Nonlinear responses of particulate nitrate to NO_x emission controls in the megalopolises of China

Nitrate is an increasingly important component of fine particulate matter (PM2.5) in Chinese cities. The production of nitrate is not only related to the abundance of its precursor, but it is also supported by the atmospheric photochemical oxidants, raising a new challenge for the current emission control actions in China. This paper uses comprehensive measurements and a regional meteorology–chemistry model with optimized mechanisms to establish the nonlinear responses between particulate nitrate and the emission controls of nitrogen oxides (NOx) in the megalopolises of China. Nitrate is an essential component of PM2.5 in eastern China, accounting for 9.4 %–15.5 % and 11.5 %–32.1 % of the PM2.5 mass for the warm and cold seasons. The hypothetical NOx emission reduction scenarios (−10 % to −80 %) during summer–autumn result in almost linearly lower PM2.5 by −2.2 % in Beijing–Tianjin–Hebei (BTH) and −2.9 % in Yangtze River Delta (YRD) per 10 % reduction of NOx emissions, whereas they lead to a rather complicated response of PM components in winter. Wintertime nitrate is found to increase by +4.1 % in BTH and +5.1 % in YRD per 10 % reduction of NOx emissions, with nearly unchanged nitric acid (HNO3) and higher dinitrogen pentoxide (N2O5) intermediate products produced from the increased atmospheric oxidant levels. An inflexion point appears at 30 %–50 % NOx emission reduction, and a further reduction in NOx emissions is predicted to cause −10.5 % reduction of nitrate for BTH and −7.7 % for YRD per 10 % reduction of NOx emissions. In addition, the 2012–2016 NOx control strategy actually leads to no changes or even increases of nitrate in some areas (8.8 % in BTH and 14.4 % in YRD) during winter. Our results also emphasize that ammonia (NH3) and volatile organic compounds (VOCs) are effective in controlling nitrate pollution, whereas decreasing the sulfur dioxide (SO2) and NOx emissions may have counterintuitive effects on nitrate aerosols. This paper helps understand the nonlinear aerosol and photochemistry feedbacks and defines the effectiveness of proposed mitigations for the increasingly serious nitrate pollution in China.

Measurement report: Vertical distribution of biogenic and anthropogenic secondary organic aerosols in the urban boundary layer over Beijing during late summer

Secondary organic aerosol (SOA) plays a significant role in atmospheric chemistry. However, little is known about the vertical profiles of SOA in the urban boundary layer (UBL). This knowledge gap constrains the SOA simulation in chemical transport models. Here, the aerosol samples were synchronously collected at 8, 120, and 260 m based on a 325 m meteorological tower in Beijing from 15 August to 10 September 2015. Strict emission controls were implemented during this period for the 2015 China Victory Day parade. Here, we observed that the total concentration of biogenic SOA tracers increased with height. The fraction of SOA from isoprene oxidation increased with height, whereas the fractions of SOA from monoterpenes and sesquiterpenes decreased, and 2,3-dihydroxy-4-oxopentanoic acid (DHOPA), a tracer of anthropogenic SOA from toluene oxidation, also increased with height. The complicated vertical profiles of SOA tracers highlighted the need to characterize SOA within the UBL. The mass concentration of estimated secondary organic carbon (SOC) ranged from 341 to 673 ng C m−3. The increase in the estimated SOC fractions from isoprene and toluene with height was found to be more related to regional transport, whereas the decrease in the estimated SOC from monoterpenes and sesquiterpene with height was more subject to local emissions. Emission controls during the parade reduced SOC by 4 %–35 %, with toluene SOC decreasing more than the other SOC. This study demonstrates that vertical distributions of SOA within the UBL are complex, and the vertical profiles of SOA concentrations and sources should be considered in field and modeling studies in the future.

