北京山地森林站非持續(xù)生長(zhǎng)型新粒子生成事件的數(shù)值模擬研究?

楚 明, 海尚飛, 高 陽(yáng),2??, 孫業(yè)樂(lè), 姚小紅,2, 王俊濤, 沈艷潔

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100;2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237;3. 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029)

新粒子生成(New particle formation, NPF)是指過(guò)飽和氣態(tài)前體物在大氣中形成1 nm左右分子簇,伴隨著氣體冷凝與顆粒碰并實(shí)現(xiàn)粒子后續(xù)生長(zhǎng)的過(guò)程[1-3]。大氣氣溶膠通過(guò)影響人體健康與全球氣候?qū)θ祟?lèi)生活產(chǎn)生影響,而NPF事件是環(huán)境中氣溶膠的重要來(lái)源。新粒子生成會(huì)急劇增加大氣中超細(xì)顆粒物數(shù)濃度,且其對(duì)于全球顆粒物數(shù)濃度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)超一次排放[4]。因此,NPF事件所產(chǎn)生的高數(shù)濃度細(xì)顆粒物不僅會(huì)降低大氣能見(jiàn)度,更可直接深入呼吸道與肺部對(duì)人體臟器造成不可逆損傷,引發(fā)呼吸道感染、肺癌及其他一系列心血管疾病[5-6]。此外,新粒子主要通過(guò)被活化為云凝結(jié)核(Cloud condensation nuclei, CCN),借助云物理過(guò)程(改變?cè)品凑章始霸频螖?shù)濃度)影響成云、降水及區(qū)域水循環(huán)進(jìn)而對(duì)氣候產(chǎn)生間接效應(yīng)[7-8]。

自1897年新粒子生成現(xiàn)象被首次發(fā)現(xiàn)并報(bào)道以來(lái)[9],此后的研究表明:NPF事件在全球范圍內(nèi)低海拔觀測(cè)站被頻繁發(fā)現(xiàn)與報(bào)道[8, 10-12]?？紤]到NPF事件的氣候效應(yīng),前人多將持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件作為研究重點(diǎn)[11, 13-14]。Yao等[15]在2010年首次提出受不利環(huán)境因素的影響,新粒子可呈現(xiàn)出非持續(xù)生長(zhǎng)的形態(tài),即新粒子粒徑增長(zhǎng)至20～50 nm后停止生長(zhǎng)。此后,此類(lèi)非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件在清潔郊區(qū)及山地環(huán)境中被陸續(xù)觀測(cè)和報(bào)道[16-19]。然而,非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件中新粒子生長(zhǎng)粒徑雖未達(dá)到被活化為CCN的水平,但這些新粒子增長(zhǎng)瓶頸限制了我們對(duì)新粒子如何影響氣候的理解。目前,此類(lèi)NPF事件中新粒子增長(zhǎng)瓶頸對(duì)應(yīng)的物理化學(xué)機(jī)制尚未明確。

北京作為亞洲大都市的代表,其相關(guān)外場(chǎng)觀測(cè)顯示:得益于硫酸、氨、有機(jī)蒸氣等大量化學(xué)前體物的存在以及干燥的天氣條件,NPF事件頻發(fā)[20-22]。全球的觀測(cè)以及模擬研究表明,對(duì)流層上部的新粒子生成貢獻(xiàn)了對(duì)流層下部CCN的40%～60%[4, 23],從而影響全球的輻射預(yù)算與氣候變化。因此,垂向高度上NPF事件的研究獲得越來(lái)越多地關(guān)注。山地地區(qū)作為得天獨(dú)厚的高海拔觀測(cè)平臺(tái),是進(jìn)行高海拔NPF事件野外觀測(cè)的最佳選擇之一。然而,受限于地形、環(huán)境等客觀條件,高海拔NPF事件的觀測(cè)與研究在目前NPF事件的研究中所占比例較小。在國(guó)內(nèi),山地地區(qū)NPF事件的研究多集中于泰山與黃山[24-26]。結(jié)合高海拔NPF事件的研究現(xiàn)狀以及前人對(duì)于非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件觀測(cè)點(diǎn)的選擇[16,18-19],本研究在大都市代表——北京城區(qū)邊緣的清潔地區(qū)開(kāi)展山地NPF事件的野外觀測(cè)活動(dòng)。

