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污染区域沙尘气溶胶对对流层光化学的影响:北京超大城市个例研究

朱帅  Tim Butler  Rolf Sander  马建中  Mark G.Lawrence  
【摘要】:利用一个结合沙尘表面吸附过程的气相化学箱模式分析了,当沙尘气溶胶与气块中其它气体一起,以不同速率输送到污染区域(以北京为个例)时,其对对流层光化学的不同影响。箱模式中加入了12个异相去除反应以及三个物理过程(分别为:包含沙尘气块的流入,沉降和源排放)。通过改变模式中交换速率系数Kt的值,设定四个输送速率个例(按Kt值由小到大分别为:"T16","T08","T04"和"T02")。每个输送速率个例,进行三个模拟:1)不考虑沙尘,2)只考虑沙尘表面异相去除过程,3)考虑沙尘表面异相去除过程以及沙尘对光解率的扰动。前两个模拟结果之差即为沙尘通过异相反应对对流层光化学的影响,而后两个模拟结果之差则为沙尘通过扰动光解率产生的影响。对比四个输送速率个例的模拟结果发现,通过气体异相去除过程,沙尘气溶胶对许多气体(包括Ox(O3+O(3P)),NOx(NO+NO2)和OH)有显著影响。Ox的日平均混合比减少了3~11nmol/mol,与上风向气块混合速率越快(即Kt值越大),其减少量越大。对应的相对变化量较大(在-58%~-26%之间),但随Kt值增大而减小。NOx的日平均混合比减少了60~8nmol/mol,Kt值越大,其减少量越小。对应的相对变化量在-31%~-24%之间,随Kt值增大而变化不明显。OH浓度变化比较复杂,在Kt值较小时增加(相对变化在"T16"个例中达到60%),而在Kt值较大时减少(相对变化在"T02"个例中达到-25%)。假设所有光化学反应的光解率均减少50%,以此估算在"T04"个例中,沙尘气溶胶通过影响光解率对对流层光化学的作用。结果显示,沙尘气溶胶通过其表面异相去除过程和对光解率的扰动分别使Ox混合比减少了79.5%和20.5%。最后评估了由吸附系数的不确定性引起计算结果的误差。结果发现,对大多数气体而言,最大的不确定性来至于作用其本身的异相去除反应(例如:O3~-132.6%,NO2~-60.3%,N2O5~-57.0%,HNO3~-41.4%,HCHO~-57.8%,CH3OH~-49.5%和SO2~-47.9%)。NO2的异相去除反应非常重要,因为它不但会对NO2本身造成很大误差,还会明显影响OH和HO2的浓度(其误差分别达到105.6%和420.6%)。HCHO,HO2和O3的异相去除反应同样能导致OH浓度较大误差(分别为-50.3%,-34.8%和41.2%)。另外,HCHO的异相去除反应还可以引起HO2浓度较大误差(-63.8%)。本文只是针对一个典型重污染地区沙尘气溶胶对对流层光化学的可能影响进行了分析。下一步工作中,将利用一个区域三维化学输送模式研究华北不同污染地区沙尘气溶胶的作用。本文结果对区域三维化学输送模式中加入沙尘表面异相反应以及结果分析都有指导作用。考虑到吸附系数的不确定性将会导致计算结果显著误差,可进一步利用三维模式敏感性试验估算适合华北地区的沙尘表面异相吸附系数。

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