謝祖欣1 韓志偉1 王格慧2

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春季中國(guó)東部氣溶膠化學(xué)組成及其分布的模擬研究

謝祖欣韓志偉王格慧

1中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所中國(guó)科學(xué)院東亞區(qū)域氣候—環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029 2中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所，西安710075

本文利用區(qū)域空氣質(zhì)量模式RAQMS（Regional Air Quality Model System），對(duì)2009年春季中國(guó)東部氣溶膠主要化學(xué)成分及其分布進(jìn)行了模擬研究。與泰山站觀測(cè)資料的對(duì)比結(jié)果顯示，模式能比較合理地反映氣溶膠濃度的逐日變化特征。整體上，模式對(duì)無(wú)機(jī)鹽氣溶膠的模擬好，分別高估和低估黑碳和有機(jī)碳?xì)馊苣z濃度，其原因與排放源、二次有機(jī)氣溶膠化學(xué)機(jī)制和模式分辨率的不確定性有關(guān)。模擬結(jié)果顯示，春季氣溶膠濃度高值主要集中于華北、四川東部、長(zhǎng)江中下游等地區(qū)。受東南亞生物質(zhì)燃燒和大氣輸送的影響，中國(guó)的云南和廣西等地區(qū)有機(jī)碳濃度高于中國(guó)其他地區(qū)。中國(guó)西北部沙塵濃度較高，而且向東輸送并影響到中國(guó)東部和南方部分地區(qū)。中國(guó)東部的華北、四川東部、長(zhǎng)江中下游等地PM（空氣動(dòng)力學(xué)直徑在2.5微米以下的顆粒物）污染嚴(yán)重，4月平均PM濃度超過(guò)了我國(guó)日平均PM濃度限值。中國(guó)東部泰山站的觀測(cè)和模擬結(jié)果都顯示近地面硝酸鹽濃度超過(guò)硫酸鹽, 中國(guó)北部對(duì)流層中硝酸鹽的柱含量也大于硫酸鹽，而在中國(guó)南部則相反，這一方面與春季中國(guó)云量 南多北少的分布特征以及云內(nèi)液相化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，另一方面也與南北溫差對(duì)氣溶膠形成的影響有關(guān)。就整個(gè)中國(guó)東部而言，雖然硫酸鹽的柱含量（46 Gg）仍大于硝酸鹽（42 Gg），但比較接近，反映出我國(guó)氮氧化物排放迅速增加的趨勢(shì)。春季中國(guó)地區(qū)對(duì)流層中PM（空氣動(dòng)力學(xué)直徑在10微米以下的顆粒物）及其化學(xué)成分柱含量分別為：990.8 Gg（PM），52.6 Gg（硫酸鹽），48.2 Gg（硝酸鹽），32.1 Gg（銨鹽），22.9 Gg（黑碳）和74.1 Gg（有機(jī)碳），有機(jī)碳（OC）中一次有機(jī)碳（POC）和二次有機(jī)碳（SOC）分別占60%和40%, 中國(guó)東部PM中人為氣溶膠和沙塵分別占30%和70%, 反映了春季沙塵對(duì)我國(guó)大氣氣溶膠的重要貢獻(xiàn)。

數(shù)值模擬 氣溶膠化學(xué)成分 PM中國(guó)東部

1 引言

氣溶膠在許多大氣化學(xué)過(guò)程中扮演著重要的角色，對(duì)人體健康、大氣環(huán)境及氣候變化等有顯著影響。在對(duì)人體健康的影響方面，目前已有大量流行病學(xué)研究表明大氣氣溶膠可能對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，主要表現(xiàn)在對(duì)心血管疾病，呼吸系統(tǒng)疾病，過(guò)敏癥狀的發(fā)病率和死亡率的影響，以及對(duì)疾病傳播的影響等方面（Harrison，2000；P?schl，2005）。在大氣環(huán)境方面，氣溶膠可以降低能見(jiàn)度，同時(shí)，它也是造成空氣污染的主要原因和主要污染物，尤其是在人類排放較強(qiáng)的大城市、工業(yè)區(qū)、生物質(zhì)燃燒地區(qū)及周邊地區(qū)（Lelieveld et al., 2001）。氣溶膠還可通過(guò)吸收、散射短波和長(zhǎng)波輻射，通過(guò)作為云凝結(jié)核改變?cè)频墓鈱W(xué)性質(zhì)和壽命來(lái)直接或間接地影響輻射收支平衡和氣候系統(tǒng)，在氣候變化中扮演重要的角色（Ramanathan et al., 2001；IPCC 2007；石廣玉等，2008；姜大膀和富元海，2012）。由于經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和能源的大量消耗，近幾十年來(lái)，中國(guó)的氣溶膠排放和大氣中氣溶膠的濃度都很高，造成了一系列環(huán)境問(wèn)題并可能對(duì)區(qū)域季風(fēng)氣候產(chǎn)生重要的影響，因此，氣溶膠問(wèn)題的研究具有重要的科學(xué)意義和社會(huì)價(jià)值，而了解氣溶膠化學(xué)組成的時(shí)空分布和變化特征是氣溶膠環(huán)境和氣候效應(yīng)研究的前提。

