庐山三级分档雾水化学特征的对比分析

张鸿伟,樊曙先*,胡春阳,3,朱丹丹,康博识

庐山三级分档雾水化学特征的对比分析

张鸿伟1,2,樊曙先1,2*,胡春阳1,2,3,朱丹丹1,2,康博识4

(1.南京信息工程大学,大气环境与装备技术协同创新中心,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学大气物理学院,江苏 南京 210044；3.中国人民解放军94582部队 确山 463217；4.辽宁省气象装备保障中心,辽宁 沈阳 110000)

为研究庐山冬季不同粒径雾滴化学成分特征,于2015年和2016年在庐山开展冬季云雾物理化学特征的很高综合观测实验,利用主动式分档雾水采集器(three-stage CASCC)共采集44组3级粒径雾滴的雾水样品,其分档空气动力学直径为4~16μm(S3级),16~22μm(S2级)和>22μm(S1级).用850professional IC型色谱仪(瑞士万通)分析雾水中的水溶性离子浓度,讨论3级分档雾水化学特征和不同粒径雾水中各离子组分的来源及相关性.结果表明,2015年和2016年庐山冬季3级雾水多呈酸性,2016年酸性更强,pH值与雾滴的粒径大小有依赖性关系,4~16μm的小雾滴酸性更强.雾水中主要离子有Ca2+,NH4+,SO42-,NO3-和Cl-.NH4+,SO42-,NO3-主要集中在4~16μm的小雾滴中,受海洋和土壤源的影响比较小,主要是人为活动所导致,2015年雾水Cl-主要受人为源的影响,2016年人为输入显著降低,主要受海洋源影响.Mg2+,Ca2+主要集中在>22μm的大雾滴中.SO2、NO排放逐年降低导致2016年雾水中SO42-和NO3-浓度明显小于2015年.

庐山；三级分档雾水；化学特征

雾是由大量悬浮在近地层空气中的小水滴和气溶胶粒子组成的气溶胶系统[1].与云相似,雾对气溶胶粒子和微量气体的输送有重要影响[2-3],雾作为气溶胶的一种特殊状态,可以促进大气颗粒物和可溶性气体向液相转化[4-5],雾滴的初始物理和化学性质取决于云凝结核(CCN)大小和化学组成.在云的演化过程中,可溶性气体和非活性气溶胶的清除、水相反应和气象条件对云的物理化学特性有很大影响[6-8].一般认为导致雨水和云水酸化的机制也应存在于雾水中[9].

雾滴被认为是大气化学的微型反应器,中外学者通过大量观测实验对雾水的化学成分、雾滴的形成、气溶胶与云雾之间的相互作用以及雾滴中的液相反应进行了深入研究[10-14].20世纪80年代以来我国学者主要在城市、高山和海边[15-17]广泛开展雾的观测试验和云雾水的取样分析,研究了不同地区雾水化学组分的基本特征,进一步认识了云雾水化学特征及其微物理结构的关系.国外对分档雾水的研究开始较早. Moore等[18]对Whiteface Moutain分档雾水研究发现,小雾滴比大雾滴酸性更强,Raja等[19]在Houston和Baton Rouge的研究中也得出了类似的结论.目前国内关于雾水化学的分级研究较少.孙玉等[20],康博识等[21]对南京冬季三级分档雾水研究发现,雾水中的离子组分与雾滴大小密切相关,大雾滴中往往含有更高的矿物成分(Mg2+和Ca2+),NH4+、SO42-和NO3-主要集中在小雾滴中.由于不同粒径雾滴中化学成分不同,导致雾水pH值和电导率(EC)有很大差异[22-23].研究表明可溶性气体吸收、气溶胶的清除、凝结增长过程和雾滴沉降速率等都存在尺度依赖性变化[24].因而,要反映这种新特征并探究雾微物理结构和大气污染物之间的相互作用,必须设立外场观测点,采集不同大小粒径的雾滴,对雾水的化学特征进行分档研究.

国内对高海拔地区分档雾水研究较少.本文通过2015年和2016年冬季在庐山开展的观测实验,讨论庐山3级分档雾水的化学特征,探究庐山冬季不同粒径雾水化学成分的差异.通过对比分析2a分档雾水化学特征的差异,为大气污染治理的效果评估提供科学依据.

