湛江東海島春季海霧霧水化學(xué)特性分析

徐 峰,牛生杰,張 羽,岳巖裕,趙麗娟,蔡壽強(.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,江蘇 南京20044；2.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院,廣東 湛江 524088；.湛江市氣象局,廣東 湛江 52400)

湛江東海島春季海霧霧水化學(xué)特性分析

徐 峰1,2,牛生杰1*,張 羽3,岳巖裕1,趙麗娟1,蔡壽強1(1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,江蘇 南京210044；2.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院,廣東 湛江 524088；3.湛江市氣象局,廣東 湛江 524001)

利用湛江1951～2010年地面觀測資料及2010年3月15日～4月20日在湛江東海島6次海霧觀測數(shù)據(jù),分析了湛江海霧發(fā)生的規(guī)律和霧水化學(xué)特性.結(jié)果表明,湛江海霧屬于酸性海霧,pH值變化范圍從4.80～6.05.海霧發(fā)生初期的電導(dǎo)率比霧發(fā)生期間高很多,說明海霧發(fā)生的初始階段霧水中溶解了大量的污染物.對樣本的電導(dǎo)率與pH值進行非線性擬合,相關(guān)系數(shù)為0.61,表明存在一定的相關(guān)性.湛江東海島霧中各離子濃度很高,與其他城市相比較,湛江海霧陰離子Cl-和NO3-很高,特別是 Cl-達 13000μmol/L,但 SO42-不高;陽離子中 Na+很高.電導(dǎo)率比其他城市偏高.Ca2+和 Mg2+的離子濃度較高,主要是受近地表土壤(主要是鈣和鐵的碳酸鹽)塵埃影響.在霧過程的前期,霧水中各離子成分濃度最高,霧過程期間濃度偏低.各種離子濃度與霧的類型有關(guān).

湛江東海島；海霧；化學(xué)特性；離子濃度；霧水采集

霧是近地層空氣中懸浮著大量水滴、冰晶微粒而使水平能見度小于1km的天氣現(xiàn)象.隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,霧造成的負面影響與日俱增.有研究指出[1],霧導(dǎo)致的經(jīng)濟損失與其他災(zāi)害性天氣,如龍卷風(fēng)、臺風(fēng)造成的經(jīng)濟損失不相上下.海霧是在海-氣相互作用的特定條件下,出現(xiàn)在海面或沿海近地層大氣的一種凝結(jié)現(xiàn)象,除了嚴重影響海面能見度之外,大氣污染物與霧滴相互作用不僅污染大氣,還能轉(zhuǎn)化成酸霧,對人體健康和環(huán)境造成極大的危害.

中國近海岸最主要的多霧區(qū)分布在東海和黃海,沿海自南向北有5個相對多霧區(qū):雷州半島和瓊州海峽、福建沿海、舟山群島、青島至潮連島附近海域、成山頭附近海域.目前,自南向北多霧區(qū)范圍增大,年平均霧日增加,其中雷州半島和瓊州海峽年平均霧日超過 20d[2-4].近年來,我國學(xué)者分別對南京[5-8]、南嶺大瑤山[9]、云南西雙版納[10]、重慶[11]、上海[12]、新疆烏魯木齊[13]、江西廬山[14]、貴州貴陽[15]、貴州龍里[16]、湖山衡山[17]、華南地區(qū)[18]、泰山[19]及浙江舟山[20]等地霧及降水的化學(xué)組分進行了比較系統(tǒng)的研究,取得了較大的成果,但涉及海霧霧水化學(xué)特性的研究相對較少.本項目根據(jù)詳實觀測資料對位于雷州半島的湛江東海島海霧化學(xué)組分進行深入的分析研究.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)簡介及采樣地點

瓊州海峽及北部灣區(qū)域位于我國南海之濱,水汽豐沛,每年的冬春季,冷空氣和海上西南暖濕空氣形成對峙形勢,常形成大霧天氣.不僅霧的強度大而且會出現(xiàn)持續(xù)性的濃霧天氣,海霧已是影響瓊州海峽及北部灣區(qū)域的重大災(zāi)害性天氣之一.對瓊州海峽火車輪渡、湛江億噸大港及即將在湛江東海島開工建設(shè)的特大型鋼鐵、石化項目等均有較大的影響,從經(jīng)濟效益、社會公益服務(wù)角度考慮,對瓊州海峽及北部灣區(qū)域冬春季大霧的化學(xué)組分、微物理特征、活動規(guī)律、形成機理及預(yù)警模式進行研究是十分必要的.

