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中国东部沿海和内陆城市大气汞的污染特征及输送影响研究

聂晓玲  
【摘要】:大气汞是一种全球性污染物,因其持久性、易迁移性、高生物毒性和高生物富集性等特点,受到世界范围内的广泛关注。丰富的汞矿储存加上快速的工业化和城市化,使我国成为全球人为汞排放量最大的国家。中国东部城市地区作为我国人口密度大、工业化程度高、环境污染比较严重的地区之一,人为汞排放量可占全国汞排放量的一半以上,然而目前关于大气汞污染特征和成因的研究却十分有限。由于地理位置、人为活动、污染来源以及气象条件等因素不同,大气汞的时空分布和变化规律十分复杂且多样。沿海城市地区同时受到密集的内陆人为源和海洋气团的影响,大气成分可能发生改变,从而影响沿海地区气态总汞(TGM)的形成和再分配。为了解中国东部地区沿海和内陆城市大气汞的污染特征,本研究选择在青岛沿海和济南城区分别开展大气汞的综合观测实验,分析青岛沿海和济南城区大气TGM的分布特征和污染现状,探讨冬季采暖活动对中国东部城市大气汞污染的贡献,分析海陆风对沿海城市大气汞污染的影响,利用后向气流轨迹模型(HYSPLIT)分析区域输送对大气汞的影响,并在此基础上利用潜在源区贡献函数(PSCF)分析大气汞的主要排放源区域;结合主因子分析(PCA)和正交矩阵因子分解(PMF),解析大气TGM和颗粒态汞(PBM)的主要影响因素;此外,根据事件分析探讨雾霾、沙尘、台风等天气过程中大气汞的变化规律。主要研究结果如下:(1)青岛沿海大气TGM浓度特征及海陆风影响研究表明,青岛沿海大气TGM浓度范围是0.59~24.46 ngm-3,平均浓度为2.28(±0.87)ngm-3,高于中国邻近开放海域的大气汞浓度,是北半球大气汞背景浓度的1.5倍。从各季节TGM浓度均值来看,呈现为冬季和春季略高于夏季和秋季。TGM浓度对风向有很强的依赖性,在离岸风作用下TGM平均浓度为2.41 ngm-3,相比在向岸风作用下的浓度高约24%。受海陆风以及边界层高度变化影响,青岛沿海大气TGM表现出明显的日变化特征,清晨出现浓度峰值并在下午15时达到最低值。有海陆风循环的TGM浓度日最低值高于无海陆风循环条件下的最低值。与大气常规污染物的相关性分析表明,移动燃烧源作为影响青岛沿海大气TGM浓度的主要人为排放源,而燃煤电厂是冬季大气TGM的主要贡献者。PSCF分析表明中国东部邻近省市地区人为源排放的区域传输对青岛沿海TGM的浓度变化有着重要影响。(2)济南城区大气TGM浓度特征及采暖影响的研究表明,济南城区大气TGM浓度范围在0.31~46.36 ng m-3之间,平均值为4.91(±3.66)ng m-3,与国内其他内陆城市站点TGM浓度相当,略高于我国沿海城市站点和国外城市站点TGM浓度,远高于北半球背景值和国内高山背景值。一般情况下济南城区大气TGM表现为日出时最高,午后最低,气象条件是这种日变化模式的主要驱动因素;而在空气重污染的情况下,大气TGM主要表现为中午最高,且主要发生在采暖期。冬季采暖是影响济南城区大气汞浓度的一个主要因素,采暖期TGM浓度均值为5.92 ng m-3,是非采暖期间浓度均值的两倍。燃烧排放以及风向风速等气象条件对济南城区TGM浓度影响较大。济南城区大气TGM受局地污染源分布的影响,山东省西南部众多的工业排放源对济南大气TGM的贡献较大。(3)大气颗粒汞的粒径分布特征研究结果表明,济南城区大气颗粒汞主要集中在细颗粒物上,PM1.8以下的细粒子粒径段颗粒汞浓度对∑PHg总浓度的贡献约为60%,PM3.2以下的颗粒汞浓度贡献约占68%。进一步分析济南大气PBM2.5的污染特征,发现PBM2.5平均浓度为452±433 pg m-3,相比2014-2015年观测的PBM2.5浓度下降了 13%,相比国内其他城市仍处于中等偏上的水平,比北美和欧洲的观测值高近两个数量级。此外,济南大气PM2.5中的颗粒汞含量远高于山东省煤炭、土壤等中的平均汞含量,表明大气细颗粒物对汞具有极强的富集能力,同时意味着大气颗粒汞的沉降会加重土壤汞的污染。冬季采暖加重了济南城区的颗粒汞污染情况,同TGM类似,济南采暖期PBM2.5浓度均值为599 pg m-3,是非采暖期间均值(291 pg m-3)的两倍。PBM2.5和TGM在采暖期有较好的相关性,而在非采暖期,二者并不显著相关。PCA分析和PMF源解析进一步表明,采暖期的大气PBM2.5和TGM具有共同的煤炭燃烧源和工业源,而在非采暖期大气PBM2.5与TGM的来源不完全一样,除工业源外,扬尘和生物质燃烧源对PBM2 5影响也较大。(4)本研究在青岛沿海和济南城区大气汞观测研究中频繁观测到雾霾、沙尘、台风等天气过程。研究结果表明,济南城区雾霾期间,大气TGM和PBM2.5浓度显著增加。人为排放和静稳天气条件是导致TGM和PBM2.5在雾霾期间大量积累的主要原因,重污染后的雾天可以为PBM2.5的二次形成提供有利条件,雾过程结束后,GEM氧化形成的Hg2+吸附/溶解在颗粒中从而导致颗粒汞浓度升高。与济南城区雾霾不同,青岛沿海的雾霾主要来源于污染区域或经污染区域输送的气团导致大气汞浓度升高,加剧了青岛沿海大气汞污染。研究发现边界层高度升高以及相对清洁的海洋气团可导致雾霾期间大气汞浓度下降30%。与雾霾期间风速相对较低不同,沙尘天气往往伴随着强风和高浓度粗颗粒物,而台风天气伴随着强风和降雨,因此这两个过程对大气汞浓度的影响也不同。在沙尘期间大气TGM和PBM2.5浓度显著降低,而在10-18μm粗粒径段的颗粒汞浓度显著上升。一方面与汞在细粒径和粗粒径颗粒之间的吸附分配有关,另一方面来源于沙漠等地区的大气粗颗粒经过京津冀等污染较重区域也是导致粗粒径段颗粒汞浓度增加的重要原因。在台风登陆前和台风过后,由于东亚污染地区气团的传输以及台风前缘和侧缘的下沉气流导致TGM浓度急剧上升,而在台风过境期间,由于强风和较高边界层的稀释作用以及相对清洁的海洋气团导致TGM浓度急剧下降,平均浓度仅为1.57 ngm-3,相当于TGM的全球背景值。频繁发生的台风事件是导致青岛沿海夏季TGM浓度高值和低值发生的主要原因。本研究通过青岛沿海和济南城区站点大气汞的观测研究,获得了中国东部地区内陆和沿海城市大气汞的污染水平,阐明了研究区域大气汞的污染特征及输送影响,发现济南城区的大气细颗粒物对汞的超强富集性及潜在的环境风险。采暖活动对城市大气汞浓度贡献显著,海陆风循环会导致沿海大气汞浓度的攀升。本研究结果为填补内陆地区和沿海地区大气汞的研究空白提供数据支撑,对于评估人类活动对大气汞的贡献以及对大气汞污染排放控制提供理论基础。


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