本研究以觀測(cè)期間發(fā)生在6月29日與7月6日的非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件為個(gè)例,結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)與WRF-Chem模式模擬從成核與生長(zhǎng)、氣團(tuán)后向軌跡、水平與垂直傳輸?shù)确矫鎸?duì)此類(lèi)NPF事件成因與特點(diǎn)進(jìn)行探究,重點(diǎn)分析新粒子生成事件呈現(xiàn)出非持續(xù)增長(zhǎng)的原因。

1 數(shù)據(jù)與模式

1.1 采樣點(diǎn)與儀器

2019年6月14日至7月14日在中國(guó)科學(xué)院北京森林生態(tài)系統(tǒng)定位站(39.96°N, 115.43°E, 1 170 m a.s.l., 以下簡(jiǎn)稱(chēng)北京山地森林站)進(jìn)行NPF事件的野外觀測(cè)。此森林站所處山地隸屬于燕山山脈,海拔1 170 m,距離北京城區(qū)約114 km,具體位置如圖1所示。北京山地森林站植被以暖溫帶次生落葉闊葉林、人工針葉林、灌木為主。

觀測(cè)期間所使用的儀器:快速遷移率粒徑譜儀(Fast mobility particle sizer, FMPS,TSI Model 3091)、凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器(Condensation particle counter, CPC, TSI Model 3775)。其中,FMPS分為32個(gè)粒徑通道,可測(cè)5.6～560 nm粒徑范圍內(nèi)大氣顆粒物數(shù)濃度,時(shí)間分辨率為1 s; CPC可測(cè)4 nm～3 μm粒徑范圍內(nèi)大氣顆粒物數(shù)濃度,時(shí)間分辨率為2 s。鑒于高時(shí)間分辨率的FMPS對(duì)顆粒的粒徑與數(shù)濃度存在一定程度的低估,故采用Zimmerman等[27]提出的方法對(duì)FMPS數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正后使用。

1.2 模式介紹與成核機(jī)制

本研究采用氣象與化學(xué)模塊在線(xiàn)耦合的WRF-Chem v3.9 (Weather research and forecast coupled with chemistry regional model)模式對(duì)北京山地森林站NPF事件進(jìn)行模擬。本研究中模式設(shè)置參數(shù)方案如表1所示。考慮到MEIC_2019暫不可用,基于2016—2019年MEIC中化學(xué)物質(zhì)總量的線(xiàn)性下降趨勢(shì),本文利用還原因子((MEIC_2016MEIC_2017) MEIC_2016)對(duì)MEIC_2016進(jìn)行線(xiàn)性還原,得到模型中使用的近似MEIC_2019,即表1中的Modified MEIC_2016。

表1 WRF-Chem模式中參數(shù)化方案設(shè)置

該WRF-Chem模式[34-35]內(nèi)置5種成核機(jī)制,其中2種為均相成核機(jī)制:H2SO4-H2O二元成核機(jī)制、H2SO4-NH3-H2O三元成核機(jī)制;3種為經(jīng)驗(yàn)成核機(jī)制:經(jīng)驗(yàn)性有機(jī)成核機(jī)制、經(jīng)驗(yàn)性活化成核機(jī)制及經(jīng)驗(yàn)性動(dòng)力學(xué)成核機(jī)制。

一系列實(shí)驗(yàn)研究證明,硫酸蒸氣和有機(jī)蒸氣可以共同驅(qū)動(dòng)成核[36-37],單萜類(lèi)生物源有機(jī)化合物對(duì)成核也有很大貢獻(xiàn)[38-39]。此外,Yu等[40]和Bianchi等[41]的研究分別從GEOS-Chem模型模擬結(jié)果和觀測(cè)的角度,證實(shí)了有機(jī)組分參與了高海拔新粒子事件的成核過(guò)程。綜合前人的研究和北京山地森林站的多元化環(huán)境背景特點(diǎn),我們選取了WRF-Chem中的經(jīng)驗(yàn)性有機(jī)成核機(jī)制對(duì)北京山地森林站NPF事件進(jìn)行模擬:

J=KORG[H2SO4][NucORG]。

(1)

式中:J為1 nm活化分子簇的生成速率(cm-3·s-1);KORG為經(jīng)驗(yàn)成核系數(shù)(cm3·s-1);[H2SO4]和[NucORG]分別為參與成核的氣態(tài)硫酸數(shù)濃度(cm-3)及參與成核的低、半揮發(fā)性有機(jī)化合物數(shù)濃度(cm-3)。