大氣氣溶膠模式的建立始于20世紀(jì)70年代，如Chun and Seinfeld（1975）、Peterson and Seinfeld（1977）、Gelbard and Seinfeld（1979）等。早期的氣溶膠模式中物理、化學(xué)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，發(fā)展至今已可以比較合理地反映氣溶膠在大氣中的輸送、擴(kuò)散、沉降和化學(xué)轉(zhuǎn)化等過(guò)程，通過(guò)與大氣化學(xué)模式耦合，在大氣化學(xué)和環(huán)境研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用（顏鵬等，2004）。目前，具有代表性并應(yīng)用較為廣泛的大氣化學(xué)模式有：WRF/CHEM（The Weather Research and Forecasting–Chemistry model）（Grell et al., 2005）、CMAQ（the three-dimensional models-3/ Community Multiscale Air Quality model）（Lee et al., 2007）、CAMx（Comprehensive Air Quality Model with Extensions）（Gaydos et al., 2007）等，用于研究城市和區(qū)域尺度氣溶膠的時(shí)空分布、演變過(guò)程和大氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等。利用網(wǎng)格嵌套，全球模式也可以用于區(qū)域性污染和大陸或區(qū)域之間的化學(xué)物質(zhì)輸送，如GEOS-Chem（the Goddard Earth Observing System?Chemistry）（Bey et al., 2001）。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在模式發(fā)展和模擬研究方面也開(kāi)展了大量工作，如An et al.（2013）利用WRF/Chem模擬研究了HONO新增源和化學(xué)反應(yīng)對(duì)氣溶膠化學(xué)組分以及灰霾形成的影響；Jiang et al.（2008）利用WRF/CHEM研究了臺(tái)風(fēng)影響下香港地區(qū)的光化學(xué)污染演變過(guò)程；張美根和韓志偉（2003）以及 Zhang et al.（2007）利用CMAQ-RAMS（Community Multi-scale Air Quality Modeling System–Regional Atmospheric Modeling System），結(jié)合2001年春季TRACE-P（the NASA Transport and Chemical Evolution over the Pacific）和ACE-Asia（the Aerosol Characterization Experiments–Asia）觀測(cè)資料，對(duì)東亞地區(qū)主要?dú)馊苣z成分進(jìn)行了模擬研究；Wang et al.（2006）利用發(fā)展的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)NAQPMS（Nested Air Quality Prediction Modeling System）研究了中國(guó)東部高臭氧污染事件的產(chǎn)生和演變過(guò)程；Han et al.（2004, 2006, 2007）利用空氣質(zhì)量模式RAQMS研究了東亞地區(qū)沙塵暴、酸沉降、污染物長(zhǎng)距離輸送等環(huán)境問(wèn)題。吳澗和符淙斌（2005）利用區(qū)域氣候模式RegCM3分析了春季東亞地區(qū)黑碳?xì)馊苣z的分布、輸送及其氣候效應(yīng)。盡管當(dāng)前氣溶膠模式能比較合理地反映氣溶膠的輸送和分布，但對(duì)氣溶膠化學(xué)成分和化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的研究仍有不足。

目前中國(guó)氣溶膠的觀測(cè)雖然和以往相比已增加許多，但對(duì)氣溶膠化學(xué)成分的觀測(cè)仍然有限，而且氣溶膠觀測(cè)主要還是集中在城市地區(qū)，區(qū)域的代表性不夠；對(duì)中國(guó)氣溶膠來(lái)源、產(chǎn)生機(jī)制和及其主要化學(xué)成分時(shí)空分布仍需進(jìn)一步研究和認(rèn)識(shí)。本研究利用區(qū)域空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)RAQMS、INTEX-B人為排放清單和泰山站的氣溶膠化學(xué)成分觀測(cè)資料，對(duì)春季中國(guó)東部地區(qū)氣溶膠及其化學(xué)組成進(jìn)行了模擬研究，對(duì)于了解目前我國(guó)氣溶膠化學(xué)成分的時(shí)空分布和演變機(jī)理具有重要的意義。