1 采样与方法

1.1 研究区域

庐山位于江西省九江市,东靠鄱阳湖,西邻京九铁路大动脉,北近长江,局地污染源少,临近武汉和南昌等大中型城市.庐山处于亚热带湿润季风区,雨量充沛,年降水量可达2000mm,而山下的九江则为1400mm左右,水汽条件充分,多云雾.观测点设立在庐山北面的庐山气象站内(海拔1165m,15.99°E, 29.58°N).

1.2 样品采集与分析

用主动式分档雾水采集器(three-stage CASCC),在2015年和2016年庐山冬季共收集44组3级粒径雾滴的雾水样品,其分档的空气动力学直径为4~16μm(S3级),16~22μm(S2级)和>22μm(S1级).采样器对雾滴的采集效率为50%.其原理是通过后方引风机转动抽气,雾气进入采样器,其3级射流冲击传递的加速度使不同粒径雾滴在通过3个等级时先后发生碰撞而分离.采样前,对采集器与聚乙烯收集瓶进行离子水清洗并干燥.

样品采集后立即使用DDS-11A数显电导率仪和瑞士万通Metrohm 827台式pH计(上海雷磁创益)测量雾水电导率和pH值,锡箔纸包裹冷冻保存.样品经0.45μm水系滤膜过滤后用850professional IC型色谱仪器(瑞士万通)测量水溶性离子:Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、NO2-、NO3-和SO42-.阳离子分析柱型号为,Metrosep C6-150;阴离子分析柱型号为Metrosep A Supp 16-250.淋洗条件:阴离子,3.2mmol/L Na2CO3+1.0mmol/L NaHCO3;阳离子,4mmol/L硝酸,淋洗液流速:阴离子0.7mL/min;阳离子0.9mL/min.柱温:40℃,定量环体积100μL.

1.3 实验方法

1.3.1 来源分析 富集因子法是分析环境污染程度和污染物来源的有效方法,主要利用雾水组分中离子浓度比例与选定参考离子浓度比例来分析雾水中各种离子来源信息.Ca2+作为土壤参比元素被广泛应用于降雨、土壤、降尘等中[25-26],Na+作为海洋源参考元素[27].计算公式为:

EF(x)海水=[/Na+]雾水/[/Na+]海水(1)

EF(x)土壤=[/Ca2+]雾水/[/Ca2+]土壤(2)

式中:EF为富集因子指数;[/Na+]雾水为雾水中离子与参考元素Na+的浓度比;[/Na+]海水为海水元素与参考元素Na+的浓度比;[/Ca2+]雾水为雾水离子与参考元素Ca2+的浓度比;[/Ca2+]土壤为土壤离子与参考元素Ca2+的浓度比.根据EF大小,可将离子富集程度分为3个等级:EF<10轻度富集;10500严重富集.

为表示不同源对雾水中各离子组分的影响,分析不同源对雾水中各离子的相对贡献,计算公式为:

SF=[/Na+]海水´100%/[/Na+]雾水(3)

CF=[/Ca2+]土壤´100%/[/Ca2+]雾水(4)

AF=100- SF- CF(5)

式中:SF表示海洋源对雾水中各离子的相对贡献;CF表示自然源对雾水中各离子的相对贡献;AF表示人为源对雾水中各离子的相对贡献.

1.3.2 致酸及中和因子 雾水酸度主要是由HNO3和H2SO4引起,通常将NO3-和SO42-作为主要致酸离子[28].Balasubramanian等[29]提出相对酸度(FA)来评价降水酸度中和程度,如下式:

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

式中:[H+]、[SO42-]和[NO3-]是对应离子浓度(μeq/L).不同学者提出其他参量方法来判断雾水的酸性程度. Hara等[30]提出了定量指标pAi,表示大气液态水中硫酸型和含氮酸性物质没有发生中和时假定的pH值,与pH值不同的是该指数只考虑酸性物质,计算公式为:

致歉也存在正式与不正式的区别，不正式致歉通常是用在亲朋好友、爱人、熟人之间，它的目标用来消除误解，解除隔阂。正式的致歉通常用在国家和国家间，媒体和大众间。例如：波兰总统通过媒体，向遭受迫害的犹太人致歉。

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

高浓度的碱性物质对雾水中酸性物质有明显中和作用.为了评估碱性物质对酸度的中和作用,Ali等[31]定义中和因子NF,公式为:

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

式中:为需要评价的阳离子.用对雾水pH值影响较大的离子,Tsuruta等[32]提出酸化潜势AP([SO42-]+ [NO3-])和中和潜势NP([NH4+]+[Ca2+]).

