廬山三級分檔霧水化學特征的對比分析

張鴻偉,樊曙先*,胡春陽,3,朱丹丹,康博識

廬山三級分檔霧水化學特征的對比分析

張鴻偉1,2,樊曙先1,2*,胡春陽1,2,3,朱丹丹1,2,康博識4

(1.南京信息工程大學,大氣環境與裝備技術協同創新中心,中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇 南京 210044；3.中國人民解放軍94582部隊 確山 463217；4.遼寧省氣象裝備保障中心,遼寧 沈陽 110000)

為研究廬山冬季不同粒徑霧滴化學成分特征,于2015年和2016年在廬山開展冬季云霧物理化學特征的很高綜合觀測實驗,利用主動式分檔霧水采集器(three-stage CASCC)共采集44組3級粒徑霧滴的霧水樣品,其分檔空氣動力學直徑為4~16μm(S3級),16~22μm(S2級)和>22μm(S1級).用850professional IC型色譜儀(瑞士萬通)分析霧水中的水溶性離子濃度,討論3級分檔霧水化學特征和不同粒徑霧水中各離子組分的來源及相關性.結果表明,2015年和2016年廬山冬季3級霧水多呈酸性,2016年酸性更強,pH值與霧滴的粒徑大小有依賴性關系,4~16μm的小霧滴酸性更強.霧水中主要離子有Ca2+,NH4+,SO42-,NO3-和Cl-.NH4+,SO42-,NO3-主要集中在4~16μm的小霧滴中,受海洋和土壤源的影響比較小,主要是人為活動所導致,2015年霧水Cl-主要受人為源的影響,2016年人為輸入顯著降低,主要受海洋源影響.Mg2+,Ca2+主要集中在>22μm的大霧滴中.SO2、NO排放逐年降低導致2016年霧水中SO42-和NO3-濃度明顯小于2015年.

廬山；三級分檔霧水；化學特征

霧是由大量懸浮在近地層空氣中的小水滴和氣溶膠粒子組成的氣溶膠系統[1].與云相似,霧對氣溶膠粒子和微量氣體的輸送有重要影響[2-3],霧作為氣溶膠的一種特殊狀態,可以促進大氣顆粒物和可溶性氣體向液相轉化[4-5],霧滴的初始物理和化學性質取決于云凝結核(CCN)大小和化學組成.在云的演化過程中,可溶性氣體和非活性氣溶膠的清除、水相反應和氣象條件對云的物理化學特性有很大影響[6-8].一般認為導致雨水和云水酸化的機制也應存在于霧水中[9].

霧滴被認為是大氣化學的微型反應器,中外學者通過大量觀測實驗對霧水的化學成分、霧滴的形成、氣溶膠與云霧之間的相互作用以及霧滴中的液相反應進行了深入研究[10-14].20世紀80年代以來我國學者主要在城市、高山和海邊[15-17]廣泛開展霧的觀測試驗和云霧水的取樣分析,研究了不同地區霧水化學組分的基本特征,進一步認識了云霧水化學特征及其微物理結構的關系.國外對分檔霧水的研究開始較早. Moore等[18]對Whiteface Moutain分檔霧水研究發現,小霧滴比大霧滴酸性更強,Raja等[19]在Houston和Baton Rouge的研究中也得出了類似的結論.目前國內關于霧水化學的分級研究較少.孫玉等[20],康博識等[21]對南京冬季三級分檔霧水研究發現,霧水中的離子組分與霧滴大小密切相關,大霧滴中往往含有更高的礦物成分(Mg2+和Ca2+),NH4+、SO42-和NO3-主要集中在小霧滴中.由于不同粒徑霧滴中化學成分不同,導致霧水pH值和電導率(EC)有很大差異[22-23].研究表明可溶性氣體吸收、氣溶膠的清除、凝結增長過程和霧滴沉降速率等都存在尺度依賴性變化[24].因而,要反映這種新特征并探究霧微物理結構和大氣污染物之間的相互作用,必須設立外場觀測點,采集不同大小粒徑的霧滴,對霧水的化學特征進行分檔研究.