2 模式系統(tǒng)介紹

區(qū)域空氣質(zhì)量模式RAQMS是建立在地形追隨球坐標(biāo)上的三維歐拉模式（An et al., 2002；Han et al., 2007）。該模式中包含了大氣微量成分在大氣中的物理和化學(xué)過(guò)程，如輸送、擴(kuò)散、干/濕沉降、氣相/液相/非均相化學(xué)、云過(guò)程等。目前，該模式已用于一系列大氣環(huán)境問(wèn)題的研究，如：臭氧和氧化劑、酸沉降、沙塵暴、顆粒物污染等（Han et al., 2004，2006，2008）。模式中，氣相化學(xué)部分采用CB-IV方案（the Carbon Bond Mechanism IV）（Gery, 1989），包含了37種成分，91個(gè)化學(xué)反應(yīng)。硫酸 鹽、硝酸鹽、銨鹽等無(wú)機(jī)鹽氣溶膠的熱力學(xué)平衡過(guò)程的描述采用熱力學(xué)平衡模式ISORROPIA（Nenes et al., 1998）。二次有機(jī)氣溶膠的產(chǎn)生是基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)描述（Odum et al., 1997；Griffin et al., 1999），包含了2種人為源前體物和12種自然源前體物。氣溶膠分為細(xì)粒子（空氣動(dòng)力學(xué)直徑＜2.5 μm）和粗粒子（2.5～10 μm）兩個(gè)粒徑段，可以代表PM（空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑在2.5微米以下的顆粒物）和PM（空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑在10微米以下的顆粒物）。硫酸鹽的核化、凝結(jié)采用的是McMurry and Friedlander（1979）方案。氣—粒質(zhì)量傳輸采用CIT方案（the California/ Carnegie-Mellon Institute of Technology）（Meng et al., 1998）。非均相化學(xué)采用Jacob（2000）提出的參數(shù)化方案，包括了HO、NO、NO和NO在水滴和云滴表面的反應(yīng)。干沉降速率表示為總阻力的倒數(shù)與重力沉降速率之和（Han et al., 2004）。黑碳和有機(jī)碳的干沉積速度采用Uno et al.（2003）的方案，即在陸地和 海洋上分別取為10和10s。次網(wǎng)格云內(nèi)混合、液相化學(xué)轉(zhuǎn)化和濕清除過(guò)程與RADM（Regional Acid Deposition Model）內(nèi)的云微物理子模塊和液相化學(xué)模塊相似（Chang et al., 1987）。模式中人為排放源取自美國(guó)宇航局NASA的INTEX-B（Intercontinental Chemical Transport Experiment- Phase B）排放清單，基準(zhǔn)年是2006年，分辨率為0.5°，主要包括二氧化硫（SO）、氮氧化物（NO）、一氧化碳（CO）、PM、PM、黑碳（BC）、有機(jī)碳（OC）和非甲烷揮發(fā)性有機(jī)物（NMVOC）（Zhang et al., 2009）。氨（NH）的人為排放源來(lái)自于以2000年為基準(zhǔn)的TRACE-P排放清單。生物質(zhì)燃燒源來(lái)自GFEDv2（Global Fire Emission Database version2）（van der Werf et al., 2006），物種包括NO，NMVOC，CO，BC，OC等。植被排放的揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）來(lái)自GEIA排放清單（http://www. geiacenter.org/ [2013-04-19]）。其中，GFEDv2與GEIA為月平均排放數(shù)據(jù)。Zhang et al.（2009）通過(guò)分析能源消耗的變化趨勢(shì)，得到人為源的月變化規(guī)律，本文根據(jù)上述規(guī)律和人為年排放總量得到研究時(shí)段（3、4月）的月排放量。

模式采用1°×1°的NCEP再分析資料為中尺度氣象模式MM5提供初始和邊界條件，再由MM5（the Fifth-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model）計(jì)算的氣象場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)RAQMS。RAQMS模式采用經(jīng)緯度網(wǎng)格，分辨率為0.5°；垂直方向采用?坐標(biāo)，由地表至10 km，分為12層，其中6層在邊界層內(nèi)。模擬區(qū)域?yàn)椋?8°N～53.5°N，90°E～134.5°E）（圖1）涵蓋了中國(guó)大部分地區(qū)及周邊部分區(qū)域。模擬時(shí)間從2009年3月20日00:00（協(xié)調(diào)世界時(shí)）開(kāi)始至2009年4月30日00:00（協(xié)調(diào)世界時(shí)），前12天為初始化階段。為便于分析，將中國(guó)東部定義為（20°N～45°N，105°E～123°E），將中國(guó)東部地區(qū)大致再劃分為南部（20°N～32.5°N， 105°E～123°E）與北部（32.5°N～45°N，105°E～123°E）。