1.4 数据分析与质量控制

表1是各离子的检出限和检测下限,实验分析中所有标准曲线的线性回归方程相关系数均大于0.999,精密度均小于5%,加标回收率在89.8%~ 114.1%.数据采用Microsoft Excel 2010统计整理,Origin 2017作图,IBM SPSS statistics 20进行相关性和差异性分析.各指标组间差异采用检验法进行统计,统计检验水准<0.05时差异具有显著统计学意义,<0.01时差异极显著.

表1 离子检出限和检测下限

2 结果与讨论

2.1 pH值与电导率

2015年和2016年冬季庐山雾水pH值(图1)平均值分别为5.0和4.6,呈酸性.对比2015年大雾滴(S1级)和小雾滴(S3级)的pH值发现,小雾滴<大雾滴的pH值样品数占总样品的80.9%,大雾滴、中雾滴(S2级)和小雾滴pH值的均值分别为5.22,5.42, 4.72.2016年小雾滴<大雾滴的pH值样品数占总样品的73.9%,大雾滴,中雾滴和小雾滴的pH值均值分别为4.59,4.66和4.40.雾水pH值与雾滴粒径大小有依赖性关系,中雾滴的pH值最大,小雾滴的pH值最小,小雾滴酸性更强.pH值是雾水中酸性和碱性物质共同作用的结果,这些物质受CCN的大小及初始化学成分、环境条件和排放源等因素的影响.

2015年冬季庐山雾水EC在26.5~267μS/cm之间,相比较pH值其在不同粒径之间变化差异更明.EC与TIC变化趋势一致(图2).对比不同样品组数TIC,发现第一次雾过程(1~13组)中,第1、6、10、13组雾水TIC明显高于其他组.通过采样时间发现1、6、10、13组雾水样品都是在夜间采集,第二次雾过程(14~21组)TIC极大值(16、17组)同样发生在夜间.2016年冬季庐山雾水电导率在17.3~191.7μS/ cm之间,平均值为70.6μS/cm,低于2015年雾水(95.8μS/cm),对比2a雾水的TIC,2016年雾水明显低于2015年.雾水中的化学组分是雾在生成和演变过程中,对大气中微量气体和气溶胶粒子吸收和清除的结果,因此受雾区的环境及雾演变过程中的宏观过程所控制[33].日落以后地表发射长波辐射,地面很快降温并通过湍流输送冷却近地层空气,随时间逐渐发展成逆温层,大气中各种成分不易向外扩散,污染物形成积累,雾滴容易吸附更多的化学组分,导致雾水离子浓度增高.

2.2 三级分档雾水中阴、阳离子组分特征的对比

图3是2015年和2016年庐山3级分档雾水各离子浓度占TIC的比例,庐山冬季雾水主要离子有Ca2+、NH4+、SO42-、NO3-和Cl-,[Ca2++NH4++SO42-+ NO3-+Cl-]分别占2015和2016年TIC的90.8%和91.5%.NH4+是最丰富的阳离子,对云雾水中酸性物质起重要中和作用.NH4+一般来源于废弃物和土壤腐殖质的氨化、土壤氨基肥料等生物源以及工业排放,庐山周围有大量的农田和树木,氨基肥料的使用和废弃物、土壤腐殖质的氨化是庐山雾水中NH4+主要来源.

图3 2015年和2016年庐山3级分档雾水各离子浓度占总离子浓度的比例

图4给出了2015年和2016年庐山3级分档雾水阴、阳离子浓度,2015年庐山雾水中最丰富的阴离子是SO42-,大雾滴(>22μm,S1级),中雾滴(16~ 22μm,S2级)和小雾滴(4~16μm,S3级)的平均浓度分别为400.5,384.3和432.2μeq/L,2016年雾水最丰富的阴离子是NO3-.Ca2+是雾水中另一重要的阳离子,2a平均浓度分别为153.5和96.0μeq/L.SO42-除土壤中有机物、动物和废弃物的分解外,主要来源于煤炭燃烧排放的颗粒物和SO2的转化.NO3-主要受工业和交通排放的影响.庐山被城镇和高速公路环绕,冬季相对于其他季节降水过程不频繁,对污染物清除较少,城镇工业活动和高速公路上汽车的排放是庐山NO3-和SO42-的主要来源.除上述排放源外,气溶胶的长距离输送也是影响雾水化学成分的主要因素.Ca2+主要来自于土壤,与泰山云雾水[34]中Ca2+(180.7μeq/L)相比,庐山相对较低.泰山位于我国沙尘频发的华北地区,庐山位于我国中南地区,仅个别较强的沙尘天气会对庐山云雾造成暂时的影响.采样期间雾水中Ca2+主要受当地气候和土壤的影响.