國內對高海拔地區分檔霧水研究較少.本文通過2015年和2016年冬季在廬山開展的觀測實驗,討論廬山3級分檔霧水的化學特征,探究廬山冬季不同粒徑霧水化學成分的差異.通過對比分析2a分檔霧水化學特征的差異,為大氣污染治理的效果評估提供科學依據.

1 采樣與方法

1.1 研究區域

廬山位于江西省九江市,東靠鄱陽湖,西鄰京九鐵路大動脈,北近長江,局地污染源少,臨近武漢和南昌等大中型城市.廬山處于亞熱帶濕潤季風區,雨量充沛,年降水量可達2000mm,而山下的九江則為1400mm左右,水汽條件充分,多云霧.觀測點設立在廬山北面的廬山氣象站內(海拔1165m,15.99°E, 29.58°N).

1.2 樣品采集與分析

用主動式分檔霧水采集器(three-stage CASCC),在2015年和2016年廬山冬季共收集44組3級粒徑霧滴的霧水樣品,其分檔的空氣動力學直徑為4~16μm(S3級),16~22μm(S2級)和>22μm(S1級).采樣器對霧滴的采集效率為50%.其原理是通過后方引風機轉動抽氣,霧氣進入采樣器,其3級射流沖擊傳遞的加速度使不同粒徑霧滴在通過3個等級時先后發生碰撞而分離.采樣前,對采集器與聚乙烯收集瓶進行離子水清洗并干燥.

樣品采集后立即使用DDS-11A數顯電導率儀和瑞士萬通Metrohm 827臺式pH計(上海雷磁創益)測量霧水電導率和pH值,錫箔紙包裹冷凍保存.樣品經0.45μm水系濾膜過濾后用850professional IC型色譜儀器(瑞士萬通)測量水溶性離子:Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO2-、NO3-和SO42-.陽離子分析柱型號為,Metrosep C6-150;陰離子分析柱型號為Metrosep A Supp 16-250.淋洗條件:陰離子,3.2mmol/L Na2CO3+1.0mmol/L NaHCO3;陽離子,4mmol/L硝酸,淋洗液流速:陰離子0.7mL/min;陽離子0.9mL/min.柱溫:40℃,定量環體積100μL.

1.3 實驗方法

1.3.1 來源分析 富集因子法是分析環境污染程度和污染物來源的有效方法,主要利用霧水組分中離子濃度比例與選定參考離子濃度比例來分析霧水中各種離子來源信息.Ca2+作為土壤參比元素被廣泛應用于降雨、土壤、降塵等中[25-26],Na+作為海洋源參考元素[27].計算公式為:

EF(x)海水=[/Na+]霧水/[/Na+]海水(1)

EF(x)土壤=[/Ca2+]霧水/[/Ca2+]土壤(2)

式中:EF為富集因子指數;[/Na+]霧水為霧水中離子與參考元素Na+的濃度比;[/Na+]海水為海水元素與參考元素Na+的濃度比;[/Ca2+]霧水為霧水離子與參考元素Ca2+的濃度比;[/Ca2+]土壤為土壤離子與參考元素Ca2+的濃度比.根據EF大小,可將離子富集程度分為3個等級:EF<10輕度富集;10500嚴重富集.

為表示不同源對霧水中各離子組分的影響,分析不同源對霧水中各離子的相對貢獻,計算公式為:

SF=[/Na+]海水′100%/[/Na+]霧水(3)

CF=[/Ca2+]土壤′100%/[/Ca2+]霧水(4)

AF=100- SF- CF(5)

式中:SF表示海洋源對霧水中各離子的相對貢獻;CF表示自然源對霧水中各離子的相對貢獻;AF表示人為源對霧水中各離子的相對貢獻.

