大气化学组分在线监测数据在减排效果评估中的应用综述

我国大气污染目前处于O_(3)和PM_(2.5)为主的二次复合污染阶段,一次和二次污染物对控制措施的响应存在差异,使得实现精准治污面临巨大挑战。以客观、准确地评估大气污染情况助力实现精准防治为目的,综述了我国开展大气化学组分在线监测的现状及存在问题,介绍了基于大气化学组分在线监测数据的来源示踪分析方法及在污染减排评估中的具体应用,提出了进一步挖掘大气化学组分在线监测数据价值的展望。

国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码下设研究方向与关键词解读:D0506大气化学

国家自然科学基金委员会深入推进新时代科学基金改革的背景下,地球科学部大气科学学科率先开展申请代码设置改革,新版申请代码设置方案于2020年投入使用并在实施过程中不断优化。本文主要针对大气学科二级代码D0506大气化学下设研究方向和关键词设置的主要依据进行解读;同时基于文献计量学方法对该代码下不同研究方向的词频、研究热点和趋势进行分析和讨论。新版代码设置方案统筹考虑主要研究方向和研究手段,并根据关键词属性进行分类,便于基金项目申请和评审。基于关键词的文献计量分析明晰了分支学科当前存在的问题及资助导向,有助于进一步促进大气化学及相关方向的发展。

真空紫外光电离质谱及其在大气化学中的应用研究

大气环境污染成因复杂,往往涉及一系列复杂的化学反应过程,且包含众多的挥发性有机物气体分子、自由基和气溶胶颗粒物等,在线检测是大气化学领域的难点和热点问题。真空紫外光电离质谱技术使分子吸收单个光子能量后,在其电离能阈值附近“软”电离,可以获得分子离子质量信息,具有质谱图简洁、碎片离子少和易于解析等特点,能够从分子层面上在线测量大气化学反应过程中关键的化学成分,揭示复杂的大气化学反应机理,在大气化学领域具有较好的应用前景。本文介绍了基于真空紫外激光、同步辐射光源、自由电子激光和真空紫外放电灯等多种光源的真空紫外光电离质谱技术,阐述了近年来该技术在大气挥发性有机物、自由基以及气溶胶颗粒物化学成分检测方面的进展,并展望真空紫外光电离质谱技术的发展方向。

大气化学实验教材建设的探索与实践

大气化学实验课程建设需求非常急迫,但配套实验教材却较为缺乏。该文介绍了《大气化学实验》教材的思路、特色和编写实践。该教材凸显了大气科学学科特点,既包含参照国标方法的基础性业务部门标准实验,又突出引入大型仪器设备的热点前沿实验技术方法,内容基本覆盖大气化学理论知识点,鼓励自主设计实验,旨在帮助培养大气科学实用型和创新型本科人才。该教材的建设,有望解决大气化学实验教材不足的问题,为本课程及相关课程建设提供参考和借鉴。

全球二维大气化学模式和大气化学成分的数值模拟

建立了一个全球二维纬向平均化学模式，模式包括了从９０°Ｓ到９０°Ｎ，从地面到２０ｋｍ高度的大气。模式中应用的流场来自根据加热率计算得到的剩余环流。模式化学部分包括３４种大气成分、１０４个化学反应和光化学反应、其中，甲烷、一氧化碳和氮氧化物排放分为季节性和非季节性排放源，并将其参数化为时间和纬度的函数再应用到模式中去。按１９９０年的甲烷、一氧化碳和氮氧化物的的排放水平模拟得到了多种大气组成的分布，模拟结果与观侧有较好的一致性。由于模式考虑了一氧化碳的季节变化，模拟得到的ＯＨ自由基分布更为合理。模式的建立为今后进一步研究大气微量成分的全球循环过程及其长期变化提供了有效的手段。

空气质量模型中大气化学机理的发展与比较

大气化学机理是空气质量模型中重要的组成部分,是研究大气化学过程的重要手段和方法。综述了碳键机理(CBM)、区域大气化学机理(RACM)和加州大气污染研究中心机理(SAPRC)3类常用归纳化学机理的发展历程,比较了各化学机理在物种集总方式、物种数和化学反应数等方面的差异,介绍了各类大气化学机理最新版本的更新及在空气质量模型中的应用情况。对不同大气化学机理在空气质量模型中应用的比较进行了分析和总结,讨论了导致不同大气化学机理模拟结果差异的原因,并对空气质量模型中不同大气化学机理的选择和应用提出了建议。

