定量研究青藏高原亚硝酸(HONO)的生成及其对氧化能力的影响:基于观测约束箱式模型的见解

《Atmospheric Environment》:Quantifying nitrous acid (HONO) formation and its impact on oxidation capacity over the Tibetan Plateau: Insights from an observation-constrained box model

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年10月01日 来源:Atmospheric Environment 3.8

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   •专门开发用于诊断清洁背景大气中HONO收支的零维化学箱模型。•颗粒物硝酸盐水解和土壤排放主导了南科白天HONO过量。引言HONO可能增强羟基(OH)水平,而羟基参与光氧化过程,如臭氧(O3)和其他二次大气污染物的形成,并作为大气中活性氮外部循环的中间示踪剂(Platt et

  
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    专门开发用于诊断清洁背景大气中HONO收支的零维化学箱模型。
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    颗粒物硝酸盐水解和土壤排放主导了南科白天HONO过量。

引言

HONO可能增强羟基(OH)水平,而羟基参与光氧化过程,如臭氧(O3)和其他二次大气污染物的形成,并作为大气中活性氮外部循环的中间示踪剂(Platt et al., 1980; Harrison et al., 1996; Ye et al., 2023)。尽管城市HONO来源已得到充分表征,主要由直接燃烧和NOx内部循环驱动,但偏远地区的机制——如沿海大气(Kerbrat et al., 2012; Meusel et al., 2016)、极地地区(Liao and Tan, 2008)和青藏高原(TP)(Wang et al., 2023)——仍缺乏充分约束。关于偏远地区HONO来源的现有知识空白阻碍了对其在大气化学中作用的理解。因此,本研究旨在提供一个箱模型来分析背景区域HONO的昼夜来源及其对大气氧化能力的影响。
白天HONO收支通常被认为由其均相气相生成(NO + OH)与快速光解损失和OH氧化之间建立的光化学稳态(PSS)所控制(Spataro et al., 2013)。NO2在环境表面的异相水解促进了夜间积累(Crutzen, 1979; Yabushita et al., 2009; Xu et al., 2019; Gen et al., 2024; Zhang et al., 2025)。然而,观测与模拟的日间浓度之间存在广泛差异,表明存在大量缺失机制。日间形成越来越被归因于大多数污染区域气溶胶或地表的增强异相反应,包括新鲜黑碳上的潜在额外产生(Kalberer et al., 1999)和含有腐殖酸(Kleffmann et al., 1998)及有机膜(Ziemba et al., 2010)的表面。由HCl和HNO3等强酸通过夜间硝酸盐置换形成的表面储库可能是正午HONO通量的另一个弱驱动因素(VandenBoer et al., 2015)。然而,在森林(Kleffmann et al., 2005; Zhou et al., 2011)、海洋边界层(Yang et al., 2021; Zhong et al., 2023)和雪表面(Beine et al., 2008; Bond et al., 2023)等偏远地区观测到通过上述机制HONO收支不闭合,暗示存在外部非NOx来源的HONO。
文献中已广泛研究了两种外部HONO形成机制。表面硝酸盐光解已被确认为关键驱动因素,它提供了从硝酸(HNO3)快速循环HONO和NOx的途径,并贡献了正午HONO和NOx浓度(Ye et al., 2016; Gen et al., 2019, 2022)。以往研究表明,通过相中硝酸盐(pNO3-)光解弥补NOx亏缺,可使全球对流层OH浓度增加19%(Shah et al., 2023),显著改善了北极极地和格陵兰峰站的臭氧模拟(Dibb et al., 2002)。该路径参数化的主要困难在于光解速率常数和产率的环境异质性(Baergen and Donaldson, 2013; Zhu et al., 2022; Wang et al., 2023)。同时,生物土壤排放已成为大气HONO的普遍主要来源。除传统的大尺度酸碱平衡外,土壤HONO产生由大气矿物氧化物介导的土壤表面酸度动态维持,即使在中和碱性陆地生态系统中也能促进亚硝酸盐质子化和释放(Su et al., 2011; Donaldson et al., 2014)。土壤细菌,特别是氨氧化细菌(AOB),已被确定为大气活性氮的主要贡献者,通过直接释放HONO(Oswald et al., 2013),而生物产生的亚硝酸盐(来自含氧受限土壤微区中的硝酸盐还原)在高湿度条件下进一步促进排放(Wu et al., 2019)。野外观测强调了这些通量的区域重要性。华北平原施肥农业土壤是已知的HONO释放热点区(Liu et al., 2019)。在南科高山草甸的原始环境中,发现陆-气通量产生的体积混合比为40 pptv h?1,占已确定的外部日间HONO来源的40%(Wang et al., 2023)。这些发现表明,随着人为氮排放持续下降,土壤排放正成为大气HONO收支中日益重要的组成部分。(Xue et al., 2026)。
然而,当前主化学机制(MCM)框架中对HONO的表征主要局限于经典气相动力学,有效忽略了在原始环境中至关重要的异相和外部转化过程。虽然一些化学传输模型(CTMs)引入了各种HONO参数化(Stockwell et al., 1997; Mao et al., 2010; Wang et al., 2025),但这些通常针对城市污染情景进行优化,缺乏偏远地区所需的外部来源整合。这种不完善对在低NOx背景区域准确模拟活性氮收支和大气氧化能力(AOC)构成重大挑战。
通过扩展MCM v3.3.1机制开发了一个整合的HONO收支(IHBDT)诊断框架,以阐明偏远地区HONO的形成途径。青藏高原,被称为"第三极",以其独特的高海拔地理影响区域和全球背景大气NOx,并作为气候变暖的指标。本研究以青藏高原作为代表性背景区域,评估HONO途径的相对贡献及其对AOC的后续影响,从而为优化CTM参数化和减少气候变化下全球AOC预报不确定性提供经验基础。