1.3.2 致酸及中和因子 霧水酸度主要是由HNO3和H2SO4引起,通常將NO3-和SO42-作為主要致酸離子[28].Balasubramanian等[29]提出相對酸度(FA)來評價降水酸度中和程度,如下式:

FA=[H+]/([SO42-]+[NO3-]) (6)

式中:[H+]、[SO42-]和[NO3-]是對應離子濃度(μeq/L).不同學者提出其他參量方法來判斷霧水的酸性程度. Hara等[30]提出了定量指標pAi,表示大氣液態水中硫酸型和含氮酸性物質沒有發生中和時假定的pH值,與pH值不同的是該指數只考慮酸性物質,計算公式為:

致歉也存在正式與不正式的區別，不正式致歉通常是用在親朋好友、愛人、熟人之間，它的目標用來消除誤解，解除隔閡。正式的致歉通常用在國家和國家間，媒體和大眾間。例如：波蘭總統通過媒體，向遭受迫害的猶太人致歉。

pAi=-lg[SO42-+NO3-] (7)

高濃度的堿性物質對霧水中酸性物質有明顯中和作用.為了評估堿性物質對酸度的中和作用,Ali等[31]定義中和因子NF,公式為:

NF=[]/([SO42-]+[NO3-]) (8)

式中:為需要評價的陽離子.用對霧水pH值影響較大的離子,Tsuruta等[32]提出酸化潛勢AP([SO42-]+ [NO3-])和中和潛勢NP([NH4+]+[Ca2+]).

1.4 數據分析與質量控制

表1是各離子的檢出限和檢測下限,實驗分析中所有標準曲線的線性回歸方程相關系數均大于0.999,精密度均小于5%,加標回收率在89.8%~ 114.1%.數據采用Microsoft Excel 2010統計整理,Origin 2017作圖,IBM SPSS statistics 20進行相關性和差異性分析.各指標組間差異采用檢驗法進行統計,統計檢驗水準<0.05時差異具有顯著統計學意義,<0.01時差異極顯著.

表1 離子檢出限和檢測下限

2 結果與討論

2.1 pH值與電導率

2015年和2016年冬季廬山霧水pH值(圖1)平均值分別為5.0和4.6,呈酸性.對比2015年大霧滴(S1級)和小霧滴(S3級)的pH值發現,小霧滴<大霧滴的pH值樣品數占總樣品的80.9%,大霧滴、中霧滴(S2級)和小霧滴pH值的均值分別為5.22,5.42, 4.72.2016年小霧滴<大霧滴的pH值樣品數占總樣品的73.9%,大霧滴,中霧滴和小霧滴的pH值均值分別為4.59,4.66和4.40.霧水pH值與霧滴粒徑大小有依賴性關系,中霧滴的pH值最大,小霧滴的pH值最小,小霧滴酸性更強.pH值是霧水中酸性和堿性物質共同作用的結果,這些物質受CCN的大小及初始化學成分、環境條件和排放源等因素的影響.

2015年冬季廬山霧水EC在26.5~267μS/cm之間,相比較pH值其在不同粒徑之間變化差異更明.EC與TIC變化趨勢一致(圖2).對比不同樣品組數TIC,發現第一次霧過程(1~13組)中,第1、6、10、13組霧水TIC明顯高于其他組.通過采樣時間發現1、6、10、13組霧水樣品都是在夜間采集,第二次霧過程(14~21組)TIC極大值(16、17組)同樣發生在夜間.2016年冬季廬山霧水電導率在17.3~191.7μS/ cm之間,平均值為70.6μS/cm,低于2015年霧水(95.8μS/cm),對比2a霧水的TIC,2016年霧水明顯低于2015年.霧水中的化學組分是霧在生成和演變過程中,對大氣中微量氣體和氣溶膠粒子吸收和清除的結果,因此受霧區的環境及霧演變過程中的宏觀過程所控制[33].日落以后地表發射長波輻射,地面很快降溫并通過湍流輸送冷卻近地層空氣,隨時間逐漸發展成逆溫層,大氣中各種成分不易向外擴散,污染物形成積累,霧滴容易吸附更多的化學組分,導致霧水離子濃度增高.

2.2 三級分檔霧水中陰、陽離子組分特征的對比

圖3是2015年和2016年廬山3級分檔霧水各離子濃度占TIC的比例,廬山冬季霧水主要離子有Ca2+、NH4+、SO42-、NO3-和Cl-,[Ca2++NH4++SO42-+ NO3-+Cl-]分別占2015和2016年TIC的90.8%和91.5%.NH4+是最豐富的陽離子,對云霧水中酸性物質起重要中和作用.NH4+一般來源于廢棄物和土壤腐殖質的氨化、土壤氨基肥料等生物源以及工業排放,廬山周圍有大量的農田和樹木,氨基肥料的使用和廢棄物、土壤腐殖質的氨化是廬山霧水中NH4+主要來源.

