庐山云雾水的离子组成及来源分析

摘要

云雨一直是国际研究的热点问题，云雾的酸化是导致酸雨产生的主要过程之一，为了解云雾污染的过程和机理，本研究选择位于我国南部重酸雨区的庐山作为采样点，进行云雾化学观测，研究我国高山云雾的离子组成特征、污染物来源及输送态势，对研究我国酸雨的产生和整个东亚地区污染物传输具有十分重要的意义。
　　 于2011年8～9月和2012年3～5月，分夏季和春季两期对庐山云雾水进行化学观测。观测期间，共采集云雾水样品141个，测定和分析项目包括pH值、电导率、主要水溶性阴阳离子（F-，Cl-，NO3-，SO42-，NH4+，K+，Na+，Ca2+，Mg2+）和有机酸（甲酸、乙酸、草酸、乳酸、丙酸、丁酸和甲烷磺酸）共18个指标，分析云雾水的基本化学特征，利用混合型单粒子拉格朗日轨迹模式模拟每个云雾水样品发生时的气团运动方式，分析不同来向和运动路径的气团对云雾水离子组成的影响。
　　 研究结果表明，庐山夏季和春季云雾水pH的加权平均值分别为3.69和3.90，受春季沙尘天气及降雨量的影响，春季云雾水酸度及重酸性云雾频率明显低于夏季。总的来说，庐山云雾水酸度较强，云雾水pH范围在2.75～5.84之间，加权平均值为3.79，酸性云雾发生频繁。庐山春季云雾水pH值在25年间降低了1.49，云雾水酸度呈逐年升高的趋势。与国内站点相比，庐山云雾酸度稍高于华北地区的泰山站点，与华南地区的衡山站点十分接近。与国外的观测结果相比，本次观测的结果较亚洲其它地区酸度相对偏高，且覆盖范围更宽，较美国、加拿大和意大利等国家酸度相对偏低。
　　 庐山云雾水中最主要的四种离子分别为SO42-、NH4+、NO3-和Ca2+，离子浓度分别为359.53μeq/l、288.73μeq/l、193.00μeq/l和63.08μeq/l，占总离子浓度的76％。相较于春季云雾水(11460.97μeq/l)，夏季云雾水的总离子浓度更高，为1400.54μeq/l，但春季云雾水的总离子浓度范围更大，最大值和最小值相差70多倍。分析各离子占总离子浓度的比例，发现SO42-和NO3-在春季云雾水中所占的比例明显高于夏季，其它离子如NO3-、Ca2+、Na+、Cl-、F-、Mg2+则均略低于夏季。云雾水中的SO42-为最主要的致酸因子，云雾水中63％的酸度来自SO42-，通过非海盐硫酸盐计算，总硫酸根中99.24％为非海盐硫酸根类，说明庐山上的SO42-主要来源于人为污染。庐山云雾水的SO42-/NO3-为1.86，近25年有所增加。NH4+为云雾水中最主要的中和因子，占总阳离子浓度的51.26％，可中和云雾水中55％的酸度，其次为Ca2+可中和云雾水中11％的酸度。云雾水的主要致酸因子SO42-、NO3-和中和因子Ca2+、NH4+之间存在很高的相关性，酸度的中和分析表明，庐山云雾水中32％的酸度未被中和，未中和比例较高。云雾水中有机酸以甲酸、草酸和乙酸为主，云雾水的中3％的酸度来自这三种有机酸，甲酸和乙酸主要来源于植物排放，草酸与SO42-具有相对较好的相关性，受人为影响明显。Mg2+受海洋影响明显，平均有66.95％成分来自海洋，但是标准偏差较大，说明Mg2+来源较为复杂且变化性较强。与全球其他高山站点相比，庐山云雾水中SO42-低于其他大部分站点，而NO3-与其他站点相比，没有表现出明显降低;云雾水Na+和Cl-浓度与美国站点更为接近;除庐山外，其他站点的云雾水铵钙比均大于1，而庐山站点的铵钙比呈逐年上升的趋势，1987年、1993年和2011～2012年分别为0.23、1.14和4.53。
　　 云雾过程中，主要离子浓度在采样前期、中期和后期存在明显差异，分析发现SO42-、NH4+主要存在于小颗粒上，NO3-更倾向于存在大颗粒上，Ca2+表征土壤沙尘，其在云雾过程中离子浓度以及占总离子浓度的比例变化均不明显，说明云雾过程中土壤沙尘对云雾的影响较为稳定。因子分析发现，庐山云雾水的离子浓度主要受人为源和土壤沙尘的影响。海洋源除携带主要的海洋离子外，其他离子浓度较小，相对较清洁，因子分析中夏季云雾水可以很好的解析出海洋源的影响。
　　 根据后退气流轨迹分析可以将云雾气团划分六类，来自于我国北部、西北部地区，经过我国的北部地区传输至庐山的气团所带来的云雾离子浓度最高，酸度偏高，相对其他气团Ca2+在总离子浓度中所占的比例最大;来自东北亚地区，经过朝鲜半岛、韩国或我国沿海地区及华北、华东地区传输到达庐山的气团所带来的云雾离子浓度较高，海洋离子Na+和Cl-浓度最高;来自于我国东部沿海，途中可能受来自日本的污染物影响，经上海、杭州等地向西运动到达庐山的气团所带来的云雾酸度最高;来自于我国南部、南部沿海或东南亚的某些国家，经过华南地区到达庐山的气团所带来的云雾酸度最小，离子浓度相对其他气团偏小;来自于东南亚地区，向东北移动到达庐山的气团所带来的云雾酸度较高;传输过程中发生回旋，多在江西当地或者周边省份传输的局地气团所带来的云雾最为清洁，离子浓度最低。
　　 总之，近25年云雾酸度大幅上升，庐山云雾已受到人为活动的严重影响，加快了该地区的降水酸化趋势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 国内外研究进展

