气溶胶的气候和环境效应不仅与气溶胶质量浓度有关，还与其数浓度和混合状态密切相关，这些参量的确定需要对气溶胶微物理过程进行合理建模。除直接排放外，新粒子形成是气溶胶的重要来源，合理表征新粒子形成和气溶胶老化增长过程是给出气溶胶浓度与排放源的定量关系、精确量化气溶胶来源的必要前提。气溶胶粒径从几纳米到数微米，跨越多个量级，且具有复杂化学组分，模拟气溶胶微物理过程极具挑战性。当前，国际上公开的数值模式对气溶胶微物理过程的表征存在不足，往往不能精细地刻画纳米级的小粒子长大到具有气候和环境意义气溶胶的过程。
近年来，大气所王自发研究员带领的大气化学模式研发团队先后将精细分档的气溶胶微物理模块APM和基于挥发性分级的VBS有机气溶胶模块耦合到自主发展的大气化学模式IAP-AACM中，并将APM和VBS模块有机地结合来模拟1nm-10μm气溶胶的微物理过程，建立了一个新的全球-区域多尺度嵌套精细分档气溶胶模式IAP-AACM(+VBS+APM)。该模式显式地描述新粒子形成对气溶胶谱分布的影响，不仅考虑了硫酸的凝结及硝酸盐和铵盐的平衡分配，还详细表征不同挥发性等级有机物的微物理过程。通过考虑有机物参与核化和一次有机颗粒物的挥发性，该模式对新粒子形成事件的模拟能力显著提升，能够很好地再现气溶胶粒径谱演变特征和新粒子形成特征（见图1）。
图1.IAP-AACM模拟的气溶胶谱分布演变与观测对比
当前对中国高污染大气中新粒子生成与区域灰霾形成关系的认识存在争议。课题组陈学舜博士等人利用IAP-AACM模式对气溶胶微物理过程表征方面的优势，并结合孙业乐研究员等人在大气所325米气象塔的观测分析，有效地解析了新粒子生成在区域大气灰霾形成中的作用。研究发现，尽管在污染时段新粒子形成事件不易或不会发生，但清洁时段形成的新粒子可在后期扩散条件不利时长大进而对区域灰霾形成有重要贡献。此外，IAP-AACM模式能够直接模拟新粒子组分，可以补充观测的不足。模拟结果表明，夏季人为有机物对北京新粒子组分的贡献可达67%（见图2），远大于生物有机组分的贡献，人为二次有机气溶胶对全球二次有机气溶胶形成亦有重要贡献（见图3）。
图2. 北京夏季（2015年8-9月）新粒子组分占比
图3.全球二次有机气溶胶浓度、气溶胶数浓度和云凝结核数浓度空间分布（圈点为观测）
在全球范围，IAP-AACM模式不仅能够合理地模拟不同气溶胶组分的源、汇和时空分布，还可再现典型大气环境中的气溶胶总数浓度和云凝结核数浓度（见图3）。目前，IAP-AACM模式已耦合到地球系统模式CAS-ESM中，IAP-AACM模式气溶胶微物理模块的发展为气溶胶气候和环境效应的量化提供了重要的研究基础。相关研究成果发表在《Atmospheric Chemistry and Physics》等期刊上，研究成果由中科院大气所联合北京大学、纽约州立大学奥尔巴尼分校和赫尔辛基大学等合作单位共同完成。研究受到国家重点研发计划项目“全耦合多尺度空气质量预报模式系统”与“地球系统模式的改进、应用开发和高性能计算”的资助和项目研究团队的支持。
相关论文：
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