霧水采樣點設(shè)在湛江市東海島(21.28°N、110.20°E),東面臨海,四周空曠.采樣點正對南海,往東約 200m 即到南海海邊,往西直線距離約300m 為湛江市氣象局雷達站,雷達站內(nèi)裝備有新一代天氣雷達 CINRAD、自動氣象站、風(fēng)廓線雷達、100m邊界層氣象要素梯度觀測鐵塔、散射光能見度觀測儀等觀測設(shè)備.

1.2 采樣時間

觀測時間為2010年3月15日至4月20日共 37d.由于有的霧過程濃度較輕,沒有采集到霧水,所以本段試驗期共收集了 6次海霧過程的霧水樣本,樣本采集時間見表1.

1.3 采樣方法及質(zhì)量控制

霧水采樣器為裝有尼龍網(wǎng)的主動式霧水采集器.采樣前先用蒸餾水反復(fù)清洗采樣器的兩層尼龍網(wǎng)和霧水采集瓶,以保證沒有雜質(zhì)干擾,采樣過程中利用聚乙烯管將采集瓶與采集器密封相連,盡量減少空氣中懸浮離子的混入.當(dāng)霧水粒子被尼龍網(wǎng)捕集聚并成大水珠,順尼龍絲直接進入收集瓶中.分時間段采集霧水,每個樣品10～15mL,由于霧水濃度不同,所以每個樣品收集的時間有所不同.將采集到的霧水裝入用蒸餾水沖洗過的聚乙烯塑料瓶中,共采集霧水樣本 19個.對樣品的電導(dǎo)率進行現(xiàn)場檢測(由于pH計儀器故障,未進行現(xiàn)場檢測);檢測完畢后將樣品使用錫箔紙包好,置于冰箱保存,1個月后帶回實驗室對霧水中的離子成分和 pH值進行檢測.首先對霧水樣品進行 1次過濾,檢測時由于霧水中鈉離子和氯離子濃度過高,會對儀器有所損傷造成數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證,所以對樣品進行了適度的稀釋.每個樣品檢測時注射兩針1mL的霧水,對2次檢測結(jié)果取平均值.

為了確定霧過程的開始和結(jié)束時間,在同一觀測地點安裝了VPF-730能見度儀.VPF-730能見度儀利用紅外線技術(shù)測量在樣品區(qū)內(nèi)的散射顆粒,得到EXCO大氣消光系數(shù),再從EXCO導(dǎo)出MOR氣象光學(xué)視程和能見度.氣象要素采用安裝在湛江東海島雷達站內(nèi)的自動氣象站(110.20°E、21.28°N)資料.

1.4 分析方法

在現(xiàn)場使用電導(dǎo)率儀對霧水電導(dǎo)率進行測定后霧水樣品存放于冰箱中,之后帶回實驗室內(nèi),檢測pH值、分析其化學(xué)組成.霧水的pH值是利用pHS-25(A/B/C)、pHS-29(A/B/C)酸度計檢測,該儀器是一種測量精度不高于0.03pH的普通型數(shù)字酸度計.霧水陰離子利用戴安免化學(xué)試劑ICS-2000離子色譜儀(美國Dionex)測定.霧水中陽離子(除 NH4+以外)利用美國熱電 ICP-IRIS Intrepid II XSP型等離子體光譜儀進行分析,按國家降水分析標(biāo)準方法進行.