近30年大气化学和大气环境研究回顾——纪念中国气象科学研究院成立50周年

概述了中国气象科学研究院(简称气科院)近30年来有关大气化学和大气环境研究成果。该院完成了国家自然科学基金重大项目和科技部973项目等一系列重要研究项目,做出了许多具有重大创新性的成果:在青藏高原发现“臭氧低谷”,这一重大发现列为当年中国10大科技成果之一;首次把环境、生态、气候几个重要领域进行综合研究,发现人类活动对环境造成的变化改变了生态环境状态,最终对区域气候造成影响;对北京市大气污染机理和调控原理进行了深入研究,在三维立体观测基础上,提出了点-面结合与统计-动力综合分析,地面观测-卫星遥感分析方法及模式新技术等,获取了解决大气环境领域关键技术难点的创新成果;建立了全球第一个大陆大气本底基准观象台即瓦里关本底台,开创了我国全球大气本底业务观测等。几十年来气科院大气化学研究工作几乎涵盖了当前大气化学所有重要领域及其前沿学科,其中包括温室气体、臭氧和反应性气体、气溶胶、酸雨、模式的发展及应用、空气质量预报技术和环境评价等。气科院大气化学研究工作是和中国气象局大气成分监测站网建设密不可分的,广大科研人员参加了诸如大气本底站网、酸雨站网、臭氧站网、沙尘暴站网等业务站网的建设,与此同时也构建了大气化学科研平台。

β-蒎烯与臭氧的大气化学行为的初步实验室模拟研究

使用长光程傅里叶变换红外光谱系统对β-蒎烯与臭氧的大气化学行为进行初步的实验室模拟研究,测定了β-蒎烯及其与臭氧氧化反应的主要产物下蒎酮的气态红外谱图,确定了特征峰的红外吸光系数,研究了实验室模拟条件下的衰减情况。

中美大气化学联合考察实验结果的初步分析与比较

根据临安区域本底站观测资料分析结果得出，中国中纬度地区秋、冬季Ｏ３及其前体物ＮＯｘ等浓度偏高，可以对农作物和地表生态系统产生影响。观测结果表明：近地层大气Ｏ３浓度主要决定于地面总辐射量控制下的光化学反应过程；Ｏ３的生成受到前体物ＮＯｘ的控制，但Ｏ３与ＮＯｘ存在着明显的非线性关系。从ＰＥＭ－ＷＥＳＴＡ和Ｂ的实验及１９９５年的观测资料表明，Ｏ３的生成效率随着ＮＯｘ浓度的增大而减小。尽管Ｏ３的生成速率秋季比冬季的大，但由于秋季较高的ＮＯｘ抑制了过氧基的生成，因此冬季Ｏ３的累积量几乎可以和秋季相比拟。在临安观测的ＮＭＨＣ和ＮＯｘ的比值比国外同纬度地区测值要大。这说明在临安本底站Ｏ３的光化学生成中，ＮＭＨＣ不是控制物种。从而提示我们，在这些季节临安Ｏ３光化学产物能够被ＮＯｘ浓度所控制。中美大气化学联合考察（ＰＥＭ－ＷＥＳＴ－Ｂ）实验期间，台湾省的卡盯站ＳＯ２的平均浓度为０．２９ｐｐｂ，Ｏ３的平均浓度为４２．２ｐｐｂ，可以认为此值为低纬度海岛的本底值。１９９４年ＰＥＭ－ＷＥＳＴ－Ｂ实验期间临安站的观测资料和台湾省的卡盯站资料相比，临安站ＳＯ２的浓度约为卡盯站ＳＯ２浓度的５０倍左右，从而可以看出人类活动对大气本底的显著影?

氯氟烃替代物大气化学研究

大气平流层臭氧（大气臭氧层）由于能够吸收太阳辐射中的高能量紫外线，对人类和生物起着非常重要的保护作用．氯氟烃类化合物（ＣＦＣｓ）已被认为是造成大气平流层臭氧耗损的主要原因，淘汰ＣＦＣｓ和使用替代物日趋紧迫．目前，最有应用前景的替代物是含氢氯氟烃类化合物（ＨＣＦＣｓ）和氢氟烃类化合物（ＨＦＣｓ），其中有些已投入工业使用．本文总结了ＨＣＦＣｓ和ＨＦＣｓ在大气中的光化学降解机制及其产物，以及产物对环境的影响．