2 結(jié)果與討論

2.1 模式結(jié)果評(píng)估

前人研究表明,經(jīng)驗(yàn)成核系數(shù)在不同區(qū)域存在數(shù)量級(jí)的變化差異[42-44],且目前觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)室模擬未提供北京地區(qū)有效的有機(jī)經(jīng)驗(yàn)成核系數(shù)參考?；谀Ｊ綄?duì)觀測(cè)結(jié)果的重現(xiàn)是模擬難點(diǎn)之一,目前比較理想的方法之一是將模式結(jié)果與觀測(cè)相比較,調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)使模擬結(jié)果不斷接近觀測(cè)。因此,在本研究中我們通過(guò)將模式默認(rèn)的KORG(1.00×10-15)進(jìn)行調(diào)節(jié)以探索合適的有機(jī)經(jīng)驗(yàn)成核系數(shù)。鑒于調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)成核系數(shù)KORG對(duì)新粒子生成過(guò)程中的核模態(tài)顆粒具有明顯的影響,因此重點(diǎn)關(guān)注不同KORG方案下的小粒徑顆粒(10～40 nm)數(shù)濃度與觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列變化差異。通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)成核系數(shù)的敏感性測(cè)試發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖2(a)—(b)):模式默認(rèn)KORG對(duì)小粒徑顆粒數(shù)濃度存在明顯高估,隨著KORG的縮小,模式對(duì)10～40 nm小粒徑數(shù)濃度的高估有明顯的減弱。當(dāng)選取KORG= 6.210-18時(shí),10～40 nm的小粒徑顆粒數(shù)濃度總和(CN40)的綜合模擬效果較好,因此我們選擇了KORG= 6.210-18的成核系數(shù)方案(將KORG縮小160倍)并將其應(yīng)用到模擬中。模型模擬結(jié)果顯示,當(dāng)KORG= 6.210-18時(shí),模式可以更好地捕捉到新粒子生成日當(dāng)天(6月29日與7月6日)的NPF事件,并且合理地重現(xiàn)不同生長(zhǎng)形態(tài)的NPF事件。

(obs為觀測(cè)數(shù)據(jù),Base為模式默認(rèn)原始成核系數(shù)K下的情景,NNR-80、NNR-100、NNR-120、NNR-160分別代表將原始成核系數(shù)K分別除以80、100、120、160下的情景。Obs is the observation data, Base is the scenario under the mode default original nucleation coefficient K, and NNR-80, NNR-100, NNR-120 and NNR-160 represent the scenario where the original nucleation coefficient K is divided by 80, 100, 120 and 160, respectively.)

本文進(jìn)一步使用統(tǒng)計(jì)參數(shù)平均分?jǐn)?shù)偏差(MFB)、平均分?jǐn)?shù)誤差(MFE)與相關(guān)系數(shù)(R)對(duì)確定成核系數(shù)后模式中小粒徑顆粒(10～40 nm)數(shù)濃度的模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。具體公式如下:

(2)

(3)

(4)

其中:Obs為觀測(cè)數(shù)據(jù);Model為模擬結(jié)果;N為樣本數(shù)量。

(紅色實(shí)心點(diǎn)表示觀測(cè),藍(lán)色實(shí)線(xiàn)表示模擬結(jié)果。Red dots denote observation and blue lines denote simulation.)

