水汽作为颗粒物湿增长的重要媒介，其含量的升高会加速NOx、SO₂等一次污染物的液相氧化反应，促进新粒子的生成，导致雾霾事件进一步恶化。但是，人类在燃烧天然气、石油、煤等化石燃料时也会向大气输送水汽 （即化石燃烧源水汽）。目前，在大气化学领域，对于化石燃烧源水汽在大气颗粒物液相氧化中的贡献仍无法定量。鉴于此，中科院地球环境研究所和南京大学/路易斯州立大学的研究人员认为，可以通过对大气水汽氢氧同位素长期的、高分辨率的观测来确定。他们通过在西安市收集的3个采暖季的大气水汽同位素组成及相关大气化学观测数据，并结合WRF-Chem模型，分离出了关中地区冬季雾霾过程中，化石燃烧源水汽在大气水汽中的占比及其对于大气PM_2.5浓度的贡献。化石燃烧源水汽占比虽小，但不可忽视， 尤其是在重霾的时候。研究人员首先分析了西安市主要化石燃料煤、汽油、天然气燃烧过程中产生的水汽同位素组成（图1），确定了西安市化石燃烧源水汽同位素端元值，并综合西安市3个采暖季高分辨率的大气水汽氢氧同位素观测数据，定量计算了化石燃烧源水汽对于大气水汽贡献。

　　图1 西安市大气水汽同位素组成及化石燃烧源水汽氢氧同位素组成

　　研究结果表明，在冬季采暖季，化石燃烧源水汽对于大气水汽平均贡献为6.2%，而在重霾事件过程中，随着PM_2.5浓度的上升，往往伴随着水汽浓度、相对湿度升高及水汽d¹⁸O_vap逐渐偏正、d_vap-excess逐渐偏负的过程（图2）。该过程对应大气边界层不断下降，燃烧源水汽在边界层中不断积累，占比不断升高的过程。

　　 

　　图2 2016-2018年西安市采暖季主要指标时间序列变化: (a)PM_2.5浓度；(b)相对湿度；(c)绝对湿度；(d)d¹⁸O_vap；(e)d_vap-excess；(f) CDW在大气水汽占比.

　　随后，研究人员利用WRF-Chem模型，选取一次典型重霾天气污染过程，结合大气水汽同位素结果计算得到的燃烧源水汽在大气水汽中的占比，定量评估了燃烧源水汽对于大气PM_2.5浓度的贡献。模拟结果表明，化石燃烧源水汽对于关中地区大气总PM_2.5平均贡献为2.8%，最高为8%（图3）；而对人为贡献的PM_2.5的占比平均为5.1%，最高为18.2%。  

　　 

　　图3 (a) 化石燃烧源水汽对于PM_2.5浓度贡献; (b) 化石燃烧源水汽对于PM_2.5浓度贡献百分比; (c) 化石燃烧源水汽对于关中盆地PM_2.5浓度贡献的空间分布; (d) 化石燃烧源水汽对于关中盆地PM_2.5浓度贡献比例的空间分布;

　　进一步对化石燃料燃烧的研究表明：产生同样热量前提下，燃烧天然气生成的水汽质量是烧煤生成水汽的近3倍。考虑到化石燃烧源水汽对于冬季霾污染中大气PM_2.5浓度增长难以忽略，因此大范围煤改气工程时应考虑化石燃烧源水汽排放增加的负面影响。在条件成熟时，未来仍需考虑电能或清洁能源的使用。  

　　该研究近日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）。论文第一作者为中科院地环所邢萌副研究员，安芷生院士、曹军骥研究员、鲍惠铭教授为论文的通讯作者。该研究受到了中科院B类战略先导专项、大气重污染成因与治理攻关项目、国家大气研究计划等项目的资助。

　　文章相关信息：DOI：https://doi.org/10.1073/pnas.1922840117