珠三角羰基化合物干沉降及其对臭氧与二次有机气溶胶生成的影响

Carbonyls are essentially important for the formation of ozone (O3) and secondary organic aerosol (SOA). Dry deposition is one of the most critical pathways for the sinks of carbonyls. However, high uncertainties are still observed for the key processes of the dry deposition of carbonyls and their impact factors. In this project, intensive field campaign will be conducted to measure the variations of carbonyls, their precursors and secondary products, and micrometeorological parameters to calculate the dry deposition flux and dry deposition velocity of carbonyls in typical areas of the Pearl River Delta region. In addition, the offline 1-D community Noah land surface model with multiparameterization options (Noah-MP) is coupled with dry deposition module (WDDM) from the WRF-Chem model to form the dry deposition scheme, which will be improved and validated by the observed dry deposition flux and dry deposition velocity of carbonyls and will be applied to understand and identify the major processes of the dry deposition for carbonyls and their key impact parameters. Furthermore, the improved dry deposition scheme will be coupled in the WRF-Chem model to 1) investigate the roles of dry depositions on the evolution of carbonyls in the process of “precursors-carbonyls-secondary products”; 2) improve the model performance for the simulation of carbonyls; 3) quantify the relationship between emissions and dry deposition and their influence on the formation of O3 and SOA.

羰基化合物是臭氧（O3）与二次有机气溶胶（SOA）的重要前体物。大气干沉降是其大气演化过程收支平衡的重要途径。目前对大气羰基化合物的干沉降过程、关键影响因子及其对区域大气复合污染的影响在认识上尚有较高的不确定性。本项目拟于珠三角典型区域针对羰基化合物、前体物、二次产物及微气象开展实时同步的外场观测，测量羰基化合物的干沉降通量与速率，分析羰基化合物干沉降与气象要素的关系；通过耦合包含多陆面过程方案的Noah-MP模式及区域空气质量模式WRF-Chem中的干沉降模块（WDDM）构建单点干沉降机理诊断模式，利用观测数据进行验证，识别羰基化合物干沉降的关键过程，校验与修订其主控参数；基于单点干沉降诊断模型结果优化WRF-Chem模型中羰基化合物干沉降机制，揭示气态前体物-羰基化合物-二次产物的收支过程，提高大气羰基化合物的模拟能力，明确羰基化合物排放-沉降的定量关系及其对O3与SOA生成的影响。

本研究针对“大气羰基化合物的干沉降及其环境效应”这一关键科学问题，于珠三角开展外场观测与数值模拟研究：1）于珠三角不同下垫面区域开展外场观测，获得了高分辨率的大气羰基化合物与微气象数据，分析了主要大气羰基化合物的浓度水平与组成分布特征。同时，基于这些数据利用涡动相关方法，估算了这些下垫面环境下大气羰基化合物的干沉降通量与干沉降速率。其中，鼎湖山与增城站点甲醛的排放通量大于沉降，而其他的羰基化合物则是沉降通量大于排放。鼎湖山站点己醛的干沉降速率最大，平均为0.26 cm/s，而增城站点丙烯醛的干沉降速率最大，平均为0.47 cm/s。2）通过增补与优化前体物排放清单，优化中间产物的非均相演化过程，有效提升了光化学箱式模型以及区域空气质量模式WRF-Chem对O3与SOA的模拟能力。优化后的光化学箱式模型对SOA的模拟浓度达到了观测浓度的88%。在经过前体物排放清单优化后，区域空气质量模式对O3-8h模拟的高估与低估情况分别减少了7%和35%，准确度分别提高8%和1%。在此基础上，在耦合非传统前体物源排放以及化学演化机制后，区域空气质量模式的SOA模拟效果提高了196%，其对观测结果的解析度达到了~40%。3）通过参数化方案，计算了珠三角鹤山站点大气羰基化合物的干沉降速率，并将该干沉降速率耦合于光化学箱式模式中，发现干沉降能使羰基化合物的浓度降低，从而导致了O3与SOA在鹤山站的模拟浓度分别在秋（冬）季节降低了3.1%（4.2%），2.7%（3.3%）。另外，单点干沉降机理诊断模式系统模拟结果发现，粗糙度长度以及气孔导度和叶片氮限制因子机制的改进是提高大气羰基化合物干沉降能力的重要因子。在此基础上，利用区域空气质量模式量化羰基化合物干沉降对珠三角区域O3与SOA浓度的影响。结果发现，羰基化合物的干沉降能降低O3与SOA浓度，降幅的最大相对贡献分别为~9.0%与~11%。羰基化合物的排放与干沉降呈现出较为明显的线性关系，其中乙二醛的干沉降通量对排放量变化响应最强。通过外场观测与数值模拟，本项目加深了对珠三角不同区域的主要羰基化合物的干沉降及其环境效应的认识，研究结果为揭示珠三角羰基化合物干沉降影响因素、校验模型模拟结果提供了重要的数据基础，为诠释区域大气复合污染的形成机制及其影响因素、评估相关政策、进行科学管理提供了技术支撑和科学依据。