第一代针对中国复合污染的大气化学新机理MAX1

大气中臭氧（O₃）和二次有机气溶胶（SOA）等二次污染物并非直接排放，而是由氮氧化物（NOx）、挥发性有机物（VOCs）等在复杂非线性化学反应作用下生成，其生消过程受环境污染物丰度和气象条件的精细调控。准确刻画这些复杂化学过程，是深入认识二次污染成因、提升空气质量模拟与预报能力的核心科学问题。然而，现有部分大气化学机理在描述不同排放情景下的自由基化学过程时仍存在明显不足，尤其是在低NOx条件下，对HOx 自由基循环、有机过氧自由基（RO₂）转化以及多相化学过程的刻画能力有限，制约了二次污染物生成机制的定量解析。针对这一关键科学瓶颈，臭氧实验室陆克定教授团队围绕不同 NOx环境下臭氧与自由基化学的协同演化，持续开展系统性机制研发工作。

近日，陆克定教授研究团队成功研发了新一代“复合污染大气化学机理”（Mechanism for Air pollution compleX version 1.0, MAX1）。MAX1机制以详尽描述对流层化学过程为核心，纳入了940种化学反应，包括光解反应、气相反应以及非均相反应，构建了一个能够细致刻画大气化学过程的“数字实验室”。该机制特别强化了对氯化学、Criegee中间体化学以及HO₂和N₂O₅的非均相摄取等关键且前沿化学过程的表征与更新。

为系统评估MAX1机理的模拟性能与适用性，研究团队分别基于盒子模型（Box Model）和化学传输模型（Chemical Transport Model, CTM），从机理对比、情景覆盖和尺度一致性等多个维度开展了严格验证。评估结果表明，在与两种国际上广泛应用的集总化学机理的对比中，MAX1在整个NOx浓度范围内，对臭氧、二次污染物及HOx自由基的模拟均表现出显著改进，尤其在低NOx条件下，对OH自由基浓度的模拟明显增强，更加接近实际观测水平，显著改善了现有机理长期存在的系统性低估问题。

图1：MAX1和其他机理OH、HO₂和O₃的模拟情况与实测结果对比

进一步与当前国际上详细化学机制MCM v3.3.1 进行对比，MAX1在保持高物理化学一致性的同时，模拟结果与MCM的偏差更小，整体性能更优。在全球尺度的模拟应用中，无论是在陆地、海洋、雨林还是城市等多种典型下垫面与排放情景下，MAX1均能够稳定、准确地再现臭氧和OH自由基的空间分布与变化特征。值得强调的是，MAX1在显著提升模拟精度的同时，有效控制了计算复杂度，使其既适用于高精度盒子模型和过程机理研究，也具备直接嵌入区域乃至全球气候—化学模式开展长期模拟的计算可行性，为大气化学研究与业务化空气质量预报提供了兼具科学深度与工程可用性的全新选择。

图2： MAX1与CBMZ机理的全球O₃和OH模拟结果比较

依托其高化学分辨率和良好的适用性，MAX1不仅能够更准确地模拟不同NOx条件下臭氧和二次PM_2.5的生成特征，还可深入解析有机过氧自由基等关键中间体的反应路径与转化效率，为揭示二次污染形成的微观化学机制提供坚实支撑。该成果为开展化学机制对比研究、复杂大气化学过程精细化模拟提供了可靠工具，也有望在空气质量精准预报、污染成因诊断及气候变化相关研究中发挥重要作用。

相关研究成果以 “Development and Evaluation of Mechanism for Air pollution compleX Version 1.0 (MAX1)”为题，于2025年8月19日在线发表于《Advances in Atmospheric Sciences》。北京大学环境科学与工程学院刘妍慧博士后为论文第一作者，陆克定教授与周厚华博士生为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22325601、92044302、42377105）以及国家重大科技基础设施项目“地球系统科学数值模拟设备”等的联合资助。

论文链接：https://www.iapjournals.ac.cn/aas/article/doi/10.1007/s00376-025-4456-z