上边缘和下边缘分别为最大值和最小值箱内的点和横线表示平均值和中位数

相对变率表示各离子浓度在2015~2016年间的相对变化.图5是2015年和2016年庐山3级分档雾水中离子浓度的相对变率.从图5看出, 2015~2016年,大雾滴(S1级)中除Na+外其他离子都呈下降趋势,中雾滴(S2级)中Mg2+增加22.2%,小雾滴(S3级)中Ca2+和NH4+分别增加21.5%和26.9%.SO42-和NO3-在每一级中都在减少,其中大雾滴中减少最多(分别减少31.2%和24.2%).原因是近年来中国政府对SO2、NO等污染气体排放进行严格控制,即大气中硫酸盐和硝酸盐反应前体物减少.江西省生态环境厅数据[35-36]显示,九江市2015年SO2、NO排放总量分别为80kt和74.3kt,2016年SO2、NO排放总量分别30kt和50kt万吨.2015~2016年间SO2、NO分别减少了62.5%和32.7%.NO2-和Na+在2a雾水中含量比较低,变化幅度比较大.NH4+在大雾滴和中雾滴中呈下降趋势,而在小雾滴中呈上升趋势,可能原因是庐山农业活动增强,而且NH4+主要集中在小雾滴中,导致小雾滴中的NH4+增加.

大雾滴(S1级)和小雾滴(S3级)之间离子浓度比是研究雾水离子成分粒径分布的主要参数之一[37].由于雾滴的物理和化学过程非常复杂,不能直接观测到雾滴离子浓度的谱分布,因此通过分析不同粒径雾滴中离子浓度比,对了解雾水离子浓度的粒径变化有重要意义.由图6可知,2015年庐山雾水中Mg2+和 Ca2+的S1/S3都大于1,说明Mg2+和 Ca2+主要集中于大雾滴.NH4+,SO42-和NO3-分别有77.8%, 71.4和75%的样品S1/S3<1,说明NH4+,SO42-和NO3-主要集中在小雾滴.对于微量离子Na+和K+分别有83%和87.5%的样品S1/S3>1,说明Na+和K+的浓度跟雾滴粒径大小有明显相关关系.Cl-浓度跟雾滴大小没有明显相关关系.2016年庐山雾水与2015年类似Mg2+,Na+,K+和Ca2+主要集中在大雾滴中,NH4+, SO42-和NO3-主要集中在小雾滴中,与2015年所不同的是Cl-主要集中在大雾滴中.庐山大气中存在不同模态硫酸盐,硝酸盐和铵盐的气溶胶粒子.小雾滴有更大的比表面积,相对于大雾滴更能促进SO2,NO和氨气等可溶性气体吸收,因此,NH4+、SO42-和NO3-主要集中在小雾滴中.Mg2+和Ca2+主要来自于土壤灰尘,沙尘气溶胶有比中雾滴和小雾滴更大的粒径,如果土壤尘埃参与成云过程,较大雾滴就更有可能包含土壤尘埃成分.有研究表明雾滴大小随主要离子浓度的降低而增加[38].

2.3 离子组分来源分析

2.3.1 富集系数 运用富集因子法计算得到2015年和2016年冬季庐山雾水中主要离子的EF值(表2),其中NO3-和NH4+很少来自海洋,因而没有计算其EF值.如表2,Ca2+和K+的EF海水均远大于1,表明雾水中这2种离子受海洋源影响较小,而EF土壤接近于1,说明雾水中Ca2+和K+富集很少,主要来源是土壤,这与武夷山和五指山的研究结果一致[39].人类活动(城市和交通建设,采矿等)和自然的输入(如岩石和土壤的风化)是Ca2+的主要来源.Mg2+的EF海水和EF土壤较小,说明富集较少,雾水中的Mg2+受海洋和土壤源的影响.SO42-的EF海水和EF土壤均远大于1,说明发生了明显的富集,绝大部分SO42-是人为输入的贡献(如煤和化石燃料的燃烧).Cl-的EF海水远小于EF土壤,表明庐山地区雾水中的Cl-主要来源仍为海洋.NO3-的EF土壤远大于1,因此人为活动是雾水中NO3-的主要来源.

