衡山云雾及雨水的化学研究

论文摘要

酸雨一直是国际研究的热点问题,云雾的酸化过程也是导致酸雨产生的主要过程之一,通过研究云雾污染的过程和机理,对研究我国酸雨的产生和大气中酸性污染物的转化具有重要意义；本项目选择衡山气象站进行云雾和降水化学观测。由于该地区独特的地形及地理位置,通过本次观测可以了解该地区的大气污染和降水化学特征,以及污染物的来源及输送态势。2009年3月至5月间,对衡山云雾水、雨水进行了化学观测。观测期间,共采集云雾水样193个,雨水38个。化学分析包括pH值、EC、主要水溶性阴阳离子（氟离子、氯离子、亚硝酸根、硝酸根、硫酸根、铵根、钾离子、钠离子、钙离子和镁离子）和小分子有机酸（甲酸根、乙酸根、草酸根、乳酸根、丙酸根和甲烷磺酸）,研究云雾水和雨水的基本化学特征。结果表明,衡山的云雾pH均值为3.80,表明该地的云雾呈现严重酸性,其中重酸性（pH<4.5）样品比例为76%。与国外观测的云雾水样品相比,本次观测结果酸度明显较高,且变化范围也更大,反映了东亚地区高人为污染排放和高沙尘活动的影响。观测云雾样品中的离子浓度较高（1143.25μeq L-1）。一般云雾水中的主要离子分别是铵盐、硫酸盐、硝酸盐和钙离子,而衡山除这四种离子外,钠离子浓度也较高（高于钙离子）,反映了4-5月份海洋性气团对衡山的影响；此外衡山云雾水中的有机酸比例较高（占阴离子总量的7.79%）,对自由酸度的贡献为3.52%。与20年的观测结果相比,本次观测的云雾酸度大幅度的上升,总离子浓度也有所上升,其中,铵钙等碱性离子变化不大,硫酸根、硝酸根等酸性离子浓度出现上升趋势。衡山降雨也呈现酸性,平均pH值为4.35,而且离子浓度较高（衡山243.31μeq L-1）。铵、钙离子是衡山降水中浓度较高的阳离子,主要受人为活动（包括农业）、东亚地区沙尘以及碱性颗粒物（如建筑扬尘等）的排放影响。硫酸根是衡山降水中浓度最高的阴离子（占总离子的29.2%）,并且97%以上为非海盐源；另外硝酸根浓度也较高,比例约为11%,而硫氮比分别为2.68。衡山降水中的有机酸离子较高,以甲酸和乙酸为主,与衡山所处的亚热带地理位置（植被茂盛、辐射强、自然排放VOC高）有关。与历史观测资料的对比发现,衡山站降水酸度无明显增长,总离子浓度稍有降低,但各成分比例基本维持不变。通过比较离子在云雾和雨水中的比例情况,发现云雾滴对于吸收酸性离子的前体气体具有优势；而雨水的云下冲刷作用更容易引入大气中的颗粒物。主要离子在云雾和雨水间没有明显的相关性关系,这说明云雾气团与降雨云团间存在较大差异。酸度和中和分析表明,本次观测的云雾和雨水中都有大量的酸未被中和,导致很多云雾和降水事件呈现较强酸性,其中云雾和雨水中未被中和的酸的比例分别为28%和35%。硫酸根、硝酸根是云雾和雨水中主要的酸度提供者。另外有机酸对雨水的酸化也起着不可忽视的作用。起中和作用的主要是铵钙等碱性离子。后推气流轨迹分析表明,南部和东部来向的气流所导致的云雾和雨水酸度较高,其离子浓度也很高,。来自于东南方向的气团和局地气团是较清洁的两类气团,它们所带来的云雾和雨水的酸度也是所有气团中最低的。富集因子分析发现。大部分的硫酸根、硝酸根、钾离子和钙离子以及一部分的镁离子（超过一半比例）是来自于非海洋源的贡献。衡山云雾中甲酸与乙酸的浓度之比平均值为1.23,比雨水中的比值要高一些,这个值在雨水中只有0.869。这表明雨水中的甲乙酸主要来自于一次源的贡献,而云雾中的甲乙酸除了一次源的贡献外,相比于雨水有更高比例的二次源贡献。综上所述,本次研究发现该地区的雨水与20年前相比,酸度没有明显增加,但仍然维持在重酸雨的水平上；其酸性物质主要来自于珠三角和长三角地区的人为排放。该研究结果对认识我国酸雨区污染物的来源以及调控酸雨具有一定的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外研究进展
• 1.1.1 云雾化学的研究进展
• 1.1.2 雨水化学的研究进展
• 1.1.3 存在的问题
• 1.2 本文的研究内容及创新点
• 1.2.1 本次研究的主要内容
• 1.2.2 本次研究的主要特色及创新
• 1.3 本研究的意义
• 第2章 实验及研究方法
• 2.1 采样
• 2.1.1 采样点
• 2.1.2 采样仪器
• 2.1.3 采样时间
• 2.2 预处理及化学分析
• 2.2.1 预处理与样品保护
• 2.2.2 分析项目
• 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 相关性分析
• 2.3.4 多元线性分析
• 2.3.5 富集因子法
• 2.3.6 气流轨迹分析
• 2.4 数据质量控制与保证
• 第3章 云雾基本化学特征分析
• 3.1 pH值
• 3.1.1 衡山云雾酸度
• 3.1.2 衡山云雾水观测结果与国内外其他站点对比
• 3.2 基本离子（IC）
• 3.2.1 衡山云雾水化学组成
• 3.2.2 衡山云雾观测结果与全球其他站点对比
• 3.3 衡山站云雾水酸度及化学组成变化趋势
• 3.4 小结
• 第4章 雨水基本化学特征分析
• 4.1 雨水pH值
• 4.2 雨水化学组成
• 4.3 雨水酸度及化学组成变化趋势
• 4.4 雨水与云雾间的关系
• 4.4.1 化学组成比较
• 4.4.2 相关性分析
• 4.5 小结
• 第5章 云雾及雨水的致酸和中和因子
• 5.1 云雾水和雨水中的相对酸度及致酸因子
• 5.2 云雾水和雨水中离子的中和贡献
• 5.2.1 云雾及雨水中的中和因子
• 5.2.2 主要中和因子的中和贡献
• 5.3 小结
• 第6章 大气传输及主要污染物的来源分析
• 6.1 后推气流轨迹分析
• 6.2 主要离子的来源分析
• 6.3 有机酸的来源分析
• 6.4 小结
• 第7章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表