章节摘要

基础框架

IHBDT是基于Python的零维箱模型,源自INCHEM-Py,通过数值求解一组耦合常微分方程来模拟大气化学物质的时变演化(Shaw et al., 2023)。在本研究中,我们的模型去除了INCHEM-Py中的室内环境过程,同时保留了基于MCM的气相化学机制。该机制作为一个近显式动力学方案,能够解析OH、NO3和O3的详细自由基循环在

气相模拟

本研究首先考察了基准情形下NOx、O3和HONO的昼夜变化(图2)。模拟的NOx混合比呈现U型模式,夜间在当地时间04:00达到约23 pptv的积累峰值,随后快速光解下降至白天的稳定态约10 pptv。O3与NOx呈现稳健的反相关,在当地时间12:00–16:00达到峰值,这证实了模型复制偏远地区标准光化学特征的能力

结论

本研究提出了一个专门开发用于诊断清洁背景大气中HONO收支的零维化学箱模型,该环境在现有模型中相对于其城市和郊区对应物存在代表性不足。通过在单一诊断框架中整合全面均相、异相和光增强HONO形成机制,该模型提供了一个可迁移且过程解析的工具来约束HONO

CRediT作者贡献声明

张鹏:形式分析。李雅丽:写作 – 审阅与编辑。李江海:形式分析。王建书:写作 – 审阅与编辑、验证、形式分析。张隆昌:形式分析。张雪:写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。黄雨辰:形式分析。张嘉明:形式

未引用参考文献

Dufour et al., 2022; Pitts Jr et al., 1984; Stemmler et al., 2007。

数据和代码可用性

模型代码可在https://github.com/LittleFeify/TP_BOXMODEL获取。用于模型模拟的数据可从Copernicus气候数据存储库公开获取,网址为https://cds.climate.copernicus.eu/datasets/reanalysis-era5-single-levels?tab=overview。观测数据模型代码可在https://github.com/LittleFeify/TP_BOXMODEL获取。用于模型模拟的数据可从Copernicus气候数据存储库公开获取,网址为https://cds.climate.copernicus.eu/datasets/reanalysis-era5-single-levels?tab=overview。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由国家重点研发计划(2023YFC3706205)、粤港澳大湾区沿海大气与气候广东省野外观测研究站(2021B1212050024)、深圳市科技计划(KQTD20210811090048025)和高层次大学专项基金(G030290001)资助。本工作得到了南方科技大学计算科学与工程中心的支持。
张雪|王建书|叶春湘|李西成|吴兴益|袁文婷|鸾翔宇|李雅丽|张鹏|张嘉明|黄雨辰|张隆昌|李江海|刘松|王辰|朱磊
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