Assessment of strict autumn-winter emission controls on air quality in the Beijing-Tianjin-Hebei region

Strict seasonal emission controls are a popular measure in China for addressing severe air pollution, in particular fine particulate matter (PM2.5). Here we evaluate the efficacy of these measures, with a particular focus on the strict emission controls imposed on pollution sources in 28 cities in and around the Beijing-Tianjin-Hebei region (BTH) in autumn-winter 2017/2018. For this we use the GEOS-Chem chemical transport model and air pollutant measurements from the national and Beijing local monitoring networks, after evaluating the network data with independent measurements and correcting large biases in the bottom-up emissions inventory. The network measurements are temporally consistent (r > 0.9 for PM2.5 and r > 0.7 for gases) with the independent measurements, though with systematic differences of 5–17 % for nitrogen dioxide (NO2) and 16–28 % for carbon monoxide (CO). The average decrease in monitoring network PM2.5 in BTH in autumn-winter 2017/2018 relative to the previous year is 27 %, declining from 103 to 75 µg m−3. The regional decline in PM2.5 in the model is 20 %, exceeding the regional target of 15 %. According to the model, pollution control measures led to decline in PM2.5 precursor emissions of 0.27 Tg NOx (as NO), 0.66 Tg sulfur dioxide (SO2), 70 Gg organic carbon (OC), and 50 Gg black carbon (BC). We find though that these alone only lead to an 8 % decline in PM2.5 and that interannual variability in meteorology accounts for more than half (57 %) the decline. This demonstrates that year-on-year comparisons are misleading for assessing the efficacy of air pollution measures and should be taken into consideration when extending such measures beyond BTH.

Nonlinear responses of particulate nitrate to NO_x emission controls in the megalopolises of China

Nitrate is an increasingly important component of fine particulate matter (PM2.5) in Chinese cities. The production of nitrate is not only related to the abundance of its precursor, but also supported by atmospheric photochemical oxidants. The control of nitrogen oxides (NOx) emissions may thereby lead to nonlinear changes of nitrate concentrations, raising a new challenge to the current emission control actions in China. This paper uses comprehensive measurements and a regional meteorology-chemistry model with optimized mechanisms to establish the nonlinear responses between particulate nitrate and NOx emission controls in the megalopolises of China. Nitrate is an essential component of PM2.5 in eastern China, accounting for 9.4–15.5 % and 11.5–32.1 % of the PM2.5 mass for the warm and cold seasons. The hypothetical NOx emission reduction scenarios (−10 %~−80 %) during summer-autumn result in almost linearly lower PM2.5 by −2.65 % in Beijing-Tianjin-Hebei (BTH) and −2.79 % in Yangtze River Delta (YRD) per 10 % cut of NOx emissions, whereas they increase the oxidant levels and lead to a rather complicated response of PM components in winter. Wintertime nitrate is found to increase by 4.28 % in BTH and 4.60 % in YRD, with higher dinitrogen pentoxide (N2O5) intermediate products produced from increased ozone introduced by lower NOx emissions. An inflexion point appears at 40–50 % NOx emission reduction, and a further cut in NOx emission is predicted to cause −8.74 % reduction of nitrate for BTH and −10.59 % for YRD per 10 % cut of NOx emissions. In addition, the 2012–2016 NOx control strategy actually leads to no change or even increase of nitrate in some areas (8.82 % in BTH and 14.41 % in YRD) during winter. This paper helps understand the nonlinear aerosol and photochemistry feedbacks, and defines the effectiveness of proposed mitigations for the increasingly serious nitrate pollution in China.

Theoretical and experimental investigation of the effects of hydrogenated vegetable oils on the functional characteristics and emission controls of internal combustion engines

