清华大学环境学院2024年1月18日电 近日，清华大学环境学院赵斌课题组在野火排放生成大气二次有机颗粒物研究方面取得进展，构建了基于野火详细排放源谱的分物种长时间氧化模型，发现野火排放所含气态前体物在数周的长时间氧化过程中有较大的二次有机颗粒物生成潜能，能够将初始排放的有机颗粒物质量放大3倍左右，并据此估计野火排放对全球二次有机颗粒物生成的贡献至少为30%左右，显著高于以往的研究，表明野火的环境与气候影响可能超出目前认识程度。
野火排放是大气颗粒物的主要来源之一，对空气质量、人体健康与气候存在较大影响，并且随着全球气候变化，未来野火发生频率呈增长趋势。野火颗粒物的主要组成部分是有机气溶胶（oa），其中一部分源于直接排放，另一部分来自于排放中气态有机前体物在大气光氧化作用下形成的二次有机气溶胶（soa）。由于野火排放有机物组分复杂，物种数量通常达到数百以至上千种，预测其在大气长时间氧化过程中的soa生成具有一定困难性。课题组首先针对有机前体物复杂组分，特别是中等/半挥发性有机物（i/svoc）组分，构建了分前体物物种的多级氧化模型，其主要特征为基于已知化学原理，具体考虑每一个前体物的第一级氧化过程，并将所有一级氧化产物按其前体物化学类别分类，通过分化学类别的二维挥发性区间（2d-vbs）参数化方案模拟多级氧化过程，每个化学类别的最优化2d-vbs参数通过拟合各类别代表性前体物氧化实验结果得到。通过模拟实验室与外场观测实验，表明模型能较好地模拟野火排放在长时间氧化下的soa生成量与氧化程度变化。
课题组基于该氧化模型，并结合真实大气中的野火排放源谱、烟羽稀释速率、大气氧化剂浓度等因素的可能变化范围，进行了大量随机采样模拟。如图1a所示，平均结果显示在200小时的大气等效氧化时间下，原始排放的野火oa大气存量可以由于soa生成增大3倍左右，同时达到很高的氧化程度（氧碳比为1左右）。在长时间氧化下，野火soa的大量生成表明其能够向更大范围扩散，影响更广泛区域的空气质量与公众健康；同时，野火soa高氧化程度表明其作为云凝结核的能力可能显著增强，进而影响云的辐射效应。如图1b所示，结合野火排放清单，估算全球野火soa生成速率为139 tg/年，显著高于以往研究，而以往研究通常不考虑长时间氧化过程，或对其缺乏约束。结果表明，目前对野火的环境与气候影响可能存在低估，未来空气质量与气候模型需要准确反映野火soa的长时间氧化过程。
图1 预测全球野火soa生成；（a）随机采样模拟结果，包括soa生成与氧碳比变化趋势与各类前体物贡献；（b）估算全球野火soa生成结果与之前研究的对比。
研究成果以《长时间氧化促进野火排放二次有机气溶胶生成》（formation of secondary organic aerosol from wildfire emissions enhanced by long-time ageing）为题，发表于《自然-地球科学》（nature geoscience）。清华大学环境学院博士后何逸聪为论文第一作者，赵斌助理教授为论文通讯作者，王书肖教授提供了关键性指导。共同作者包括清华大学郝吉明院士，清华大学2020级博士生尹德嘉，交通运输部规划院常兴，中国石化工程建设公司冯伯阳，法国大气系统研究校际实验室（laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques）伯纳德·奥蒙（bernard aumont）、理查德·瓦洛索（richard valorso）、玛丽·卡姆雷登（marie camredon），中国科学院大气物理研究所蒋哲，美国科罗拉多州立大学亚伯拉罕·迪尔登（abraham dearden）、尚塔努·贾塔尔（shantanu jathar），西北太平洋国家实验室马尼什·施里瓦斯塔瓦（manish shrivastava），加州大学戴维斯分校克里斯托弗·卡帕（christopher cappa），加州大学伯克利分校林赛·余（lindsay yee），加州理工学院约翰·宋飞（john seinfeld），以及卡内基梅隆大学尼尔·多纳休（neil donahue）。
本研究得到了国家自然科学基金委“大气霾化学”基础科学中心项目（22188102）和三星先进技术研究院的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-023-01355-4