2 結(jié)果與分析

2.1 霧水pH值與電導(dǎo)率分析

霧水的pH值反映了參與的大氣氣體和氣溶膠微粒的化學(xué)組成的酸堿性質(zhì).表 1為湛江東海島實驗期間6次霧過程中霧水采樣器的平均pH值和電導(dǎo)率.根據(jù)結(jié)果分析,湛江地區(qū)海霧屬于酸性海霧,pH值的變化范圍從 4.80～6.05.電導(dǎo)率的變化范圍為 229～6190μS/cm.與舟山海霧霧水的pH 值(3.75～7.26)[20]相比,湛江東海島的霧水 pH值變化范圍要窄很多.

表1 湛江東海島采樣霧水的pH值和電導(dǎo)率Table 1 The pH and electrical conductivity of the fog water samples on Donghai Island in Zhanjiang

圖1為東海島海霧觀測實驗期間6次霧過程中的平均 pH值和電導(dǎo)率值,霧發(fā)生初期的電導(dǎo)率比霧發(fā)生期間高很高,說明霧發(fā)生的初始階段霧水中溶解了大量的污染物.第 3次過程中電導(dǎo)率最低, pH值最高.圖2為電導(dǎo)率與pH值之間的關(guān)系,對其進行非線性擬合,相關(guān)系數(shù)為 0.61,存在一定的相關(guān)性.

值得注意的是,2010年3月19日暴發(fā)了自2009年1月份以來影響中國范圍最大,強度最廣的沙塵天氣,20日向中東部擴展,觀測期間第2次霧水采集過程(3月22日夜間)采集到的霧水樣本均有泥沙沉淀,霧水明顯呈乳黃色,而其余過程霧水均呈白色透明狀.從觀測結(jié)果看,這次沙塵暴天氣之后的第 3次過程霧水電導(dǎo)率值最低,平均為493.2;且pH值也較高,平均為5.71,說明沙塵沉降對空氣中懸浮的離子有清除作用.

圖1 6次霧過程中平均pH值和電導(dǎo)率值Fig.1 The average pH and electrical conductivity values of the six fog events

2.2 霧水化學(xué)成分特征分析

2.2.1 霧水化學(xué)組分 對東海島采樣霧水進行化學(xué)分析,結(jié)果如表2所示.對霧水采集器同一時段的霧水中離子濃度取平均來代表該時段此種離子的濃度.第 1次和第 3次霧過程,即3月 16日和23日各陰陽離子濃度較低.第6次過程4月6日濃度最高.與其他地區(qū)觀測值相比較,第2、4、5、6過程離子濃度普遍偏高,Cl-濃度非常高,電導(dǎo)率也偏高.

一般情況下,硫酸根、銨根是污染性離子,但在湛江的觀測中這兩種離子濃度不是最高.海水中主要成分陽離子為 Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Sr2+5 種,陰離子有 Cl-、SO42-、Br-、HCO3-和 F-5種,總的可占到99.9%.觀測表明,湛江東海島春霧離子濃度較高,與海洋的成分存在明顯關(guān)系,受海洋影響比較明顯,氯和鈉離子很高.

表2 湛江東海島春季霧水中各種離子濃度Table 2 The concentration of the ions of spring fog on Donghai island of Zhanjiang

圖2 電導(dǎo)率與pH值之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between the electrical conductivity and pH

2.2.2 霧水離子平均濃度分析 圖3為6次霧水采集過程各離子組分的平均值(NH4+除外),陰離子中 Cl-濃度最高,達 13000μmol/L,陽離子中Na+濃度最高,與采集霧水為海霧有關(guān).Ca2+和Mg2+的離子濃度較高,可能受近地表土壤(主要是鈣和鐵的碳酸鹽)塵埃影響,它們可以溶于含有碳酸的霧水中.

圖3 6次霧過程各離子濃度的平均值Fig.3 The average ionic concentrations of the six fog events

3 討論

3.1 氣候特征及氣象因素

將湛江每年 2、3、4月定義為春季.從圖 4中可以看出,在1951年到2009年的59年中,湛江站霧日基本出現(xiàn)在每年的1～4月和12月,這5個月的累計霧日數(shù)有 1347d,占總霧日數(shù)(1459d)的92.32%.統(tǒng)計表明,湛江霧日基本出現(xiàn)在冬、春兩季,由此說明3、4月份霧的觀測是有代表性的.