2.2 新粒子生成日顆粒數(shù)濃度與化學(xué)成分分析

在6月14日至7月14日觀測(cè)期間北京山地森林站總計(jì)發(fā)生7次NPF事件,依據(jù)新粒子的生長(zhǎng)形態(tài)可分為兩類(lèi)——持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件(總計(jì)4次,新粒子總體呈現(xiàn)出香蕉型生長(zhǎng)形態(tài))和非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件(總計(jì)3次,新粒子呈現(xiàn)出收縮型、團(tuán)塊型生長(zhǎng)形態(tài))。本文借助模擬結(jié)果對(duì)6月29日與7月6日兩次非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件進(jìn)行個(gè)例分析。如圖4(a)所示,模式可以捕捉到6月29日的收縮型NPF事件。對(duì)比模擬(見(jiàn)圖4(a))和觀測(cè)(見(jiàn)圖4(b))的顆粒粒徑數(shù)濃度時(shí)間序列圖發(fā)現(xiàn),模式可以基本重現(xiàn)6月29日NPF事件的生長(zhǎng)形狀。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件的成核與生長(zhǎng)特征。圖4(c)展示了整個(gè)NPF事件過(guò)程中有機(jī)蒸氣(被氧化的生物源有機(jī)蒸氣Biog, 被氧化的人為源二次有機(jī)蒸氣Ant)與硫酸蒸氣的動(dòng)態(tài)變化,整體上有機(jī)蒸氣的濃度高于硫酸蒸氣,意味著北京山地森林站環(huán)境中有機(jī)蒸氣是充足的。有機(jī)蒸氣濃度與硫酸蒸氣濃度分別從凌晨6時(shí)、5時(shí)開(kāi)始呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì),以Biog和H2SO4的濃度增加尤其明顯,分別在11時(shí)(約8 ppt)與13時(shí)(約4 ppt)達(dá)到濃度峰值。NPF事件在10～11時(shí)左右開(kāi)始,在此之前有機(jī)蒸氣與硫酸蒸氣二者濃度的明顯增加為新粒子成核提供了有利的化學(xué)條件。硝酸蒸氣濃度在整個(gè)NPF日幾乎為0,氨氣在16～21時(shí)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)(見(jiàn)圖4(d))。22時(shí)后氨氣濃度快速下降,此階段銨鹽的濃度有輕微上升(見(jiàn)圖4(f)),暗示了氨氣在夜間比較活躍:在夜間由氣態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化,促進(jìn)顆粒增長(zhǎng)。然而,從夜間銨鹽濃度的增加程度來(lái)看銨鹽對(duì)6月29日NPF事件中新粒子(小于100 nm粒徑的顆粒)的生長(zhǎng)作用有限。硫酸鹽的濃度在整個(gè)新粒子生成日變化較小——濃度在0.1～0.2 μg/m3左右,總體變化趨勢(shì)與銨鹽相似(見(jiàn)圖4(e))。結(jié)合圖4(a)與圖4(e)分析發(fā)現(xiàn),有機(jī)物在8～16時(shí)開(kāi)始呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì),此階段正好對(duì)應(yīng)到新粒子生長(zhǎng)的瓶頸期;17～21時(shí)有機(jī)物濃度呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),此階段對(duì)應(yīng)新粒子的明顯生長(zhǎng)期。綜上,相較于硝酸鹽與硫酸鹽,有機(jī)物對(duì)新粒子的生長(zhǎng)起到了主導(dǎo)的作用。

(Biog代表被氧化的生物源有機(jī)蒸氣,Ant代表被氧化的人為源有機(jī)蒸氣,OA代表有機(jī)氣溶膠數(shù)濃度由dN/dlog(Dp)計(jì)算得來(lái)。Biog represents oxidized biogenic organic vapor; Ant represents oxidized anthropogenic organic vapor; OA represents organic aerosol. The number concentration is calculated from dN/dlog(Dp).)

