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本文在区域大气环境模式系统中引入海盐生成、吸湿增长、海盐表面液相化学模块,考虑海盐参与气溶胶热力学平衡以及二甲基硫产生及化学转化过程,以MM5中尺度气象模式气象场资料驱动大气环境模式,模拟了2004年中国地区海盐气溶胶时空分布特征,并通过数值试验定量分析了海盐气溶胶对于硫氮循环的影响。
首先考虑海盐参与气溶胶热力学平衡过程,利用热力学平衡模式ISORROPIA以及与之耦合的气相化学模式,通过两类敏感性试验,探讨了海盐气溶胶、相对湿度、温度对硫酸盐、硝酸盐、铵盐、氨气、气态硝酸、氯化氢浓度的影响,以及不同海盐气溶胶浓度对热力学平衡的影响。敏感性试验结果表明,海盐浓度相对较低时,相对湿度达到0.4~0.5以上,温度在-10℃~15℃之间时对各物种的平衡浓度影响比较显著:温度升高抑制硝酸盐、铵盐的生成,同时引起气态硝酸、氨气和氯化氢浓度的增加。而湿度升高时对硝酸盐、铵盐的生成有促进作用,相反造成气态硝酸、氨气和氯化氢浓度的降低。海盐气溶胶、相对湿度、温度的变化对硫酸盐气溶胶没有影响。在热力学平衡中如果考虑海盐气溶胶(主要成分NaCl)的作用会使得硝酸盐气溶胶、氨气浓度增加,而硝酸气体、铵盐气溶胶浓度减小,其中硝酸盐和气态硝酸的改变最为明显。由于海盐气溶胶和硫酸、硝酸的反应,产生了氯化氢气体,造成海盐气溶胶的氯亏损现象。
区域大气环境模式结果表明,海盐气溶胶主要分布在中国区域临近海域以及沿海地区,在海上部分地区的浓度值达到25g/m3以上,在中国的大部分沿海地区也达到5μg/m3,其浓度值由海洋区域向内陆区域递减。海盐气溶胶不仅影响中国的沿海区域,而且也深入到了中国内陆的河南、湖北、湖南、安徽等省,浓度达到1μg/m3以上。海盐气溶胶浓度分布与海面风速大小有很好的相关性。就季节分布而言,呈现冬高夏低的分布特征。
同时,还通过三组数值试验定量分析了海盐对于硫氮循环的影响:在区域大气环境模式中考虑海盐表面液相化学过程后,在沿海地区硫酸盐、硝酸气体浓度增加,二氧化硫、硝酸盐浓度减小。其中硫酸盐、二氧化硫浓度变化较为显著。1月、4月以及10月,长三角地区硫酸盐浓度增加量最大达到3.5μg/m3,增加了10%以上。在同一地区二氧化硫浓度显著减小。相对而言,在沿海地区硝酸盐气溶胶以及硝酸气体浓度并没有明显改变。从总体上来说,在沿海地区硝酸盐浓度降低,减小幅度基本低于1μg/m3。硝酸盐减小幅度较大的地区主要分布在长三角、山东半岛以及环渤海湾地区。硝酸气体变化正好与硝酸盐浓度变化相反。在区域大气环境模式中考虑海盐参与气溶胶热力学平衡过程后,沿海地区硫酸盐浓度增加,但总体增加幅度很小,大部分地区不超过3μg/m3,增加幅度较大的地区位于浙江以北的沿海地区,以及环渤海湾区域。与硫酸盐浓度变化相反,二氧化硫浓度降低,绝大部分地区浓度减小不超过2μg/m3。4月、7月时硝酸盐浓度以增加为主,但增加幅度较小。1月和10月时都呈现出北方地区减少、南方沿海地区浓度增加的空间分布特征。硝酸气体浓度变化趋势与硝酸盐正好相反。