圖3 2015年和2016年廬山3級分檔霧水各離子濃度占總離子濃度的比例

圖4給出了2015年和2016年廬山3級分檔霧水陰、陽離子濃度,2015年廬山霧水中最豐富的陰離子是SO42-,大霧滴(>22μm,S1級),中霧滴(16~ 22μm,S2級)和小霧滴(4~16μm,S3級)的平均濃度分別為400.5,384.3和432.2μeq/L,2016年霧水最豐富的陰離子是NO3-.Ca2+是霧水中另一重要的陽離子,2a平均濃度分別為153.5和96.0μeq/L.SO42-除土壤中有機物、動物和廢棄物的分解外,主要來源于煤炭燃燒排放的顆粒物和SO2的轉化.NO3-主要受工業和交通排放的影響.廬山被城鎮和高速公路環繞,冬季相對于其他季節降水過程不頻繁,對污染物清除較少,城鎮工業活動和高速公路上汽車的排放是廬山NO3-和SO42-的主要來源.除上述排放源外,氣溶膠的長距離輸送也是影響霧水化學成分的主要因素.Ca2+主要來自于土壤,與泰山云霧水[34]中Ca2+(180.7μeq/L)相比,廬山相對較低.泰山位于我國沙塵頻發的華北地區,廬山位于我國中南地區,僅個別較強的沙塵天氣會對廬山云霧造成暫時的影響.采樣期間霧水中Ca2+主要受當地氣候和土壤的影響.

上邊緣和下邊緣分別為最大值和最小值箱內的點和橫線表示平均值和中位數

相對變率表示各離子濃度在2015~2016年間的相對變化.圖5是2015年和2016年廬山3級分檔霧水中離子濃度的相對變率.從圖5看出, 2015~2016年,大霧滴(S1級)中除Na+外其他離子都呈下降趨勢,中霧滴(S2級)中Mg2+增加22.2%,小霧滴(S3級)中Ca2+和NH4+分別增加21.5%和26.9%.SO42-和NO3-在每一級中都在減少,其中大霧滴中減少最多(分別減少31.2%和24.2%).原因是近年來中國政府對SO2、NO等污染氣體排放進行嚴格控制,即大氣中硫酸鹽和硝酸鹽反應前體物減少.江西省生態環境廳數據[35-36]顯示,九江市2015年SO2、NO排放總量分別為80kt和74.3kt,2016年SO2、NO排放總量分別30kt和50kt萬噸.2015~2016年間SO2、NO分別減少了62.5%和32.7%.NO2-和Na+在2a霧水中含量比較低,變化幅度比較大.NH4+在大霧滴和中霧滴中呈下降趨勢,而在小霧滴中呈上升趨勢,可能原因是廬山農業活動增強,而且NH4+主要集中在小霧滴中,導致小霧滴中的NH4+增加.

大霧滴(S1級)和小霧滴(S3級)之間離子濃度比是研究霧水離子成分粒徑分布的主要參數之一[37].由于霧滴的物理和化學過程非常復雜,不能直接觀測到霧滴離子濃度的譜分布,因此通過分析不同粒徑霧滴中離子濃度比,對了解霧水離子濃度的粒徑變化有重要意義.由圖6可知,2015年廬山霧水中Mg2+和 Ca2+的S1/S3都大于1,說明Mg2+和 Ca2+主要集中于大霧滴.NH4+,SO42-和NO3-分別有77.8%, 71.4和75%的樣品S1/S3<1,說明NH4+,SO42-和NO3-主要集中在小霧滴.對于微量離子Na+和K+分別有83%和87.5%的樣品S1/S3>1,說明Na+和K+的濃度跟霧滴粒徑大小有明顯相關關系.Cl-濃度跟霧滴大小沒有明顯相關關系.2016年廬山霧水與2015年類似Mg2+,Na+,K+和Ca2+主要集中在大霧滴中,NH4+, SO42-和NO3-主要集中在小霧滴中,與2015年所不同的是Cl-主要集中在大霧滴中.廬山大氣中存在不同模態硫酸鹽,硝酸鹽和銨鹽的氣溶膠粒子.小霧滴有更大的比表面積,相對于大霧滴更能促進SO2,NO和氨氣等可溶性氣體吸收,因此,NH4+、SO42-和NO3-主要集中在小霧滴中.Mg2+和Ca2+主要來自于土壤灰塵,沙塵氣溶膠有比中霧滴和小霧滴更大的粒徑,如果土壤塵埃參與成云過程,較大霧滴就更有可能包含土壤塵埃成分.有研究表明霧滴大小隨主要離子濃度的降低而增加[38].