表2 庐山雾水各离子组分相对于海洋和土壤的EF值

注:“—”表示海水中NO3-含量可以忽略不计.

雾水中离子组分的来源主要包括人为活动,岩石土壤风化和海洋.表3是庐山雾水中不同离子组分不同来源的相对贡献率,由表3可知,2015年庐山雾水Cl-海洋源贡献较少,主要来自于人为源输入,非海洋源的Cl-可能来自含氯有机物的燃烧和分解、造纸工业漂白剂以及含氟化工厂等[40],2016年海洋源占68.2%,人为输入的Cl-显著降低,表明减排措施初见成效.SO42-和NO3-主要来自于人为源输入,海洋和土壤源的贡献较少.K+和Ca2+受海洋源的影响较小,土壤源贡献大于人为源,但是由人为活动产生的K+和Ca2+也不容忽视.大部分Mg2+是海洋和土壤源的贡献,人为源贡献相对较少.

表3 庐山雾水中不同离子组分不同来源的相对贡献率(%)

注:“—”表示NO3-含量可忽略.

2.3.2 三级分档雾水离子组分相关性分析 表4是2016年庐山三级分档雾水离子组分相关性,雾水不同化学成分之间的相关性可表明不同离子组分是否来自相同化学成分,是否具有相同源.如表4所示2016年庐山各级雾水中NH4+、Mg2+、Ca2+、NO3-和SO42-均与pH值呈显著负相关关系.大雾滴(S1级)中Mg2+与Ca2+的相关性大于小雾滴(S3级),因此大雾滴中和作用比小雾滴强.中雾滴、小雾滴中NH4+、SO42-和NO3-相关性大于大雾滴,说明庐山3级分档雾水中主要致酸成分以HNO3和H2SO4为主,NH4+是小雾滴中主要的中和成分.NH4+与SO42-和NO3-在各级都有很高的正相关关系,3级分档雾水中存在NH4NO3、(NH4)2SO4和NH4HSO4等形式的化合物.Mg2+和Ca2+在大雾滴、中雾滴和小雾滴相互都有很高的相关性,说明Mg2+和Ca2+具有相同的源即土壤源.Mg2+与SO42-,Mg2+与NO3-和Ca2+与SO42-,Ca2+与NO3-在大雾滴中相关性分别为0.825、0.681和0.876、0.724,在中雾滴中只有NO3-与Mg2+,NO3-与Ca2+有显著的相关关系,而在小雾滴中只有Ca2+与SO42-有显著的相关关系,说明大雾滴中存在MgSO4、Mg(NO3)2、CaSO4和Ca(NO3)2等形式的化合物,而在中雾滴和小雾滴中这些化合物的种类在逐步减少,这些化合物是大气中酸性污染物与碱性化合物反应生成,Mg2+、Ca2+主要集中在大雾滴中.Na+与Cl-在大雾滴和中雾滴中有很高相关关系,说明Na+与Cl-有相同源即海洋源.SO42-与NO3-在各级中都呈显著的正相关关系,说明污染物的来源与附近污染物的传输有直接关系.每一级中NH4+、Ca2+、NO3-和SO42-都与TIC呈显著的正相关关系,表明这些离子对TIC有很大的贡献.

表4 2016年庐山3级分档雾水离子组分相关性

续表4

注:*表示在0.05水平上显著相关,**表示在0.01水平上显著相关.

2.4 雾水的致酸及中和因子

对比庐山2a观测结果发现,每一级的雾水酸度都在加强,除存在污染加重问题外,雾水中酸性物质和碱性物质的比重关系也值得探讨.如图7所示,庐山2a雾水的pH>pAi,说明雾水pH值受碱性物质控制.庐山2015年和2016年平均pAi分别为3.0和3.2,原因是2016年雾水中中和离子相对较高,中和性较强.庐山2015年和2016年98.7%的样品FA小于0.2(图7),只有少量来自H2SO4和HNO3的H+没有参与中和反应.雾水的相对酸度反映雾水中没有被中和H+所占的比例,而pH值是根据H+浓度计算得到,反映雾水整体酸性水平,分析两者之间的关系发现pH值与FA呈明显的指数分布,雾水的相对酸度随pH值的升高而降低,雾水酸度越强,雾水中未被中和的H+所占比例越高.