区域气候模式和大气化学模式对中国地区气候变化和对流层臭氧分布的模拟

在区域气候模式的基础上引入了对流层大气化学模式 ,并实现两者的双向反馈连接 ,利用该模式系统模拟中国地区对流层大气臭氧和区域气候 ,发现东亚季风是影响中国地区对流层大气臭氧分布的重要原因 ,并且对流层臭氧分布局域性较为明显 .模拟也得到了模拟区域气候的四个典型月特征 ,并与分析资料对比验证了所得结果 .此外利用大气化学模式计算的臭氧反馈到区域气候模式中 ,模拟对流层臭氧增加背景下 。

大气化学非均相反应摄取系数的测定

摄取系数是表征大气非均相反应的重要物理化学参数,也是大气颗粒物表面摄取气体能力的重要量化指标.本文综述了摄取系数的主要概念、主要测定方法和影响因素,以NaC l与NO2非均相反应为例,讨论了用漫反射傅立叶转换红外原位反应器扩散实验方式测定反应摄取系数的方法和误差,分析了气体扩散深度与红外穿透厚度对测定结果的影响,并测定了初始反应摄取系数.

异戊二烯与O_3的大气化学反应研究

研究室温下石英玻璃反应器中异戊二烯与Ｏ３的暗反应．长光路ＦＴＩＲ法得到的实验结果表明，在本模拟反应条件下异戊二烯－Ｏ３反应体系中，主要产物甲基丙烯醛、甲基乙烯基酮和ＨＣＨＯ的产率分别为３７．４％、２０．２％和５５．１％．通过红外谱图的分析可确定反应中的其它产物为ＨＣＯＯＨ、ＣＯ和ＣＯ２等．对异戊二烯与Ｏ３的反应机理进行了探讨．

大气化学研究进展——臭氧、气溶胶研究综述

大气化学是大气科学的一门新兴分支学科,早在100多年以前就已开始研究,但是真正发展则以1929年对大气臭氧的观测和对平流层臭氧光化学的理论研究为契机。现阶段大气化学的研究许多事实和现象还不清楚,尤其是关于一些大气微量成分的源、汇和时空分布,它们的迁移、输送和全球循环等问题,都需要进行更加深入广泛的观测和研究。

中国南大洋海洋大气化学研究进展

海洋大气化学是一门海洋化学与大气化学交叉的新学科。中国的南大洋海洋大气化学研究与我国的南极考察事业同步成长。30多年来,随着南极科学考察的经验积累和数据集成,我国的南大洋海洋大气化学关键过程研究即大气-海洋生物地球化学循环,碳、氮、硫、磷、铁等的海气交换研究都有了长足的进步。与气候变化关系密切的碳、氮、硫的海-气循环等研究,取得了一批新的认知和成果,引起国际学界的关注。自20世纪80年代早期开始至今,我国已开展了三十多次南极科学考察,在这些考察中开展了南大洋大气气溶胶物质来源研究,探究了大气-海洋生物地球化学的一些关键过程,估算了硫、磷、氮、铁的海气交换通量。随着国家重大计划"南极在全球变化中的响应与反馈作用"项目实施及后续研究的开展,对全球变化的敏感要素碳、氮、硫、铁在南大洋的源汇特征及其环境和气候效应等进行了研究,对其有了更深的了解。我们还对南大洋海冰区碳汇格局演变,DMS、MSA、N_2O、Fe等的海气交换过程及其对生态环境的影响有了新认知。同时,在对上述化学物种的实时走航观测关键技术研发上也取得了重要突破,为未来开展相关研究提供了坚实的技术支持;在站区大气污染特征分布上进行了深入探讨,为了解人类活动对站区环境的影响提供了评估依据。

变分伴随方法应用于大气化学初值和参数反演研究

将结合正则化思想的变分伴随方法应用于大气平流层中臭氧破坏催化反应过程的浓度初始值和反应速率参数的反演问题,推导了在整体资料和末端时刻局部资料反演的伴随模式和泛函梯度,并进行了一组理想数值试验。试验结果表明了变分伴随方法运用于大气化学过程的反演研究的有效性,特别是局部资料联合反演中可以运用正则化思想克服反演的不适定性。