2.3 離子組分來源分析

2.3.1 富集系數 運用富集因子法計算得到2015年和2016年冬季廬山霧水中主要離子的EF值(表2),其中NO3-和NH4+很少來自海洋,因而沒有計算其EF值.如表2,Ca2+和K+的EF海水均遠大于1,表明霧水中這2種離子受海洋源影響較小,而EF土壤接近于1,說明霧水中Ca2+和K+富集很少,主要來源是土壤,這與武夷山和五指山的研究結果一致[39].人類活動(城市和交通建設,采礦等)和自然的輸入(如巖石和土壤的風化)是Ca2+的主要來源.Mg2+的EF海水和EF土壤較小,說明富集較少,霧水中的Mg2+受海洋和土壤源的影響.SO42-的EF海水和EF土壤均遠大于1,說明發生了明顯的富集,絕大部分SO42-是人為輸入的貢獻(如煤和化石燃料的燃燒).Cl-的EF海水遠小于EF土壤,表明廬山地區霧水中的Cl-主要來源仍為海洋.NO3-的EF土壤遠大于1,因此人為活動是霧水中NO3-的主要來源.

表2 廬山霧水各離子組分相對于海洋和土壤的EF值

注:“—”表示海水中NO3-含量可以忽略不計.

霧水中離子組分的來源主要包括人為活動,巖石土壤風化和海洋.表3是廬山霧水中不同離子組分不同來源的相對貢獻率,由表3可知,2015年廬山霧水Cl-海洋源貢獻較少,主要來自于人為源輸入,非海洋源的Cl-可能來自含氯有機物的燃燒和分解、造紙工業漂白劑以及含氟化工廠等[40],2016年海洋源占68.2%,人為輸入的Cl-顯著降低,表明減排措施初見成效.SO42-和NO3-主要來自于人為源輸入,海洋和土壤源的貢獻較少.K+和Ca2+受海洋源的影響較小,土壤源貢獻大于人為源,但是由人為活動產生的K+和Ca2+也不容忽視.大部分Mg2+是海洋和土壤源的貢獻,人為源貢獻相對較少.

表3 廬山霧水中不同離子組分不同來源的相對貢獻率(%)

注:“—”表示NO3-含量可忽略.

2.3.2 三級分檔霧水離子組分相關性分析 表4是2016年廬山三級分檔霧水離子組分相關性,霧水不同化學成分之間的相關性可表明不同離子組分是否來自相同化學成分,是否具有相同源.如表4所示2016年廬山各級霧水中NH4+、Mg2+、Ca2+、NO3-和SO42-均與pH值呈顯著負相關關系.大霧滴(S1級)中Mg2+與Ca2+的相關性大于小霧滴(S3級),因此大霧滴中和作用比小霧滴強.中霧滴、小霧滴中NH4+、SO42-和NO3-相關性大于大霧滴,說明廬山3級分檔霧水中主要致酸成分以HNO3和H2SO4為主,NH4+是小霧滴中主要的中和成分.NH4+與SO42-和NO3-在各級都有很高的正相關關系,3級分檔霧水中存在NH4NO3、(NH4)2SO4和NH4HSO4等形式的化合物.Mg2+和Ca2+在大霧滴、中霧滴和小霧滴相互都有很高的相關性,說明Mg2+和Ca2+具有相同的源即土壤源.Mg2+與SO42-,Mg2+與NO3-和Ca2+與SO42-,Ca2+與NO3-在大霧滴中相關性分別為0.825、0.681和0.876、0.724,在中霧滴中只有NO3-與Mg2+,NO3-與Ca2+有顯著的相關關系,而在小霧滴中只有Ca2+與SO42-有顯著的相關關系,說明大霧滴中存在MgSO4、Mg(NO3)2、CaSO4和Ca(NO3)2等形式的化合物,而在中霧滴和小霧滴中這些化合物的種類在逐步減少,這些化合物是大氣中酸性污染物與堿性化合物反應生成,Mg2+、Ca2+主要集中在大霧滴中.Na+與Cl-在大霧滴和中霧滴中有很高相關關系,說明Na+與Cl-有相同源即海洋源.SO42-與NO3-在各級中都呈顯著的正相關關系,說明污染物的來源與附近污染物的傳輸有直接關系.每一級中NH4+、Ca2+、NO3-和SO42-都與TIC呈顯著的正相關關系,表明這些離子對TIC有很大的貢獻.

