科研进展

AAS: 大气氨浓度观测和同位素溯源研究最新进展

  2011年,NASA卫星观测到一个诡异的现象:在对流层顶有一层深厚的气溶胶,覆盖范围从中东绵延到东亚,距离地面高度约15km,但对其形成机制一无所知。2019年,欧美亚37个科研机构将大气成分测量设备搭载到飞机上,穿越了这层气溶胶。科研人员惊奇的发现,这层气溶胶里广泛分布着硝酸铵颗粒物。该发现将近地面的氨气排放与亚洲季风及冰云形成和气候系统联系在了一起,突破了以往氨排放主要影响近地面霾污染和大气氮沉降的传统认知。

  为降低氨排放带来的不利影响,氨减排势在必行。然而,世界上大部分地区尚未将氨气纳入监管体系,导致近地面观测资料缺乏,大气氨浓度的时空分布还不是十分清楚。另外,城市大气氨来源依旧迷雾重重,线上机动车的贡献存在较大争议,这进一步限制了大气氨减排政策的制定。

  澳门威利斯人最新网站自2007年开始在华北开展干湿沉降联网观测(READ-NCP),发现氨气是氮沉降的主要前体物;这一网络在2015年扩展到了全国尺度,形成了AMoN-China。近年来,潘月鹏研究员与国内外科学家合作,系统梳理了大气氨浓度观测和同位素溯源的最新进展,于近期发表在Advances in Atmospheric Sciences“资讯与观点”栏目。

  文章整理了中国、美国、欧洲、非洲等国家和地区大气氨浓度观测网数据,发现这些地基观测数据在空间上的分布基本支撑卫星观测结果;但各网络使用的被动采样器型号不同,所获得的氨气浓度存在系统性的偏低,低估的比例与各采样器的浓度计算参数密切相关。因而,建立一套标准的校正体系是提高全球各观测网络数据可比性的重要方向。

  卫星和地面观测资料显示,全球氨气浓度的高值区集中分布在中国华北、印度北部和非洲中部(图1),但形成原因各异。对华北而言,除了农业区,城市大气氨浓度也较高。这一现象在全国不同区域都普遍存在,但其主要来源究竟是农业源还是机动车等非农业源尚无定论。近年来,基于氮同位素技术的氨气溯源研究方法展现出巨大潜力,是世界科技的新兴领域和前沿热点,有望解决困扰科学界的氨气来源之争,但现有的输入参数(包括气粒转化过程中的同位素分馏系数和不同排放源的同位素特征值)仍然受限于观测方法本身的局限性而导致溯源结果存在很大的不确定性。

 

图1:全球大气氨柱浓度及典型区域地面观测结果的空间分布

  准确的源谱信息是利用氮同位素开展大气氨溯源的基础。然而,现有的源谱测量结果变化范围较大,即使是同一个源谱,不同采样方法得到的结果也有差异。比如施肥排放的氨气同位素特征值,使用被动采样测量的结果在-55‰~-20‰之间波动,而主动采样则接近于0‰(图2),这一差异产生的根源在于传统研究方法的局限性,即被动采样测量结果显著低估了氨气的同位素特征值。

 

图2:不同排放源的氨气同位素源谱(不同符号代表不同的采样方法)

  “如果使用被动采样的源谱信息解析氨气的来源,就会发现北京的大气氨有27%来自施肥;而如果使用主动采样的源谱,农业施肥对北京大气氨的贡献只有18%(图3)”。潘月鹏及合编辑补充道:“这种差异会影响氨气减排方向的判断,造成减排政策落地困难;要想提高大气氨来源解析的精度和准确性,未来需要研制更先进的设备开展氨气同位素源谱的测试”。

 

图3:源谱校正前后得到的北京城市大气氨来源的行业类型和分摊比例

  该研究合作单位包括威利斯人娱乐网址沈阳应用生态研究所、华东师范大学、南京信息工程大学、中国农业大学、国家卫星气象中心、辽宁省稳定同位素技术重点实验室、美国布朗大学、英国国家物理实验室和英国克兰菲尔德大学。此项研究受到国家重点研发计划(2017YFC0210100)、大气重污染成因与治理攻关总理基金(DQGG0208)和国家自然科学基金(41405144)项目资助。 

  论文信息:

  Pan, Y. P., and Coauthors, 2020: Revisiting the concentration observations and source apportionment of atmospheric ammonia. Adv. Atmos. Sci., 37(9), https://doi.org/10.1007/s00376-020-2111-2

  免费下载链接:

  http://www.iapjournals.ac.cn/aas/en/article/doi/10.1007/s00376-020-2111-2

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