3 觀測(cè)資料

為檢驗(yàn)?zāi)Ｊ浇Y(jié)果，將模式模擬的主要?dú)馊苣z化學(xué)成分的質(zhì)量濃度與位于山東中部的泰山站點(diǎn)（36.27°N，117.10°E，海拔高度1545 m）的觀測(cè)資料（Wang et al., 2011）進(jìn)行了對(duì)比。泰山站是中國(guó)東部重要的郊區(qū)監(jiān)測(cè)站，具有很好的區(qū)域代表性。PM樣本由體積采樣器采得（KC-120H, Qingdao Laoshan Company, China），9階式分段取樣器（Andersen，USA）將粒子按不同粒徑采集。采樣時(shí)間從2009年3月27日持續(xù)至4月29日，日均值由前一日晚18:00（北京時(shí)間）到當(dāng)日晚18:00（北京時(shí)間）的膜采樣樣本分析得到，觀測(cè)氣溶膠化學(xué)成分有硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、黑碳、有機(jī)碳等，其中，3月30日、3月19日缺測(cè)，4月24日BC缺測(cè)。

4 結(jié)果與分析

4.1 排放源

圖2所示為模擬區(qū)域內(nèi)月均排放源的分布。SO（圖2a）、NO（圖2b）、NH（圖2c）三者的空間分布類似，強(qiáng)排放源主要集中分布在華北地區(qū)、四川東部和重慶地區(qū)、長(zhǎng)江中下游地區(qū)以及珠三角地區(qū)，尤其是人為活動(dòng)最為密集的大城市。其中SO排放量最大，在上述地區(qū)排放強(qiáng)度約為2.5mg mh，城市地區(qū)高達(dá)7 mg mh；NO排放量次之，高值區(qū)排放強(qiáng)度約1～2 mg mh，部分地區(qū)高達(dá)7 mg mh；NH排放量在四川東部、重慶地區(qū)、長(zhǎng)江中下游排放量約為1～1.5 mg mh。BC（圖2d）的強(qiáng)排放源主要集中于中國(guó)北部、四川東部及重慶地區(qū)，排放量約為0.1～0.3 mg mh。OC（圖2e）與BC分布相似，強(qiáng)排放源主要集中于華北地區(qū)、重慶地區(qū)、長(zhǎng)江中下游、云南及珠江三角洲等地，排放量約為0.3～0.45 mg mh。NMVOC（圖2f）的排放源高值主要在中國(guó)西南、東部和東北大部分地區(qū)，排放量可高達(dá)8 mg mh。

表1所示為模擬區(qū)域中，四月份中國(guó)地區(qū)主要排放源的月排放總量，分別為：2618 Gg/月（SO）、1777 Gg/月（NO）、763 Gg/月（NH）、174 Gg/月（BC）、388 Gg/月（POC）和2765 Gg/月（NMVOC）。大部分排放源（65%～90%）集中于中國(guó)東部地 區(qū)。其中以SO的月排放總量最大，比NO高出 約50%。BC的月排放總量最小，約為POC排放量的45%。就排放源的南北差異而言，SO、NH和POC在中國(guó)北部和中國(guó)南部的月排放總量相當(dāng)；NO和BC在中國(guó)北部的含量比中國(guó)南部略高；而NMVOC在中國(guó)南部的月排放總量比在中國(guó)北部高出約30%。