表4 2016年廬山3級分檔霧水離子組分相關性

續表4

注:*表示在0.05水平上顯著相關,**表示在0.01水平上顯著相關.

2.4 霧水的致酸及中和因子

對比廬山2a觀測結果發現,每一級的霧水酸度都在加強,除存在污染加重問題外,霧水中酸性物質和堿性物質的比重關系也值得探討.如圖7所示,廬山2a霧水的pH>pAi,說明霧水pH值受堿性物質控制.廬山2015年和2016年平均pAi分別為3.0和3.2,原因是2016年霧水中中和離子相對較高,中和性較強.廬山2015年和2016年98.7%的樣品FA小于0.2(圖7),只有少量來自H2SO4和HNO3的H+沒有參與中和反應.霧水的相對酸度反映霧水中沒有被中和H+所占的比例,而pH值是根據H+濃度計算得到,反映霧水整體酸性水平,分析兩者之間的關系發現pH值與FA呈明顯的指數分布,霧水的相對酸度隨pH值的升高而降低,霧水酸度越強,霧水中未被中和的H+所占比例越高.

表5是2015年和2016年廬山3級分檔霧水中NH4+、Ca2+和Mg2+的NF,如表5所示,廬山霧水中NH4+是最重要的中和因子,2015年中霧滴(S2)中達到了84.5%,2016年最大的中和貢獻是在小霧滴(S3)中,同時說明NH4+主要集中在較小霧滴中.2015年和2016年Ca2+對酸度中和的貢獻平均分別為19.9%和20.3%,且大霧滴(S1)和中霧滴中Ca2+對酸度中和的貢獻遠大于小霧滴,說明Ca2+主要集中在較大的液滴中.與Ca2+和NH4+相比,Mg2+對酸度中和的貢獻比較小,可以忽略.

表5 2015年和2016年廬山三級分檔霧水中NH4+、Ca2+和Mg2+的NF(%)

用對霧水pH值影響較大的離子,Tsuruta[32]提出酸化潛勢AP([SO42-]+[NO3-])和中和潛勢NP ([NH4+]+[Ca2+]).如圖8所示2015年廬山霧水大霧滴和小霧滴中分別有6個和5個樣品NP>AP值,對比圖1發現這6個樣品的pH值都大于5.6,最大達到7.39,較大的NP值是高pH值的原因.中霧滴中有較多樣品NP>AP值,通過表5可以看出中霧滴中[NH4++Ca2+]的NF值為108.3%,說明平均NH4+和Ca2+將所有酸性成分中和,但是中霧滴的平均pH值為5.42,說明霧水中還存在其他酸性物質,Raja等[19]對休斯頓3級分檔霧水研究中發現11種有機酸,含量最豐富的甲酸,乙酸和草酸等主要集中在較小液滴中.與2015年相比,2016年各級線型擬合斜率較小,中和潛勢相對較弱,因此2016年霧水pH值較低.

