活性氮精准监测：WRF-CN-Chem模型实现氨排放与氮沉降的双向动态模拟

中山大学蔡锡填副教授课题组联合南京大学、香港科技大学（广州）等研究人员，在权威期刊“Journal of Geophysical Research: Atmospheres”上发表题为“Dynamic Modeling of Ammonia Emissions and Nitrogen Deposition via Online Coupling of WRF-Chem and Noah-MP-CN”研究成果。研究团队通过将陆面碳氮循环模型Noah-MP-CN与大气化学模式WRF-Chem进行在线耦合，成功研发了全新的WRF-CN-Chem模型，首次在区域尺度上实现了对氨排放和氮沉降过程的双向动态模拟。

研究背景

氨（NH₃）作为大气中最重要的碱性气体，其主要来自农业施肥与畜禽养殖活动。进入大气后，它会与二氧化硫、硝酸等酸性物质发生反应生成二次无机气溶胶——这正是推高PM2.5浓度的关键“隐形推手”。随后，这些含氮物质最终又会通过干、湿沉降回到地表，进入土壤，被植物吸收，或者再次挥发。

以往的研究与模型大多将视角集中在“农田氨排放”这一单一环节上。传统静态排放清单（如MEIC）往往将排放视为单向且固定的输入过程。然而，活性氮沉降到地面后会触发哪些后续效应？土壤在吸收沉降氮后，是否会发生二次释放？对植被生长又带来怎样的影响？这些一直是模拟研究中的盲区。

研究方法

针对这一缺口，研究团队构建了全新的WRF-CN-Chem模型，其核心创新是实现了两个方向上的"在线耦合"：

l 方向一 土壤→大气（动态氨排放）：模型中的Noah-MP-CN陆面模块内置了碳氮循环机制，能够依据土壤温度、湿度、分层深度、阳离子交换容量等实时变化的环境参数，逐小时计算出土壤氨挥发速率，并直接输入WRF-Chem作为排放源。同时，团队融入了涵盖5类主要作物、13种肥料类型的中国施肥数据集，结合作物日历驱动施肥过程，大幅提升了排放模拟的时空精度。

l 方向二 大气→土壤（氮沉降反馈）：WRF-Chem实时模拟生成的NH₃、NH₄⁺、NO₃⁻干湿沉降量，会被在线反馈至陆面模型的土壤铵态氮与硝态氮库中。沉降的氮素会进入新一轮的土壤氮循环。

与以往需要外部离线工具拼接的框架不同，这套双向交换完全在WRF框架内无缝完成，计算效率更高，时空分辨率也大幅提升。

核心发现

发现一：动态模拟更符合真实的排放规律。 相较于IASI卫星观测数据，动态模型对华北平原氨柱浓度时间变化趋势刻画显著优于静态清单，二者相关系数由0.80升至0.92。静态清单仅能做到月度尺度，那些因升温、降雨和集中施肥而激发的短期排放高峰被“抹平”；而动态模型则能敏锐捕捉这些瞬时脉冲。据该模型估算，2020年中国东部氨排放总量约为7.88 Tg N。

发现二：多达41%的氨排放源自“二次回流”。 敏感性试验结果表明，高达41%的氨排放可追溯至大气沉降氮回归土壤后的再次挥发——换言之，沉降的氮素中有相当一部分会重新排放。这一庞大的排放源项，在传统排放清单中长期被忽视。

发现三：氮沉降相当于对生态系统的“隐形施肥”。 通过关闭氮沉降反馈机制的对照实验发现，若没有大气氮沉降的持续补给，中国东部陆地净初级生产力（NPP）每年将减少2.25 Tg C。土壤氮库随之萎缩，植被的总初级生产力与叶面积指数也同步走低——大气氮沉降对维系农业生产力和生态系统活力，发挥着不容小觑的支撑作用。

研究意义

这项研究首次在区域尺度上实现了"排放—传输—沉降—再排放"的完整闭环，把陆面氮循环与大气化学真正打通。其价值至少体现在三方面：

l 科学认知层面：揭示了氨排放与氮沉降之间强烈的双向反馈，提醒我们不能再用"单向思维"理解氮循环；

l 减污降碳协同：氮沉降直接影响植被固碳能力，大气污染治理与陆地碳汇评估从此可以在同一框架下联动；

l 政策支撑层面：为评估深层施肥、优化化肥配比等农业管理措施的环境效应提供了有力工具，助力在保障粮食安全的同时管控氨污染。

大气氨通量监测设备

HT8700大气氨激光开路分析仪：该仪器采用开路式设计，免除了采样管路吸附导致的测量偏差，高频的输出完美适配涡动相关通量观测，整机功耗小，可由太阳能或蓄电池供电，适合在无电网的塔顶长期部署。目前该产品已在国内外多个通量观测站实现部署，服务于世界顶尖观测研究项目。

参考论文： Dynamic Modeling of Ammonia Emissions and Nitrogen Deposition via Online Coupling of WRF-Chem and Noah-MP-CN

https://doi.org/10.1029/2025JD044260