表1 四月中國(guó)地區(qū)主要大氣成分月排放總量（單位：Gg/月）

4.2 模式結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

模式模擬結(jié)果與觀測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比。圖3給出的是2009年4月1日至4月26日在泰山站模擬和觀測(cè)的PM中主要?dú)馊苣z化學(xué)成分日均濃度隨時(shí)間變化。人為氣溶膠濃度為硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、黑碳和有機(jī)碳濃度之和。從圖3可以看出，模式能合理地反映氣溶膠濃度的逐日變化趨勢(shì)?？傮w上，模式對(duì)無(wú)機(jī)鹽（硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽）的模擬較好，與觀測(cè)值很接近。模擬的BC濃度值比觀測(cè)偏高約30%，其原因一方面可能與排放源的不確定有關(guān)，另一方面模式網(wǎng)格分辨率相對(duì)較粗，對(duì)于局地排放源、地形和下墊面以及中小尺度輸送和擴(kuò)散過(guò)程的代表性不夠，這都會(huì)使模擬產(chǎn)生偏差。有機(jī)碳模擬值比觀測(cè)偏低約50%，這可能與模式中SOA（二次有機(jī)氣溶膠）化學(xué)機(jī)制不盡合理有關(guān)，目前大氣化學(xué)模式通常都會(huì)低估有機(jī)碳濃度，因?yàn)橐恍撛谥匾腟OA前體物及其化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和參數(shù)仍不清楚，SOA是目前大氣化學(xué)研究中的難點(diǎn)。值得注意的是，在4月24日，泰山站OC濃度的觀測(cè)值驟升至39.7，而模擬值只有小的增加，遠(yuǎn)低于觀測(cè)值。由于這天伴隨著一次明顯的沙塵過(guò)程，因此OC濃度的升高可能與北邊排放的OC南傳以及輸送過(guò)程中SOA的化學(xué)產(chǎn)生有關(guān)；Wang et al.（2012）指出，通常情況下，泰山站的OC主要源于局地排放，以細(xì)粒子居多。而沙塵期間，OC主要是粗粒子，POC所占比重較高。模擬結(jié)果的偏差可能與OC一次排放源以及沙塵期間SOA產(chǎn)生機(jī)制（如氣—粒轉(zhuǎn)化）的不確定有關(guān)，需要今后進(jìn)一步研究。另外，4月11至13日，氣溶膠濃度有積累增加的趨勢(shì)，這主要受天氣形勢(shì)的影響，將在后面詳述。表2給出的是4月1日至4月26日觀測(cè)和模擬的PM中氣溶膠主要化學(xué)成分的平均濃度。模式模擬和觀測(cè)的人為氣溶膠濃度分別為54.1mg m和62.0mg m，日均值 相關(guān)系數(shù)約為0.7, 說(shuō)明模式可以比較準(zhǔn)確地反映中國(guó)東部人為氣溶膠的日變化規(guī)律和區(qū)域平均值。

表2 4月1～26日泰山氣溶膠平均濃度觀測(cè)值與模擬值比較（單位：μg m?3）

4.3 氣溶膠濃度分布

4.3.1 近地面PM主要化學(xué)成分和PM濃度

圖4a至圖4f顯示的是PM中化學(xué)組分的濃度及其空間分布。圖4a至圖4c分別給出了PM中硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽的近地面濃度分布。可以看到，無(wú)機(jī)鹽氣溶膠中，與硫酸鹽相比，硝酸鹽濃度空間分布更均勻，但城市附近硫酸鹽濃度大于硝酸鹽，銨鹽濃度相對(duì)較低。硫酸鹽在華北、四川東部和重慶地區(qū)、長(zhǎng)江中下游地區(qū)濃度值在15～25 μg m左右，城市附近能達(dá)到60 μg m。硝酸鹽的濃度高值區(qū)主要在華北和長(zhǎng)江中下游地區(qū)，濃度約為25～40 μg m，四川東部、重慶地區(qū)和珠江三角洲次之，濃度約為15～25 μg m。銨鹽的分布與硫酸鹽、硝酸鹽相似，而濃度相對(duì)較低，在上述地區(qū)約為15～20 μg m。圖4d至圖4f分別給出了BC、POC和SOC的近地面濃度分布。BC在華北、四川東部和重慶地區(qū)濃度高，最大可達(dá)10 μg m。POC濃度的高值區(qū)主要位于華北地區(qū)、四川東部和重慶地區(qū)、云南南部及廣西西南部，濃度約為15～20 μg m。 特別是云南南部，受東南亞生物質(zhì)燃燒源和輸送的影響，POC濃度可高達(dá)50 μg m。SOC濃度低于POC，其高值區(qū)主要在中國(guó)東部的黃河以南地區(qū)和中國(guó)南部，其中云南南部濃度最高，可達(dá)10～15 μg m，其次是長(zhǎng)江中游和中國(guó)東南部部分地區(qū)，濃度約為2～3 μg m。

由于PM對(duì)于空氣質(zhì)量、能見(jiàn)度和人體健康影響的重要性，圖4g至圖4i給出了近地面PM、PM中沙塵濃度和PM中人為氣溶膠濃度的分布圖?？梢钥吹剑袊?guó)東部PM質(zhì)量濃度主要是人為氣溶膠的貢獻(xiàn)，而中西部主要受沙塵影響。人為PM高值主要分布于華北、四川東部、長(zhǎng)江中下游及珠三角地區(qū)，濃度值約為50～100 μg m。沙塵濃度在中國(guó)西北部的戈壁、沙漠地區(qū)約為40～60 μg m。春季，中國(guó)東部大部分地區(qū)PM濃度（圖4g）高于30 μg m，在華北、四川東部、長(zhǎng)江中下游等地高于80 μg m。根據(jù)環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局于2012年聯(lián)合發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012），我國(guó)二類區(qū)（居住區(qū)、工業(yè)區(qū)和農(nóng)村地區(qū)等）年平均和日平均PM濃度限值分別為35 μg m和75 μg m。圖4g顯示中國(guó)華北、四川東部和長(zhǎng)江中下游等地區(qū)PM污染較為嚴(yán)重，4月平均PM濃度都超過(guò)了日平均濃度限值。