3 結論

3.1 2015年和2016年冬季廬山霧水pH值平均值分別為5.0和4.6,呈酸性.pH值與霧滴粒徑大小相關,粒徑4~16μm的小霧滴酸性更強.EC在不同粒徑之間變化明顯,與霧滴粒徑無相關性,但與TIC變化趨勢一致,表現為夜間濃度較高而日出后濃度相對較低.2015年和2016年廬山冬季觀測結果發現,每一級霧水酸度都在加強,2015年廬山冬季霧水有更高的堿性物質.

3.2 2015年和2016年廬山冬季3級分檔霧水中主要離子均為Ca2+,NH4+,SO42-,NO3-和Cl-.NH4+,SO42-, NO3-主要集中在粒徑4~16μm的小霧滴中,Mg2+, Na+,K+,Ca2+主要集中在粒徑>22μm的大霧滴中.2016年霧水的SO42-和NO3-濃度低于2015年.

3.3 離子組分來源分析結果顯示,Ca2+和K+主要來自土壤和人為源的排放,Mg2+受海洋和土壤的影響.SO42-,NO3-受海洋和土壤影響比較小,主要受人為活動的影響.2015年霧水Cl-主要受人為源的影響,海洋源貢獻也不容忽視,2016年人為輸入顯著降低,主要受海洋源影響.

3.4 廬山3級分檔霧水粒徑16~22μm的中霧滴和粒徑4~16μm的小霧滴主要致酸成分以HNO3和H2SO4為主,NH4+是小霧滴中主要的中和成分.各級霧水中存在NH4NO3、(NH4)2SO4和NH4HSO4等形式的化合物.Mg2+和Ca2+具有相同源.粒徑>22μm的大霧滴中存在MgSO4、Mg(NO3)2、CaSO4和Ca(NO3)2等形式化合物,中霧滴和小霧滴中這些化合物的種類在逐步減少.Mg2+和Ca2+,SO42-和NO3-具有相同的源.

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Comparative analysis of the chemical properties of the three-stage fog water in Mount Lushan.

ZHANG Hong-wei1,2, FAN Shu-xian1,2*, HU Chun-yang1,2,3, ZHU Dan-dan1,2, KANG Bo-shi4

(1.Key Laboratory for Aerosol Cloud Precipitation of China Meteorological Administration, Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Department of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；3.Unit 94582 of PLA, Queshan, 463217, China；4.Liaoning Meteorological Equipment Support Center, Shenyang 110000, China)., 2019,39(11)：4589~4598

In order to investigate the physical and chemical properties of fog water in Mount Lushan, comprehensive observations were carried out during the wintertime of 2015 and 2016. A three-stage Caltech Active Strand Cloud Collector (CASCC) was used to collect the fog droplets within three size ranges (4~16μm, 16~22μm and >22μm), and in total 44 samples were obtained during the observations. Concentrations of cations and anions in each sample were also measured by using Ion Chromatography instrument. We then analyzed the correlation between the ions in each stage as well as the sources of these ions. The composition and the chemical characteristics of the fog water were also given. The results showed that the fog water in 2015 and 2016 was mostly acidic, while the pH value is lower in 2016. A correlation between the pH value and the droplet size was also found, showing a stronger acidity for smaller droplets. The major ions found in fog water were Ca2+, NH4+, SO42-, NO3-and Cl-. NH4+, SO42-, NO3-mostly reside in small droplets, and they are strongly influenced by the human activities instead of the natural sources such as ocean and soil. It is interesting to find that Cl-in 2015 was mainly affected by anthropogenic sources while in 2016 they were influenced by marine sources due to a significant reduction of the human inputs. Moreover, Mg2+and Ca2+were found mostly concentrated in large droplets. Due to the decrease of SO2and NOemission, the concentrations of SO42-and NO3-in fog water in 2016 were found remarkably lower than those in 2015.

Mount Lushan；three-stage fog water；chemical properties

X517

A

1000-6923(2019)11-4589-10

張鴻偉(1993-),男,河南商丘人,南京信息工程大學碩士研究生,主要從事大氣環境化學研究.發表論文1篇.

2019-04-16

國家重點研發計劃項目(2018YFC1507905);國家自然科學基金資助項目(41675132;41775134;41675136)

* 責任作者, 教授, shuxianf@nuist.edu.cn