表5是2015年和2016年庐山3级分档雾水中NH4+、Ca2+和Mg2+的NF,如表5所示,庐山雾水中NH4+是最重要的中和因子,2015年中雾滴(S2)中达到了84.5%,2016年最大的中和贡献是在小雾滴(S3)中,同时说明NH4+主要集中在较小雾滴中.2015年和2016年Ca2+对酸度中和的贡献平均分别为19.9%和20.3%,且大雾滴(S1)和中雾滴中Ca2+对酸度中和的贡献远大于小雾滴,说明Ca2+主要集中在较大的液滴中.与Ca2+和NH4+相比,Mg2+对酸度中和的贡献比较小,可以忽略.

表5 2015年和2016年庐山三级分档雾水中NH4+、Ca2+和Mg2+的NF(%)

用对雾水pH值影响较大的离子,Tsuruta[32]提出酸化潜势AP([SO42-]+[NO3-])和中和潜势NP ([NH4+]+[Ca2+]).如图8所示2015年庐山雾水大雾滴和小雾滴中分别有6个和5个样品NP>AP值,对比图1发现这6个样品的pH值都大于5.6,最大达到7.39,较大的NP值是高pH值的原因.中雾滴中有较多样品NP>AP值,通过表5可以看出中雾滴中[NH4++Ca2+]的NF值为108.3%,说明平均NH4+和Ca2+将所有酸性成分中和,但是中雾滴的平均pH值为5.42,说明雾水中还存在其他酸性物质,Raja等[19]对休斯顿3级分档雾水研究中发现11种有机酸,含量最丰富的甲酸,乙酸和草酸等主要集中在较小液滴中.与2015年相比,2016年各级线型拟合斜率较小,中和潜势相对较弱,因此2016年雾水pH值较低.

3 结论

3.1 2015年和2016年冬季庐山雾水pH值平均值分别为5.0和4.6,呈酸性.pH值与雾滴粒径大小相关,粒径4~16μm的小雾滴酸性更强.EC在不同粒径之间变化明显,与雾滴粒径无相关性,但与TIC变化趋势一致,表现为夜间浓度较高而日出后浓度相对较低.2015年和2016年庐山冬季观测结果发现,每一级雾水酸度都在加强,2015年庐山冬季雾水有更高的碱性物质.

3.2 2015年和2016年庐山冬季3级分档雾水中主要离子均为Ca2+,NH4+,SO42-,NO3-和Cl-.NH4+,SO42-, NO3-主要集中在粒径4~16μm的小雾滴中,Mg2+, Na+,K+,Ca2+主要集中在粒径>22μm的大雾滴中.2016年雾水的SO42-和NO3-浓度低于2015年.

3.3 离子组分来源分析结果显示,Ca2+和K+主要来自土壤和人为源的排放,Mg2+受海洋和土壤的影响.SO42-,NO3-受海洋和土壤影响比较小,主要受人为活动的影响.2015年雾水Cl-主要受人为源的影响,海洋源贡献也不容忽视,2016年人为输入显著降低,主要受海洋源影响.

3.4 庐山3级分档雾水粒径16~22μm的中雾滴和粒径4~16μm的小雾滴主要致酸成分以HNO3和H2SO4为主,NH4+是小雾滴中主要的中和成分.各级雾水中存在NH4NO3、(NH4)2SO4和NH4HSO4等形式的化合物.Mg2+和Ca2+具有相同源.粒径>22μm的大雾滴中存在MgSO4、Mg(NO3)2、CaSO4和Ca(NO3)2等形式化合物,中雾滴和小雾滴中这些化合物的种类在逐步减少.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

张鸿伟(1993-),男,河南商丘人,南京信息工程大学硕士研究生,主要从事大气环境化学研究.发表论文1篇.

2019-04-16

国家重点研发计划项目(2018YFC1507905);国家自然科学基金资助项目(41675132;41775134;41675136)

* 责任作者, 教授, shuxianf@nuist.edu.cn