Η αυξανόμενη ζήτηση των ορυκτών καυσίμων, η σταδιακή αύξηση των τιμών τους και η ανάγκη μείωσης των εκπομπών του θερμοκηπίου έχουν οδηγήσει στη διερεύνηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Τα βιοκαύσιμα έχουν τραβήξει αρκετό ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες γιατί είναι ανανεώσιμα, βιοδιασπώμενα και μη τοξικά. Τα υδρογονωμένα λάδια (HVO), είναι δεύτερης γενιάς βιοκαύσιμα παραφίνικης φύσης και παράγονται από διαφόρων τύπων φυτικά λάδια. Το κύριο αντικείμενο της συγκεκριμένης διατριβής είναι η διερεύνηση της ρύθμισης ενός υπερτροφοδοτούμενου ντίζελ κινητήρα στοχεύοντας τη βελτίωση της απόδοσης, της μείωσης των εκπομπών (soot, NOx και CO2) καθώς και της κατανάλωσης καυσίμου όταν λειτουργεί με HVO. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, θα μπορούσε να επιτευχθεί μείωση των εκπομπών του κινητήρα με το HVO εάν ρυθμιστεί κατάλληλα η λειτουργία του. Για αυτό το λόγο, μελετήθηκαν διάφορες στρατηγικές ρύθμισης του κινητήρα όταν λειτουργεί με HVO. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η επίδραση του χρονισμού έγχυσης (IT) (είτε μόνο της κύριας, είτε μόνο της προ-έγχυσης είτε η ταυτόχρονη ρύθμιση και των δύο), του συστήματος ανακυκλοφορίας καυσαερίων EGR (ψυχρού και θερμού τύπου), της πίεσης έγχυσης και ο συνδυασμός του EGR και του χρονισμού της κύριας έγχυσης σε δύο ελαφριού τύπου κινητήρες προδιαγραφών Euro 4 και 5. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι παράμετροι που ασκούν τη μεγαλύτερη επίδραση στις εκπομπές και στη κατανάλωση καυσίμου είναι ο χρονισμός έγχυσης και το σύστημα EGR. Στο επόμενο στάδιο, σχεδιάστηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης της καύσης του κινητήρα Euro 5, βασισμένο στις πειραματικές μετρήσεις, με στόχο τη μελέτη της επίδρασης του χρονισμού έγχυσης και του EGR, σε όλο το εύρος λειτουργίας του κινητήρα, στοχεύοντας τη μείωση των εκπομπών και της κατανάλωσης καυσίμου. Με βάση το μοντέλο, δημιουργήθηκαν τέσσερις εναλλακτικοί χάρτες λειτουργίας για το χρονισμό έγχυσης και το EGR σε διάφορους πιθανούς συνδυασμούς. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, επιβραδύνοντας το χρονισμό έγχυσης και αυξάνοντας το ποσοστό του EGR, με τη χρήση του HVO, επιτυγχάνεται ταυτόχρονη μείωση των εκπεμπόμενων σωματιδίων και των NOx του κινητήρα. Η μελέτη ενισχύθηκε επιπλέον με τη δημιουργία ενός μοντέλου προσομοίωσης αυτοκινήτου που λειτουργεί με το κινητήρα Euro 5, με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης των εναλλακτικών ρυθμίσεων του κινητήρα, με το HVO καύσιμο, στις εκπομπές CO2 και στη κατανάλωση καυσίμου, κατά τον Ευρωπαϊκό κύκλο οδήγησης NEDC και την παγκοσμίως εναρμονισμένη διαδικασία δοκιμής ελαφρών οχημάτων (WLTP). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η στρατηγική “κλειδί” για το HVO καύσιμο, είναι η συνδυαστική ρύθμιση του χρονισμού έγχυσης και του συστήματος EGR. Σύμφωνα με αυτή τη στρατηγική, παρατηρήθηκε 1.6% χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου κατά των κύκλο οδήγησης NEDC και 2.9% κατά των WLTP και επίσης μείωση των εκπομπών CO2, 1.8% κατά των NEDC και 3.1% κατά των WLTP, με το HVO συγκριτικά με το εμπορικό ντίζελ κίνησης (στις εργοστασιακές ρυθμίσεις του κινητήρα). Με βάση τα αποτελέσματα, αποδεικνύεται ότι ρυθμίζοντας κατάλληλα το χρονισμό έγχυσης και το EGR με το HVO καύσιμο, βελτιώνεται η απόδοση του κινητήρα και μειώνονται οι εκπομπές του. Η συγκεκριμένη μελέτη, θέτει τις βάσεις και δείχνει την κατεύθυνση για περεταίρω έρευνα με στόχο την πλήρη βελτιστοποίηση ενός κινητήρα που θα λειτουργεί με HVO καύσιμο.