圖5(a)—(b)顯示,模式在一定程度上可以捕捉并復(fù)現(xiàn)發(fā)生在7月6日的團(tuán)塊型NPF事件。有機(jī)蒸氣與硫酸蒸氣在新粒子生成日的整體分布與6月29日相近:有機(jī)蒸氣的濃度高于硫酸蒸氣,以Biog最為充足(見(jiàn)圖5(c))。在NPF事件開(kāi)始之前(9時(shí)左右)持續(xù)升高的有機(jī)蒸氣與硫酸蒸氣濃度有助于成核。7月6日氨氣整體的濃度變化趨勢(shì)與6月29日相似(見(jiàn)圖5(d)),但在7月6日夜間并未發(fā)現(xiàn)銨鹽濃度的明顯增加(見(jiàn)圖5(f)),由此再次印證了氨氣在夜間的凝結(jié)轉(zhuǎn)化對(duì)此類(lèi)非持續(xù)生長(zhǎng)型事件中的新粒子(小于100 nm粒徑的顆粒)的生長(zhǎng)貢獻(xiàn)較小。如圖5(f)所示,硫酸鹽的濃度在7月6日新粒子事件期間始終保持在一個(gè)較低的狀態(tài)水平(幾乎為0);有機(jī)物濃度在整個(gè)新粒子事件期間保持明顯的雙峰分布:4～11時(shí)有機(jī)物濃度由0.1 μg/cm3上升到0.3 μg/cm3,此階段大氣環(huán)境背景較為復(fù)雜——100 nm以下顆粒物數(shù)濃度較高且大于50 nm顆粒物數(shù)濃度在7—11時(shí)有明顯地升高(見(jiàn)圖5(a))。結(jié)合圖5(a)與圖5(e)發(fā)現(xiàn),7月6日新粒子事件在10時(shí)左右開(kāi)始,值得注意的是新粒子事件開(kāi)始后有機(jī)物濃度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),伴隨著有機(jī)物濃度的減少新粒子的生長(zhǎng)在11～14時(shí)出現(xiàn)瓶頸期,15～19時(shí)期間伴隨著有機(jī)物濃度持續(xù)上升顆粒粒徑呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(Biog代表被氧化的生物源有機(jī)蒸氣,Ant代表被氧化的人為源有機(jī)蒸氣,OA代表有機(jī)氣溶膠數(shù)濃度由dN/dlog(Dp)計(jì)算得來(lái)。Biog represents oxidized biogenic organic vapor, Ant represents oxidized anthropogenic organic vapor, OA represents organic aerosol.The number concentration is calculated from dN/dlog(Dp).)

2.3 新粒子來(lái)源的后向軌跡分析

圖6(a)展示了6月14日—7月14日期間所有新粒子生成日與非新粒子生成日在8:00的24 h 500 m高空后向軌跡,后向軌跡顯示新粒子生成日氣團(tuán)多來(lái)源于內(nèi)蒙古、張家口、承德等北方清潔大氣環(huán)境中,而非新粒子生成日氣團(tuán)多來(lái)自保定、廊坊、唐山等污染較重的工業(yè)城市。這與之前關(guān)于NPF事件的相關(guān)研究結(jié)論相一致——污染氣團(tuán)中高數(shù)濃度顆粒產(chǎn)生的高凝結(jié)匯會(huì)干擾新粒子的生成與后續(xù)生長(zhǎng)[13,48-50]。近一步對(duì)比持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件(7月1和3日,見(jiàn)圖6(b),6(c))與非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件(6月29日與7月6日,見(jiàn)圖6(d),6(e))的500和1 000 m高空氣團(tuán)后向軌跡發(fā)現(xiàn):兩類(lèi)NPF事件的氣團(tuán)均來(lái)自于北方清潔大氣,但持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件主要受距地面約1 500～2 500 m高空的下降氣團(tuán)的影響,而6月29日收縮型NPF事件24 h氣團(tuán)后向軌跡起源于近地層,上升至距地面約1 500 m的高度后又向下傳輸;7月6日?qǐng)F(tuán)塊型NPF事件主要受距地面約1 000～1 500 m的高空下降氣團(tuán)影響。相比之下,非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件的氣團(tuán)起源更復(fù)雜,且氣團(tuán)最大高度多位于距地面約1 500 m高空處,整體低于持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件。綜上,非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件發(fā)生時(shí)氣團(tuán)起源于清潔背景環(huán)境,但較持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件下降氣團(tuán)起源高度更低,意味著氣團(tuán)的清潔程度更易受影響(氣團(tuán)傳輸過(guò)程中可能產(chǎn)生更高凝結(jié)匯),對(duì)非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件的成核與生長(zhǎng)可能產(chǎn)生一定的干擾,但總體上兩類(lèi)NPF事件的氣團(tuán)來(lái)源差異較小。

((b)～(e)中的紅線(xiàn)和藍(lán)線(xiàn)分別代表距地面500 m與1 000 m的高空氣團(tuán)后向軌跡。 The red line and blue line in(b)～(e)represent the backward trajectory of high-altitude air mass at 500 m and 1 000 m above the ground respectively in (b)～(e).)

