可能发挥重要作用，但相关研究十分缺乏。.本项目拟在前期工作基础上进一步开展观测和模式研究，系统认识华北典型地区大气HONO、ClNO2和ROX自由基的时空分布特征，揭示真实大气环境氮氧化物的非均相化学机制和自由基来源与循环机制，评估其对大气氧化性、臭氧等氧化剂及二次气溶胶形成的影响。项目研究成果有助于丰富“我国大气复合污染成因”以及“国际大气氮氧化物非均相化学和自由基化学研究”的理论体系，可用于改进空气质量模式，并为我国区域大气复合污染防治提供科学支撑。

氮氧化物的非均相化学过程对大气氧化性、自由基化学和大气复合污染有重要影响，其中HONO 和 ClNO2的非均相生成是两个重要过程。华北地区NOX排放量大，颗粒物浓度高，大气氧化性强，区域污染严重，非均相化学过程预期可能发挥重要作用，但相关研究十分缺乏。本项目在国家自然科学基金的支持下，成功开发了可同时观测多种活性氮氧化物和活性卤素物质的高灵敏度高分辨率化学离子化质谱和可应用于高污染环境下的N2O5非均相摄取系数的直接测量方法，在华北地区的城市（北京、济南）、郊区（望都）、高山（泰山）和沿海（东营、青岛、长岛、东海海域）地区进行了综合大气观测，掌握了华北地区HONO和ClNO2的大气浓度水平、时空变化特征及非均相生成的关键动力学参数，构建了适合华北地区真实大气环境的N2O5非均相摄取及ClNO2产率的新参数化方案。在此基础上改进了国际主流大气化学模式中HONO和ClNO2化学模块，并首次建立了中国本土化高分辨率氯排放清单，量化了氯的来源，改善了模型对大气氧化性及二次颗粒物的模拟效果。本项目开发的化学模块被WRF-Chem模型2018年的官方版本采纳，这展现了本项目对于国际空气质量模型开发领域的贡献和回馈。结合稳态分析、箱式模型及大气化学传输模型等多种分析方法，揭示了大气氮氧化物非均相化学过程对华北地区大气氧化性的重要影响，包括其对该地区自由基、臭氧及二次颗粒物的生成的重要贡献，和改变臭氧对前体物敏感性，以及影响污染控制决策。研究还发现华北存在大量的非预期的活性卤素物种；活跃的卤素原子活化显著增强了大气氧化性和污染物的二次转化。华北地区大气氧化性强且呈现持续增长趋势，削弱了减排对于控制颗粒物，特别是硝酸盐污染的效益。.依托本项目研究成果，目前已发表SCI论文35篇，更有多篇论文正在审稿和撰写中。项目研究成果丰富了“我国大气复合污染成因”以及“国际大气氮氧化物非均相化学和自由基化学研究”的理论体系，完善了国际主流大气化学传输模式的大气氮氧化物化学机制，对于深入认识我国大气氧化性以及控制光化学和细颗粒物污染均具有重要意义。