泰山站（圖3）的對(duì)比顯示4月11日至4月13日泰山地區(qū)氣溶膠濃度明顯增加，其中4月13日觀測(cè)的PM的日均濃度超過(guò)150 μg m。圖5給出了4月11日、12日08時(shí)（北京時(shí)間）的近地面天氣圖，從圖中可以看到，4月12日（圖5b）泰山附近受高壓控制，天氣形勢(shì)穩(wěn)定，風(fēng)速小，導(dǎo)致湍流擴(kuò)散弱，有利于污染物的累積。圖6給出了4月11日和12日08時(shí)（北京時(shí)間）近地面硫酸鹽氣溶膠的濃度分布。從圖中可以看到，4月11日泰山附近硫酸鹽濃度較小。4月12日泰山地區(qū)風(fēng)速明顯減小，而硫酸鹽氣溶膠濃度增加。這是一次在靜穩(wěn)天氣條件下，污染物堆積造成的污染事件。

4.3.2 氣溶膠柱濃度分布和區(qū)域含量

圖7所示為春季中國(guó)地區(qū)PM中氣溶膠主要化學(xué)成分在對(duì)流層的柱濃度分布。圖8為模擬期間 850 hPa的平均風(fēng)場(chǎng)，主要特征為35°N以北的西北氣流和30°N以南的西南氣流，以及中國(guó)東部30°N～35°N附近的輻合帶和小風(fēng)區(qū)。在此環(huán)流形勢(shì)的影響下，中國(guó)北方的沙塵和人為污染物向南輸送，而東南亞地區(qū)生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的污染物向中國(guó)南部和東部輸送，來(lái)自于中國(guó)北方和東南亞的污染物在長(zhǎng)江流域上空輻合并繼續(xù)向西太平洋輸送。大氣環(huán)流形勢(shì)的差異導(dǎo)致了地面與高空氣溶膠濃度分布形式有所不同。圖7a至圖7c所示分別為硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽的柱濃度。硫酸鹽高值區(qū)（25～30 mg m）主要在四川東部、重慶、黃河下游和長(zhǎng)江中下游地區(qū)，重慶及其附近地區(qū)最大值超過(guò)35 mg m。硝酸鹽在中國(guó)東部的長(zhǎng)江以北地區(qū)濃度較高，約30～35 mg m。銨鹽的分布與硫酸鹽、硝酸鹽相似，但濃度相對(duì)較低，在上述地區(qū)濃度約為15～25 mg m。圖7d至圖7f所示分別為BC、POC和SOC的柱濃度分布。BC在四川東部到長(zhǎng)江中游一帶以及華北部分地區(qū)柱濃度較高，約為9～15 mg m，重慶地區(qū)高達(dá)20 mg m。OC在中國(guó)南部的柱濃度明顯高于北部，尤其是云南和廣西西南部，受東南亞生物質(zhì)燃燒源和西南氣流輸送的影響，POC的柱濃度約為20～40 mg m，而SOC在這一地區(qū)的柱濃度約為15～30 mg m，POC在四川地區(qū)的柱濃度也較高，最大可達(dá)30 mg m。中國(guó)長(zhǎng)江以南SOC的柱濃度在7～20 mg m, 明顯高于北方（約7 mg m）, 這一方面是受東南亞生物質(zhì)燃燒的影響，另一方面春季南方植被排放VOC更強(qiáng)，產(chǎn)生的SOC更多。本文就模擬的氣溶膠柱濃度與他人文獻(xiàn)中東亞地區(qū)柱濃度的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。而由于模式機(jī)制不同、所采用的排放源不同，模擬時(shí)段不同等因素，不同模式間的模擬結(jié)果會(huì)存在一定差異。圖7a中的硫酸鹽柱濃度、圖7e、f中的POC和SOC柱濃度與張美根和韓志偉（2003）、Zhang（2004）中模擬的柱濃度在分布上基本一致，但絕對(duì)值要高一些。

