Modeling the Oxygen Isotope Anomaly (Δ17O) of Reactive Nitrogen in the Community Multiscale Air Quality Model: Insights into Nitrogen Oxide Chemistry in the Northeastern United States

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作者
Wendell W. Walters,Havala O. T. Pye,Heejeong Kim,Meredith G. Hastings
标识
DOI:10.1021/acsestair.3c00056
摘要

Atmospheric nitrate, including nitric acid (HNO3), particulate nitrate (pNO3), and organic nitrate (RONO2), is a key atmosphere component with implications for air quality, nutrient deposition, and climate. However, accurately representing atmospheric nitrate concentrations within atmospheric chemistry models is a persistent challenge. A contributing factor to this challenge is the intricate chemical transformations involving HNO3 formation, which can be difficult for models to replicate. Here, we present a novel model framework that utilizes the oxygen stable isotope anomaly (Δ17O) to quantitatively depict ozone (O3) involvement in precursor nitrogen oxides NOx=NO+NO2 photochemical cycling and HNO3 formation. This framework has been integrated into the US EPA Community Multiscale Air Quality (CMAQ) modeling system to facilitate a comprehensive assessment of NO x oxidation and HNO3 formation. In application across the northeastern US, the model Δ17O compares well with recently conducted diurnal Δ17O(NO2) and spatiotemporal Δ17O(HNO3) observations, with a root mean square error between model and observations of 2.6 ‰ for Δ17O(HNO3). The model indicates the major formation pathways of annual HNO3 production within the northeastern US are NO+OH (46 %), N2O5 hydrolysis (34 %), and organic nitrate hydrolysis (12 %). This model can evaluate NO x chemistry in CMAQ in future air quality and deposition studies involving reactive nitrogen.

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