美国地区新鲜生物质燃烧烟雾中臭氧光化学演化机制及模型评估研究

《SCIENCE ADVANCES》：Ozone photochemistry in fresh biomass burning smoke over the United States

本研究针对生物质燃烧（BB）烟雾中臭氧（O3）光化学预测难题，通过分析美国三次飞机观测数据，系统评估了羟基自由基（OH）、挥发性有机物（VOCs）与氮氧化物（NOx）在烟雾老化前5小时内的相互作用。研究发现，OH浓度在初期2小时内显著升高，导致VOCs氧化及O3、过氧乙酰硝酸酯（PAN）生成存在显著火点间差异；化学老化可解释40–70%的变异性。研究对比了全显式Master Chemical Mechanism（MCM）与简化机制GEOS-Chem的性能，指出后者因VOCs表征不全而低估OH反应性，而MCM虽能较好预测OH和O3，却在部分火点高估PAN生成，提示NOx汇途径存在缺失。该成果为提升化学传输模型（CTMs）在BB环境中的模拟精度提供了关键路径。

　　

随着全球气候变化和人类活动加剧，森林火灾等生物质燃烧（Biomass Burning, BB）事件频发，其产生的烟雾不仅导致空气质量恶化，还会通过复杂的光化学反应生成臭氧（O₃）等二次污染物，对公共健康和气候系统构成严重威胁。然而，当前广泛应用的化学传输模型（Chemical Transport Models, CTMs）在模拟BB烟雾中的臭氧光化学过程时仍存在显著误差，这主要源于对烟雾中挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs）和氮氧化物（NO_x= NO + NO₂）等前体物演化刻画不足，尤其是烟雾排放后最初几小时内的关键化学过程尚未被充分认知。为了解决这一难题，一项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究对美国地区三次飞机观测获得的新鲜BB烟雾数据进行了深入分析，系统评估了烟雾老化初期（5小时内）的臭氧光化学机制。

研究人员主要利用了基于飞机观测的伪拉格朗日采样策略，对五个代表性BB烟羽进行了追踪观测，并结合箱式模型（Box Model）模拟，对比了全显式Master Chemical Mechanism（MCM）和简化机制GEOS-Chem在模拟羟基自由基（OH）、VOCs、O₃、过氧乙酰硝酸酯（Peroxyacetyl Nitrate, PAN）等关键物种时的表现。模型初始化时关键参数（如NO_x、HONO、O₃、CO、CH₄及VOCs浓度）均受观测约束，光解频率（J values）则直接采用实测值或基于辐射传输模型计算。此外，研究通过计算稀释速率（k_dil）来量化烟羽与背景大气的混合过程。

No major gaps in explicit gas-phase chemistry when predicting OH

研究首先通过测量共排放但OH反应速率不同的痕量气体（如特定VOCs与CO）的比值变化，计算了烟羽中心的OH浓度（[OH]_cal）。通过严格筛选（主要消耗途径为OH氧化、二次生成可忽略、寿命适中），确定了呋喃（furan）、糠醛（furfural）和呋喃酮（furanone）作为理想的示踪物。验证表明，该方法在理想拉格朗日采样下可靠。将观测约束的[OH]_cal与采用完整VOCs初始化的MCM模型（MCM_BBVOC）输出的[OH]_model进行比较，发现两者在三个选定BB烟羽中吻合良好（偏差在10%至40%以内）。OH收支闭合分析进一步显示，MCM_BBVOC能准确再现OH的源和汇（偏差在20%以内）。这表明，在当前对气相化学的最佳认知下，预测BB烟羽中的OH浓度不存在重大知识缺口。

Within-plume OH abundance, production, and sinks

研究发现，新鲜BB烟羽中心的OH浓度在老化前1-2小时内显著升高，可达环境水平（约1.5 × 10⁶molecules cm^?3）的5-20倍，随后在数小时内逐渐下降至环境水平。这种高OH浓度主要由初期高浓度的亚硝酸（HONO）光解驱动，随后氧化性VOCs（OVOCs）光解和O₃光解的重要性增加。研究引入了“化学年龄”（Chemical Age）的概念，即达到相同OH暴露量所需的环境OH等效时间。结果显示，在物理老化（基于传输时间）的前2小时内，烟羽的化学年龄是其物理年龄的3-4倍，表明新鲜烟雾中的光化学氧化速率远快于通常环境。化学年龄可以解释不同火点间总VOCs衰减、O₃和PAN生成变异性约40-70%，是统一近场烟羽化学演化的有效诊断指标。

