大气新粒子生成事件在全球不同区域广泛发生，且贡献全球颗粒物数量的一半以上，新生成的颗粒物通过后续生长过程对霾污染、成云降雨等过程均有潜在影响。城市大气较高的背景颗粒物浓度对新生成的粒子具有较强的去除作用，因此，一方面城市大气新粒子生成事件往往由能够快速生成稳定酸碱团簇的硫酸-有机胺成核机制主导，另一方面新粒子生成速率与背景颗粒物去除作用具有显著的负相关性。然而，在以往的三维模式研究中，对硫酸-二甲胺成核速率的模拟往往忽略了背景颗粒物的去除作用和环境温度等因素带来的影响。本研究基于团簇动力学方程和量子化学计算定量了环境温度和背景颗粒物的去除作用的影响，建立了全新的硫酸-二甲胺成核速率参数化方案，并将其应用在三维化学传输模式中实现了对北京大气成核速率及颗粒物粒径分布更准确的模拟。
与以往的硫酸-有机胺成核速率参数化方案不同，本研究除了将硫酸、二甲胺的浓度作为参数化方案的自变量外，也将冷凝汇、温度两个参数定量地加入到了新方案中，分别用于表征背景颗粒物去除作用和团簇稳定性对于成核速率的影响。引入这两个参数后，新参数化方案模拟的成核速率与冷凝汇和温度均呈现显著负相关关系，这与以往研究在北京大气观测中的发现一致。（图1）
图1.新参数化方案中新粒子生成速率与冷凝汇和温度的关系
研究结合已报道的观测数据和ABaCAS-EI清单建立了中国二甲胺排放清单，并考虑了二甲胺在大气中由湿沉降、气相氧化反应和颗粒物摄取等损耗途径，在三维化学传输模式中建立了二甲胺的大气源汇模型，且模拟北京冬季二甲胺浓度与观测结果基本一致。本研究将二甲胺源汇模拟与新的参数化方案共同应用到三维化学传输模式中后，定量评估了新方案对北京大气观测成核速率的模拟效果，以及其与传统方案的对比。结果表明，加入新参数化方案后的模拟结果能够有效地重现大气观测中发现的新粒子生成现象，然而基于传统方案的模拟显著低估了成核速率，导致在同期模拟结果中并没有发现新粒子生成现象（图2）。此外，传统方案模拟的成核速率较高的时段恰好对应观测中的非新粒子生成时段，这种差异来源于传统方案忽视了背景气溶胶去除作用对于城市大气成核速率的显著抑制效果。
图2.基于传统和新参数化方案模拟的颗粒物粒径分布演化以及与观测结果的对比
该研究成果以“硫酸二甲胺成核的动力学参数化方案及其在三维模式中的应用”（A dynamic parameterization of sulfuric acid-dimethylamine nucleation and its application in three-dimensional modeling）为题在线发表在《大气化学与物理》（Atmospheric Chemistry and Physics）上。
论文共同第一作者为清华大学环境学院2019级博士研究生李雨阳与2021级博士研究生申杰文，论文共同通讯作者为清华大学环境学院赵斌助理教授与蒋靖坤教授，清华大学王书肖教授提供了关键性指导，赫尔辛基大学蔡润龙博士、马库·库马拉（Markku Kulmala）教授，清华大学高达博士，中国海洋大学高阳教授，美国太平洋西北国家实验室曼尼施库马·什里瓦斯塔瓦（Manishkumar Shrivastava）教授，南京信息工程大学郑军教授为参数化方案建立、模式模拟等工作提供了重要指导和帮助。研究得到国家自然科学基金委员会、腾讯基金会等的资助。
论文链接：
https://acp.copernicus.org/articles/23/8789/2023
供稿：环境学院
题图设计：梁晨
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年08月31日 13:54:58