2.4 垂直與水平傳輸過(guò)程對(duì)NPF事件的影響

借助模式的過(guò)程分析可以充分評(píng)估垂直與水平傳輸對(duì)非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件的影響。圖7(a)—(d)分別展示了北京山地森林站CN40(10～40 nm粒徑段顆粒數(shù)濃度總和)在6月29日與7月6日的垂直與水平方向的傳輸情況。其中,垂直傳輸與空氣動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)作用相關(guān),水平傳輸主要受風(fēng)向、風(fēng)速、地形等氣象與地理因素的影響。6月29日收縮型NPF事件中8～18時(shí)10～40 nm粒徑顆粒在垂向空間上呈現(xiàn)出從半空向兩邊傳輸?shù)姆植继卣?10～40 nm粒徑顆粒主要分布在邊界層頂及～2 000 m a.s.l.高度以下的垂直空間(見(jiàn)圖7(a))。CN40的水平傳輸時(shí)間序列圖顯示,5～23時(shí)北京山地森林站至邊界層頂?shù)拇瓜蚩臻g內(nèi)CN40基本處于減少狀態(tài)(見(jiàn)圖7(c)),意味著水平傳輸對(duì)整個(gè)垂直空間上10～40 nm粒徑顆粒數(shù)濃度的增加起負(fù)作用。借助近地層10～40 nm粒徑段顆粒數(shù)濃度總和(CN40)、CN40的垂直傳輸(CN40DEP)、CN40的水平傳輸(CN40TRANS)、CN40的垂直與水平傳輸顆粒數(shù)濃度總和(CN40DT)四者的動(dòng)態(tài)變化時(shí)間序列圖可以更好地定量評(píng)估CN40的空間傳輸對(duì)地面NPF事件的影響:如圖7(e)所示,8～18時(shí)期間,CN40DEP為正值即垂直傳輸對(duì)北京山地森林站地面10～40 nm顆粒數(shù)濃度的增加做正貢獻(xiàn),CN40TRANS大約在-1 000與500 cm-3之間波動(dòng),說(shuō)明水平傳輸對(duì)地面CN40的貢獻(xiàn)有正有負(fù)。值得關(guān)注的是,此期間CN40分布在二者之間,偏向CN40TRANS,且變化趨勢(shì)與CN40TRANS一致。這表明6月29日收縮型NPF事件中地面10～40 nm粒徑顆粒數(shù)濃度受到水平傳輸與垂直傳輸?shù)碾p重影響,其中受水平傳輸所帶來(lái)的負(fù)貢獻(xiàn)影響較大,由此推測(cè)近地層較強(qiáng)的水平傳輸可能是造成新粒子呈現(xiàn)收縮型增長(zhǎng)的原因之一。對(duì)比6月29日NPF事件中CN40與CN40DT發(fā)現(xiàn):8～14時(shí)CN40DT高于CN40,這表明此期間區(qū)域傳輸作用較強(qiáng),但顆粒的碰并與干沉降過(guò)程影響了傳輸對(duì)地面CN40的增加程度;14～21時(shí)CN40高于CN40DT,表明區(qū)域傳輸作用減弱,新粒子增長(zhǎng)作用增強(qiáng)。

7月6日?qǐng)F(tuán)塊型NPF事件中CN40在8～16時(shí)左右的垂直傳輸分布呈現(xiàn)出與6月29日新粒子事件同樣的分布特征——顆粒從半空中同時(shí)向上下兩個(gè)方向傳輸,使10～40 nm粒徑顆粒數(shù)濃度主要集中在～1 200 m a.s.l.以下高度及邊界層頂(見(jiàn)圖7(b))。值得注意的是4～16時(shí)期間水平傳輸對(duì)在垂直向空間內(nèi)一定高度的CN40做正貢獻(xiàn)(見(jiàn)圖7(d)),尤其在12～16時(shí)期間近地層CN40TRANS可達(dá)1 000 cm-3以上。如圖7(f)所示,地面CN40TRANS與CN40DEP在12～16時(shí)均為正值,此階段CN40DT呈持續(xù)上升趨勢(shì),峰值可達(dá)6 000 cm-3,正對(duì)應(yīng)新粒子事件中50 nm以下顆粒數(shù)濃度快速爆發(fā)期。因此我們得出結(jié)論:近地層較強(qiáng)的水平與垂直輸送對(duì)團(tuán)塊型新粒子事件中50 nm以下顆粒物數(shù)濃度的爆發(fā)起到了增強(qiáng)作用。