1．1．1 国外研究进展

1．1．2 国内研究进展

1．1．3 存在的问题

1．2 研究的内容和创新点

1．2．1 研究的主要内容

1．2．2 研究的主要特色和创新

1．3 本研究的意义

第2章 实验及采样方法

2．1 采样

2．1．1 观测站点

2．1．2 采样仪器

2．1．3 采样时间

2．2 预处理和化学分析方法

2．2．1 PH、EC检测及样品的处理

2．2．2 化学分析

2．3 数据处理

2．3．1 浓度数据处理

2．3．2 自由酸度计算

2．3．3 云雾液态水含量计算

2．3．4 相关性分析

2．3．5 因子分析

2．3．6 后推气流轨迹分析

2．4 数据质量控制与质量保证

第3章 云雾基本化学特征分析

3．1 庐山云雾水酸度

3．1．1 夏季云雾水pH值分布

3．1．2 春季云雾pH值分布

3．1．3 pH值的变化趋势

3．1．3 庐山云雾水酸度与国内外其他站点比较

3．2 庐山云雾水离子组成

3．2．1 夏季云雾水基本离子分布

3．2．2 春季云雾水基本离子分布

3．2．3 庐山基本离子分布特征

3．2．2 各种离子的含量特征

3．2．3 各种离子间相关性分析

3．2．4 云雾过程中主要离子的浓度变化特征

3．2．5 液态水含量(LWC)对云雾水离子浓度的影响

3．2．6 庐山云雾水的化学组成与全球其他站点比较

第4章 云雾水的致酸和中和因子

4．1 云雾水的相对酸度及致酸因子

4．2 云雾水中的中和因子及其贡献

4．3 致酸因子和中和因子的关系

第5章 主因子分析

5．1 因子分析检验

5．2 夏季云雾水因子分析

5．2 春季云雾水因子分析

5．3 庐山云雾水中主要离子的来源分析

第6章 后退气流轨迹分析

6．1 后退气流轨迹

6．2 气团来向对云雾水污染程度的影响

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