珠三角地区闪电活动与大气化学污染的关系

研究了以广东省东莞站为代表的珠江三角洲(简称珠三角)地区及作为对比的粤西遂溪站为代表的海边地区降水样品的化学成分与闪电活动间的关系,分析了珠三角地区污染源对降水化学成分的影响,通过进行相关分析发现,在珠三角地区,除了臭氧不明显外,空气中的二氧化硫、二氧化氮及可吸入颗粒物浓度(没有进入降水中)与闪电发生的次数都存在显著的负相关关系;还发现闪电降水具有十分明显的化学特征地区性差异,即相对其它地区,浓度较高的化学成分其闪电降水的化学浓度都明显高于非闪电降水,而浓度较低的化学成分其闪电降水的化学浓度都低于非闪电降水,这进一步证明了pH值与雷电活动的关系并非主要由湿清除过程引起,而与雷电活动有较密切的关系。闪电活动与降水中某些离子浓度、降水的电导率及pH值间存在显著的相关关系,总的来说,闪电活动与当地的典型化学成分浓度有显著的相关关系,例如闪电活动在海边地区与海盐性离子有显著的相关关系、在珠三角地区与主要由工业化和城市化环境所引起的各种离子有显著的相关关系。

基于国际大气化学—气候模式比较计划模式数据评估中国沙尘气溶胶直接辐射强迫

目前气候模式对沙尘气溶胶直接辐射强迫模拟仍有很大不确定性,多模式对比有助于定量评估不确定范围。国际大气化学—气候模式比较计划(Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project,ACCMIP)旨在评估当前模式对短寿命大气成分辐射强迫和气候效应的模拟能力。基于7个ACCMIP模式模拟的中国地区沙尘气溶胶浓度,我们评估了中国区域沙尘气溶胶直接辐射强迫和不确定性范围。结果显示,中国区域沙尘气溶胶年排放总量为215±163 Tg a^(-1),区域年均地表浓度为41±27μg m^(-3),柱浓度为9±4 kg m^(-2),光学厚度为0.09±0.05。中国区域年均沙尘气溶胶产生的大气顶短波、长波和总辐射强迫分别为-1.3±0.8 W m^(-2)、0.7±0.4W m^(-2)和-0.5±0.7 W m-2;地表短波、长波和总的辐射强迫值为-1.5±1.0 W m^(-2)、1.8±0.9 W m^(-2)和0.2±0.2 W m^(-2)。沙尘气溶胶长波辐射强迫对沙尘浓度的垂直分布敏感。高层沙尘气溶胶浓度越大,其在大气顶产生更强的正值长波辐射强迫。然而,沙尘气溶胶短波辐射强迫主要受整层沙尘柱浓度控制,对沙尘浓度的垂直分布较不敏感。本文结果可为中国沙尘气溶胶的气候模拟提供参考。

NO_x存在下异戊二烯与OH自由基大气化学反应

采用长光路傅立叶变换红外光谱（ＬＰＦＴＩＲ）技术，研究ＮＯｘ存在下异戊二烯与氢氧自由基（ＯＨ）的模拟大气化学反应。ＯＨ自由基由亚硝酸甲脂（ＣＨ３ＯＮＯ）黑光灯光解产生。结果表明，产物中主要有羰基化合物、硝酸酯或过氧硝酸酯、甲酸（ＨＣＯＯＨ）及ＣＯ等。鉴定出的羰基化合物为甲基丙烯醛（ＣＨ２Ｃ（ＣＨ３）ＣＨＯ）、甲基乙烯基酮（ＣＨ３Ｃ（Ｏ）ＣＨＣＨ２）和甲醛（ＨＣＨＯ）。在２９８Ｋ、９３３ｋＰａ时，甲基丙烯醛和甲基乙烯基酮的产率分别为（２０８±１５）％和（３３４±２２）％。压力变化对这两种羰基化合物的产率几乎无影响。最后对ＮＯｘ存在下的异戊二烯／ＯＨ自由基反应进行了简略讨论。

一次深对流过程对不同溶解度大气化学气体成分垂直再分布作用的模拟

结合MEIC大气污染物排放源清单,利用耦合了大气化学模式的中尺度气象数值模式WRF-Chem,对2016年5月6日广东地区一次深对流天气过程及其大气化学气体成分变化进行模拟,着重研究深对流系统对大气化学气体成分再分布的影响。结果表明:数值模拟较真实地再现了这次深对流天气过程中大气污染物的时空分布特征。通过计算,评估了这次对流降水对不同溶解度的大气污染气体的湿清除效率,发现湿清除过程对低溶解度大气污染气体CO、NO 2和O 3的湿清除效率几乎可以忽略不计,而对SO 2、H 2O 2和HNO 3的湿清除效率则分别达到50.8%、98.6%和38.2%。随着溶解度的增大,清除效率并不一定增大,这是因为大气物理和化学过程共同影响着气体污染物的清除效率。