表3給出了研究區(qū)域內(nèi)，中國(guó)不同區(qū)域（圖1）對(duì)流層中主要?dú)馊苣z化學(xué)成分的含量。春季中國(guó)地區(qū)PM含量為991 Gg，其中人為氣溶膠和沙塵的含量分別為221 Gg和769 Gg, 人為氣溶膠約占PM含量的22%，反映了春季沙塵對(duì)PM的重要貢獻(xiàn)。其中中國(guó)東部人為PM含量為185 Gg, 約占PM的30%, 而中國(guó)南部人為PM含量（106 Gg）明顯大于北部（79 Gg），約占總PM的40%。在人為氣溶膠中OC含量最高，中國(guó)地區(qū)為74 Gg，其中POC和SOC分別占60%和40%, 中國(guó)南部POC和SOC含量明顯大于北部，這主要是東南亞生物質(zhì)燃燒排放和輸送的影響。中國(guó)地區(qū)黑碳的含量為23 Gg, 約為OC含量的1/3，中國(guó)南部黑碳的含量約為北部的兩倍。研究發(fā)現(xiàn)春季東南亞排放源（主要是生物質(zhì)燃燒源）對(duì)中國(guó)東部碳?xì)馊苣z濃度有重要的影響，對(duì)黑碳和有機(jī)碳的貢獻(xiàn)分別可達(dá)30%和50%，其對(duì)中國(guó)南部的影響明顯大于中國(guó)北部。中國(guó)地區(qū)硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽的含量分別為53 Gg、48 Gg和32 Gg，其中約90%集中于中國(guó)東部地區(qū)，無(wú)機(jī)氣溶膠在中國(guó)南部（59 Gg）和北部（57 Gg）的含量是相當(dāng)?shù)模浑m然在近地面泰山站觀測(cè)和模擬都顯示硝酸鹽濃度已超過(guò)硫酸鹽，但整個(gè)對(duì)流層，中國(guó)地區(qū)和中國(guó)東部硫酸鹽含量（53 Gg，46 Gg）仍大于硝酸鹽（48 Gg，42 Gg），這是因?yàn)樵诟呖眨薙O的氣相轉(zhuǎn)化反應(yīng)，硫酸鹽還可通過(guò)云內(nèi)液相化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，從而增加整層硫酸鹽的濃度。值得注意的是在中國(guó)北部硝酸鹽含量（22 Gg）接近甚至超過(guò)硫酸鹽（21 Gg），與泰山站的對(duì)比結(jié)果一致，但在中國(guó)南部，硫酸鹽含量（25 Gg）明顯大于硝酸鹽（20 Gg），這與春季中國(guó)云量南多北少的分布特征（吳蓬萍和韓志偉，2011）以及上述硫酸鹽云內(nèi)液相反應(yīng)有關(guān)，此外，中國(guó)南部氣溫高于北部，可能不利于顆粒態(tài)硝酸鹽的形成。值得注意的是，不同于泰山站的觀測(cè)結(jié)果，我國(guó)仍有許多城市和地區(qū)地面觀測(cè)的硫酸鹽濃度仍大于硝酸鹽，這與局地能源結(jié)構(gòu)、氣象和環(huán)境條件有關(guān)，但和本研究得到的中國(guó)東部對(duì)流層中硫酸鹽柱含量仍大于硝酸鹽的結(jié)果是一致的。

圖6 模式模擬的2009年（a）4月11日、（b）4月12日08:00（北京時(shí)間）近地面硫酸鹽濃度（mg m?3）分布（三角所示為泰山位置；箭頭代表風(fēng)矢量）

圖7 模式模擬的PM10中氣溶膠主要化學(xué)成分的柱濃度（mg m?2）：（a）硫酸鹽；（b）硝酸鹽；（c）銨鹽；（d）BC；（e）POC；（f）SOC

表3 春季中國(guó)地區(qū)對(duì)流層中PM10及其主要化學(xué)成分的含量（單位：Gg）

5 結(jié)論

本文利用區(qū)域空氣質(zhì)量模式RAQMS對(duì)春季中國(guó)東部氣溶膠化學(xué)組成及其分布和演變特征進(jìn)行了模擬研究，主要結(jié)論如下：

（1）與泰山的觀測(cè)結(jié)果比對(duì)顯示，模式模擬和觀測(cè)的PM中人為氣溶膠濃度分別為54.1 μg m和62.4 μg m，日均值相關(guān)系數(shù)為0.7，說(shuō)明模式能較好地反映中國(guó)東部人為氣溶膠的區(qū)域平均值和日變化規(guī)律。

（2）在近地面，春季氣溶膠濃度高值主要集中于華北、四川東部、長(zhǎng)江中下游等地區(qū)。受東南亞生物質(zhì)燃燒和輸送的影響, 云南和廣西南部有機(jī)碳濃度高。中國(guó)華北、四川東部和長(zhǎng)江中下游等地區(qū)PM污染較為嚴(yán)重，4月平均PM濃度都超過(guò)了日平均濃度限值。

