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中国东部城市与高山浓雾中三级分档雾水的理化特性

康博识  
【摘要】:近年来,我国东部地区发生浓雾大气的现象明显增加,本研究在高山清洁地区(庐山)和城市(南京)开展浓雾观测实验,通过对照高山云雾理化特征,以探究城市浓雾中不同尺度雾滴的化学组分与大气复合污染物以及雾的微物理特征之间关系。2013年12月在南京和2016年1月在庐山设立采样点,进行外场雾观测实验。利用观测实验中获取的三级分档雾水和分粒径气溶胶的水溶性离子浓度,气溶胶数浓度谱、雾滴谱以及自动气象站获取的气象要素等资料,通过对比研究浓雾过程中4-16μm(三级)、16-22μm(一一级)、22μm(一级)3个粒径范围雾滴(雾水)与分粒径气溶胶的微物理特征和化学特性,探讨不同粒径气溶胶粒子吸湿增长对雾滴的贡献以及气溶胶离子组分对不同尺度雾滴化学性质的影响。结果表明,南京的城市浓雾形成后,雾滴的增多主要集中在第三级4-16μm的小滴阶段,第二级中滴(16-22μm)和第一级大滴(22μm)增加数量相对较少。分粒径气溶胶0.5-1μm的中粒径气溶胶粒子数量下降最多,凝结增长贡献最大。小雾滴继续碰并成长为中滴和大滴,中滴和大滴继续捕获小滴,而且捕获效率逐渐增大,使雾滴向大滴端变化,雾滴谱也相应变宽。庐山云雾雾滴同样是第三级小滴数浓度最高,中滴和小滴相对更低一个数量级。与庐山雾滴相比,南京浓雾中雾滴数浓度数值较小,但变化趋势更为一致,较为平缓,而且第三级小滴和第二级中滴数值相近。南京三级分档雾水的pH值为2.7-6.9,呈酸性,第三级雾水的pH值最小,第二级和第一级相对较高,平均值分别是4.58、5.27和5.68。小滴雾水电导率数值最高,第三级雾水的电导率达到1000μs/cm以上。庐山三级分档云雾水各级pH平均值分别为5.16、5.11和4.79, 呈轻度酸性。电导率在33.1-268μS/cm范围内,离子浓度远低于南京雾水。南京三级分档雾水中测定的阴、阳离子浓度在4-16μm小滴雾水中均为最高,在第二级和第一级雾水中相差不大。阴离子中NO3-和SO42-浓度最高,Cl--NO2-浓度最低,而且各阴离子所占比重相对稳定,变化不大。与以往南京雾水观测实验得到的SO42-浓度古绝对优势的结论有差异,南京大气污染由硫酸型向氮氧化物为主的复合型污染转化。阳离子中Ca2+的浓度在第一级大滴雾水中最高,二级和三级雾水中NH4+的浓度最高,Na+、K+和Mg2+的浓度相对很低。阴离子NO3-和SO42-来源相似,主要是吸收了硫酸盐气溶胶和硝酸盐气溶胶粒子以及气态污染物,与分粒径气溶胶中各粒径段阴离子NO3-和SO42-均表现出较高值相对应。雾水中阳离子含量较高的Ca2+则主要来自于对气溶胶的吸收,同样在气溶胶中检测到阳离子Ca2+浓度最高。在庐山云雾水的离子成分中,阳离子NH4+所占比例最高,各级雾水阴离子中,NO3-的比例最高,其次为SO42-。庐山大气污染也发生转型,从硫酸型污染转化为氮氧化物氧化为主的复合型污染。在南京浓雾天气中,能见度为50m左右,短波辐射减弱形成稳定逆温层,雾体发展强盛,雾顶高度在500m左右,有助于污染气溶胶的累积并吸湿增长向雾滴转化。庐山的两次云雾以北风风向为主,且风速较大,低温环境和较低的水汽压有利于湿空气受地势抬升后凝结形成雾滴。采样点受辐射降温影响较小,受平流输送影响较大。相比之下南京城市浓雾中雾滴的存在更为稳定,庐山云雾滴的停留较为短暂。


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