华北平原冬季重霾污染事件中,硝酸盐已成为气溶胶中的关键组分。作为夜间大气氧化性的关键体现,以五氧化二氮(N2O5)非均相水解过程为核心的活性氮氧化路径,是冬季硝酸盐生成的重要机制。然而,当前空气质量模型在模拟这一夜间化学过程,特别是其关键的参数化方案时,仍存在显著不确定性。本研究基于WRF-Chem模式,系统开展了华北地区冬季重霾期间活性氮夜间氧化过程的定量解析,并对关键的N2O5非均相参数化方案进行了深入评估。
研究首先针对山东及华北地区典型冬季霾事件,利用过程分析(Process Analysis)定量探讨了影响硝酸盐浓度变化的主导因素。结果表明,气溶胶化学过程是导致污染期间硝酸盐浓度显著上升的主导原因。在化学机制层面,夜间N2O5非均相水解对硝酸盐前体物(HNO3)生成速率的贡献达45%,构成了冬季大气氧化性的核心特征。在此基础上,为进一步降低夜间氧化过程的模拟偏差,本研究在WRF-Chem模式中引入并全面评估了多种N2O5非均相过程参数化方案,重点探讨了气溶胶有机包裹层(organic coating)对N2O5非均相摄取的抑制效应及其对分粒径(size-resolved)硝酸盐模拟的影响。评估结果表明,不同方案在模拟夜间N2O5非均相水解过程上存在显著差异。在模式中考虑有机包裹层的抑制效应,能够有效改善模型对夜间N2O5非均相转化效率及细颗粒物上硝酸盐浓度的高估,使分粒径硝酸盐的模拟结果更加符合实际观测特征。
综上所述,本研究不仅定量揭示了N2O5非均相化学等主导过程在华北冬季硝酸盐累积中的关键贡献,也明确了评估和选用包含有机包裹效应的合适参数化方案对于提升区域模型精度的必要性。研究结果为深入理解冬季弱光照条件下的大气氧化特征、优化空气质量模式以及制定区域氮氧化物(NOx)管控策略提供了重要的科学支撑。