圖4 1951～2009年湛江站月總霧日數(shù)變化Fig.4 The monthly change in the fog days at Zhanjiang Station from 1951 to 2009

圖5 是2001～2010年間2、3、4月份霧日數(shù)的走勢分布圖,可以看出,湛江春霧近 10年來整體呈上升趨勢,其中 2005年的霧日數(shù)最多,高達42d,其次是2010年,為37d.

湛江霧日數(shù)明顯增加與沿海工業(yè)城市灰霾天氣明顯增多有關(guān).根據(jù)廣東省氣象局2008年氣候公報的資料,2008年湛江的灰霾日數(shù)為 121d,而2003年僅為40d.沿海地區(qū)海鹽巨粒子氯損耗機制是造成湛江灰霾日數(shù)迅速增加的重要原因

[21].當(dāng)巨鹽粒子存在于未污染沿海大氣中,其尺度遠大于可見光波長,而數(shù)量又很少,對能見度影響甚微,但處于沿海城市污染大氣中,海鹽巨粒子會與污染物發(fā)生反應(yīng),生成硝酸鹽與硝酸鹽細粒子并放出氯氣,造成氣溶膠中的氯損耗[22].一個直徑為 10μm 的海鹽巨粒子可以生成數(shù)千個次微米級的細粒子氣溶膠,從而使能見度明顯惡化,在水汽條件滿足的情況下使得霧日數(shù)明顯增加.湛江近年來工業(yè)化進程發(fā)展迅猛,對霧日數(shù)顯著增加產(chǎn)生了較大影響.

圖5 2001～2010年湛江站春霧日數(shù)分布Fig.5 The distribution of the spring fog days during the recent decade at Zhanjiang Station

采樣的 6次霧過程中,霧發(fā)生時期的風(fēng)速基本在 3m/s左右,風(fēng)向變化不大,溫度夜間偏低,白天升高.第1次過程3月16日夜間溫度高于白天,風(fēng)向以偏北風(fēng)為主,結(jié)合當(dāng)天的天氣形勢分析可知:這次霧的發(fā)生屬冷鋒前暖區(qū)型,即來自西伯利亞的冷空氣不斷向南侵襲,與華南暖濕氣流交匯混合而形成鋒面霧,隨著冷鋒推進到海上,大霧過程就結(jié)束了.霧水各離子濃度都不是很高.其余 5次過程基本屬于平流霧,風(fēng)向以偏東風(fēng)為主.第 3次霧過程發(fā)生時風(fēng)速比第 2次要小,且風(fēng)向略向南偏,對離子濃度的降低有一定的影響.

3.2 6次霧過程中離子濃度及對比

圖6是不同過程中主要陰陽離子濃度的變化,可以看出Na+和Cl-在第6次過程要明顯高于其余5次過程的濃度值.第1次過程中各離子濃度值比較低,從氣象因子分析可以看出,第1次過程風(fēng)向以偏北風(fēng)為主,而其余5次過程主要以偏東風(fēng)為主,可能與遠距離輸送的大量污染物中含有豐富的污染性離子有關(guān),從而造成霧水中離子濃度很高.第2次過程中Ca2+有明顯的增加,沙塵暴發(fā)生時期Ca、Si、K、Al、Fe離子濃度會有增加的趨勢,第2次過程可能是受到3月19日暴發(fā)的大規(guī)模沙塵天氣影響,導(dǎo)致Ca離子濃度升高,其他離子成分濃度較低,不易檢測,Si不易溶于水,也不易檢測出來.