Model performance for individual VOCs

研究评估了模型对37个在老化5小时内浓度变化超过10%的VOCs（包括初级和次级VOCs）的模拟性能。MCM_BBVOC对约半数的主要VOCs（如二甲苯、丁烯醛、甲酚、酚、呋喃类等）和大部分次级VOCs（如甲醛、乙醛、甲基乙基酮、马来酸酐等）的模拟与观测值的偏差在10-50%的仪器不确定性范围内。然而，对于异戊二烯、部分甲基呋喃、愈创木酚、紫丁香酚和倍半萜等物种，偏差较大，这可能与PTR-MS测量的局限性有关。使用简化VOCs表征的模型（MCM_GCVOC和GEOS-Chem）模拟的VOCs丰度略低，但与MCM_BBVOC对多数共有VOCs的模拟结果偏差在±15%以内。

Ozone abundance, formation, and sensitivity to precursors

观测显示，在老化5小时内，O₃的归一化过量混合比（ΔO₃/ΔCO）平均为4.4 ± 0.7%，净O₃生成速率（P(O₃)）在火点间存在4倍差异。MCM_BBVOC对ΔO₃/ΔCO的模拟偏差在20%以内，进一步证实了当前气相O₃化学机制的相对完善。研究重点分析了O₃生成对其前体物（NO_x和VOCs）的敏感性。通过交叉验证多种光化学指标（包括甲醛与二氧化氮比值FNR、OH反应性比值θ、自由基损失率比值L_ROx:L_NOx等），研究发现传统基于城市环境设定的FNR阈值（=1）不适用于BB烟雾。通过分析FNR对NO浓度的动态响应，研究提出在BB烟雾中，区分VOC限制（或过渡）与NO_x限制 regimes 的FNR阈值约为4-6。基于此，研究指出BB烟羽在老化初期（2小时内）可能处于VOC限制 regime，随后向下风方向转变为NO_x限制 regime。MCM与CTMs在模拟O₃敏感性方面总体一致，但在某些特定情况下，简化VOCs表征的CTMs会错误地预测一个较弱的VOC限制 regime。

Revisiting PAN and gas-phase OrgN

对于PAN，观测显示其在老化5小时内的ΔPAN/ΔCO平均为0.35 ± 0.03%，净生成速率P(PAN)远低于P(O₃)。MCM_BBVOC在三个火点中高估ΔPAN/ΔCO在20%以内，但在Taylor Creek火点高估达50%，且MCM_GCVOC和GEOS-Chem也表现出类似的正偏差。鉴于PAN在研究的低温条件下损失很小，这种高估可能源于模型低估了NO_x的汇途径（如硝酸盐颗粒pNO₃的形成）。对于气态有机硝酸盐（OrgN，不包括PAN和PPN），MCM_BBVOC能较好再现其总浓度（偏差20%以内），但其物种组成与观测存在差异（模型高估C₂-C₄硝酸盐比例，低估C₅-C₇硝酸盐比例）。GEOS-Chem则因OrgN物种数量有限和简化化学处理，无法捕捉观测到的OrgN丰度和变异性。

本研究系统评估了新鲜BB烟羽（老化5小时内）的光化学过程，指出当前最完善的显式气相化学机制（MCM）在充分初始化的前提下，能够较好地模拟OH自由基和O₃的生成，表明气相化学是主导过程，非均相损失可能次要。然而，模型在部分火点对PAN的高估提示NO_x汇途径（尤其是与气溶胶相关的过程）存在缺失。相比之下，广泛使用的CTM简化机制（如GEOS-Chem）因VOCs表征不全，系统性低估了VOCs的OH反应性（OHR_VOC），导致OH浓度高估，并在VOC限制条件下低估O₃生成，同时难以准确模拟OrgN的组成和丰度。研究明确了丙烯醛、呋喃类、1,3-丁二烯、丁二酮、儿茶酚等关键VOCs对改善模型性能的重要性。此外，提出的“化学年龄”概念和修订的FNR阈值分别为理解烟羽化学演化跨火点差异和判断O₃生成敏感性提供了有效工具。该成果深刻揭示了当前模型在模拟BB环境光化学时的局限性与改进方向，对提升区域乃至全球尺度空气质量预报和健康影响评估精度具有重要意义。