（3）中國(guó)北部對(duì)流層內(nèi)硝酸鹽柱含量超過(guò)硫酸鹽，與泰山站觀測(cè)和模擬結(jié)果一致，而中國(guó)南部硫酸鹽含量高于硝酸鹽。雖然中國(guó)東部硫酸鹽含量（46 Gg）仍大于硝酸鹽（42 Gg），但二者比較接近，反映了中國(guó)東部氮氧化物排放的迅速增加。

（4）中國(guó)地區(qū)PM及其化學(xué)成分的對(duì)流層柱含量分別為：990.8（PM），52.6 Gg（硫酸鹽），48.2 Gg（硝酸鹽），32.1 Gg（銨鹽），22.9 Gg（BC）和74.1 Gg（OC）（其中POC和SOC各占60%和40%）。2009年春季中國(guó)東部PM中人為和沙塵氣溶膠分別占30%和70%，反映了沙塵的重要貢獻(xiàn)。

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Model Study on the Distribution and Evolution of Major Aerosol Components in Eastern China in the Spring

XIE Zuxin, HAN Zhiwei, and WANG Gehui

1,,,100029 2,,710075

A regional air quality model system (RAQMS) was applied to investigate the distribution of major aerosol chemical components in eastern China in spring 2009. The comparison of model results with observations at Taishan station indicates that the model system is able to represent the day-to-day variation of aerosol concentrations reasonably well. In general, the model simulates concentrations of inorganic aerosols well, but it tends to overpredict and underpredict black carbon and organic carbon aerosol concentrations, respectively, mainly due to the uncertainties in emission inventory, the chemical mechanism of secondary organic aerosol formation, and the model resolution. The model results show that near the surface, high aerosol concentrations mainly occurred in the Huabei Plain, the east of Sichuan Province, in the middle and lower reaches of the Yangtze River. The organic carbon aerosol concentrations in the southern parts of Yunnan and Guangxi provinces were larger than those in other regions of China, due to the transport effect of biomass burning emissions from Southeast Asia. Soil dust was rich in northwestern China and can be transported toward eastern China and portions of southern China. The PM(the particulate matter with aerodynamic diameter smaller than 2.5 micrometers) levels in the Huabei Plain, east of the Sichuan Province and the middle and lower reaches of the Yangtze River, were seriously high, exceeding the daily mean PMlimit of the national standard. Both observations and model simulations showed that nitrate exceeded sulfate concentrations at Taishan station. The regional burden of nitrate within the troposphere in northern China was close to or in excess of that of sulfate, whereas in southern China, the opposite was the case; this was associated with the distribution of clouds in spring (there are more clouds in southern China at that time than that in northern China) and the relevant aqueous chemical mechanisms, as well as the different temperature effects on aerosol formation. For eastern China, although the burden of sulfate (46 Gg) still exceeded that of nitrate (42 Gg), they became very close, reflecting the rapid increase in emissions of nitrogen oxides in China. During the study period, the regional burden of PM(the particulate matter with aerodynamic diameter smaller than 10 micrometers)was 990.8 Gg, and the major chemical components of PMwere 52.6 Gg (sulfate), 48.2 Gg (nitrite), 32.1 Gg (ammonium), 22.9 Gg (black carbon), and 74.1 Gg (organic carbon). Primary organic carbon (POC) and secondary organic carbon (SOC) accounted for 60% and 40% of the total organic carbon (OC) burden, respectively. In eastern China, anthropogenic aerosols and dust aerosols accounted for 30% and 70% of the total PMburden, respectively, indicating the important contribution of dust to airborne aerosol mass in China in the spring.

Numerical simulation, Aerosol components, PM, Eastern China

1006?9895(2014)03?0399?11

P402

A

10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13111

2013–01–14，

2013–08–22收修定稿

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目41075106

謝祖欣，女，1987年出生，博士研究生，主要從事氣溶膠數(shù)值模擬研究。E-mail: xiezx@tea.ac.cn

韓志偉，E-mail: hzw@mail.iap.ac.cn

謝祖欣, 韓志偉, 王格慧. 2014. 春季中國(guó)東部氣溶膠化學(xué)組成及其分布的模擬研究[J]. 大氣科學(xué), 38 (3): 399–409, doi:10.3878/j.issn.1006-9895. 2013.13111. Xie Zuxin, Han Zhiwei, Wang Gehui. 2014. Model study on the distribution and evolution of major aerosol components in eastern China in the spring [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (3): 399–409.