圖8(a)—(d)分別展示了北京山地森林站CN100(40～100 nm粒徑段顆粒數(shù)濃度總和)在6月29日與7月6日的垂直與水平方向的傳輸情況。6月29日8～18時(shí)邊界層垂向空間內(nèi)CN100幾乎都在小于0的范圍內(nèi),邊界層頂部有高濃度40～100 nm顆粒的聚集(見(jiàn)圖8(a))。如圖8(c)所示,8～11時(shí)、14～次日3時(shí)的水平傳輸對(duì)CN100做正貢獻(xiàn)。但水平傳輸白天整體貢獻(xiàn)的數(shù)濃度偏低(10～100 cm-3);夜間19時(shí)以后近地層水平傳輸能力增強(qiáng),對(duì)CN40的貢獻(xiàn)基本大于1 000 cm-3。10～18時(shí)垂直與水平方向傳輸對(duì)CN100貢獻(xiàn)及近地層CN100基本為0,CN100與CN100DT的分布趨勢(shì)與數(shù)值在整個(gè)NPF事件期間基本相近(見(jiàn)圖8(e)),說(shuō)明收縮型NPF事件中空間傳輸對(duì)大粒徑顆粒的數(shù)濃度有直接的影響。

7月6日?qǐng)F(tuán)塊型NPF事件中CN100DEP的空間分布特征與6月29日相一致(見(jiàn)圖8(b))。7月6日期間近地層的CN100TRANS基本處于一個(gè)較高的水平(大于1 000 cm-3),表明近地層的水平傳輸所帶來(lái)的顆粒物較多(見(jiàn)圖8(d))。如圖8(f)所示,近地層CN100TRANS在7月6日4時(shí)～次日3時(shí)期間均處于正值狀態(tài),最大可達(dá)1 200 cm-3左右。相反的,CN100DEP在此期間均為負(fù)值?？傮wCN100DT在0上下波動(dòng),CN100與CN100DT在11～15時(shí)重合,表示此階段北京山地森林站40～100 nm粒徑段顆粒主要受水平與垂直傳輸?shù)挠绊?15時(shí)～次日0時(shí),CN100高于CN100DT主要是由新粒子生長(zhǎng)造成的。

3 結(jié)論

本文借助模式結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)從化學(xué)組分、氣團(tuán)后向軌跡追蹤、垂直與水平區(qū)域傳輸方面對(duì)北京山地森林站非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件進(jìn)行探究,研究結(jié)論如下:

(1)北京山地森林站中氣態(tài)成核前體物分布充足有利于成核,而該清潔環(huán)境下新粒子雖然可以完成成核,但由于支持其后續(xù)增長(zhǎng)的化學(xué)前體物濃度較低以至于限制了新粒子粒徑的持續(xù)增長(zhǎng)。

(2)追蹤非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件的24 h氣團(tuán)后向軌跡發(fā)現(xiàn):其早8時(shí)氣團(tuán)均起源于北方清潔環(huán)境,這表明清潔氣團(tuán)所產(chǎn)生的低凝結(jié)匯有助于成核事件的發(fā)生。非持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件的氣團(tuán)起源高度較持續(xù)生長(zhǎng)型NPF事件更低,但二者總體差異不大。

(3)垂直與水平區(qū)域傳輸對(duì)10～100 nm粒徑段顆粒數(shù)濃度有明顯影響。6月29日收縮型NPF事件中10～16時(shí)近地層較強(qiáng)的水平傳輸減少了10～40 nm粒徑段顆粒數(shù)濃度,這可能是造成新粒子呈現(xiàn)收縮型增長(zhǎng)的原因之一。7月6日?qǐng)F(tuán)塊型NPF事件中12～16時(shí)水平傳輸與垂直傳輸快速增加了10～40 nm粒徑段顆粒數(shù)濃度,表明近地層較強(qiáng)的水平與垂直輸送對(duì)團(tuán)塊型NPF事件中50 nm以下顆粒物數(shù)濃度的爆發(fā)起到了增強(qiáng)作用。

本文中WRF-Chem模式雖然在一定程度上能夠捕捉并重現(xiàn)非持續(xù)生長(zhǎng)型新粒子事件的生長(zhǎng)形態(tài),但在NPF事件起始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、顆粒數(shù)濃度分布等方面的模擬效果仍有待改進(jìn)。在未來(lái)的研究中,可通過(guò)提高人為源與生物源排放分辨率等途徑降低模式模擬結(jié)果的不確定性,為充分借助模式深入探索NPF事件的空間特異性與氣候效應(yīng)奠定基礎(chǔ)。