圖6 不同過程中陰陽離子濃度的變化Fig.6 The variations of the anions and cations concentratinos during the different fog events

圖7 不同霧過程中離子濃度隨時間的變化Fig.7 The temporal variations of the ionic concentrations during the different fog events

3.3 不同霧過程中離子濃度隨時間變化

圖7為4次霧水采集過程,各種離子組分隨時間的演變.在每 1次過程中(第 1次過程除外,因為只有1個霧水樣本),Cl-離子和Na+離子濃度在霧過程的初期均為最高,3次過程中Cl-離子濃度都高達 7000～50000μmol/L,Na+離子濃度高達6800～44000μmol/L,之后總體趨勢是隨時間迅速減小,這與霧水的沉降沖刷作用有關(guān),其中也有很少部分時間是隨時間增加的,但增加的量很小,這應(yīng)該是局地湍流輸送的作用,霧過程后期相對穩(wěn)定.Ca2+和Mg2+的離子濃度也隨時間呈減小趨勢,有一定的霧水沉降沖刷作用,但不十分明顯.其余各離子的濃度本身較低,隨時間變化相對比較穩(wěn)定.出現(xiàn)濃度值缺失的離子為濃度太低,儀器未檢測到.

3.4 與其他地區(qū)霧水組分對比分析

與其他城市相比較(表 3),湛江海霧陰離子Cl-和 NO3-很高,特別是 Cl-,但是 SO42-不高;陽離子中 Na+很高.電導(dǎo)率與其他城市相比最大,與舟山海霧存在明顯差別,原因(城市現(xiàn)代化發(fā)展導(dǎo)致污染物增加、南海地域性特點或是珠三角的影響等)需進一步探討.

表3 湛江東海島春季霧水中各種離子濃度與我國其他區(qū)域的比較Table 3 The comparison between the ionic concentrations in the spring sea fog water on Donghai Island in Zhanjiang and in the other areas in China

4 結(jié)論

4.1 湛江地區(qū)海霧屬于酸性海霧,pH值的變化范圍從4.80～6.05.霧發(fā)生初期的電導(dǎo)率比霧發(fā)生期間顯著偏高,電導(dǎo)率與 pH值之間相關(guān)系數(shù)為0.61,存在一定的相關(guān)性.

4.2 觀測表明海霧中各離子濃度很高.與其他城市相比較,湛江海霧陰離子 Cl-和 NO3-很高,特別是 Cl-,達 13000μmol/L,但是 SO42-不高.

4.3 湛江海霧中陽離子中 Na+濃度最高,Ca2+和Mg2+的離子濃度較高,可能受近地表土壤(主要是鈣和鐵的碳酸鹽)塵埃影響.

4.4 在霧發(fā)生前期霧水中各離子成分濃度最高,霧發(fā)生期間采集的霧水濃度偏低,霧發(fā)生后期收集到的霧水濃度沒有前期高,但基本略高于霧發(fā)生期間的濃度.

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致謝：感謝南京信息工程大學(xué)湯莉莉博士在霧水樣品分析檢測中給予的支持和幫助.

Analyses on chemical characteristic of spring sea fog water on Donghai Island in Zhanjiang, China.

XU Feng1,2, NIU Sheng-jie1*, ZHANG Yu3, YUE Yan-yu1, ZHAO Li-juan1, CAI Shou-qiang1(1.School of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information and Science Technology, Nanjing 210044, China；2.College of Ocean and Meteorology,Guangdong Ocean University, Guangdong Province, Zhanjiang 524088, China；3.Zhanjiang Bureau of Meteorology,Guangdong Province, Zhanjiang 524001, China). China Environmental Science, 2011,31(3)：353～360

The frequency of fog occurrence and fog water chemical characteristics are analyzed based on the surface observation data at Zhanjiang Station from 1951 to 2010 and the sea fog observation data on Donghai Island in Zhanjiang from 15 March 2010 to 20 April 2010. Result shows that the sea fogs in Zhanjiang are acidic, with pH in the range of 4.80～6.05. The electrical conductivity of the fog water during the formation stage is higher than that during the duration stage, indicating that a large amount of pollution dissolves in the fog water when fog forms. The non-linear fitting result of the relationship between the electrical conductivity and pH shows that the correlation coefficient is 0.61, indicating a certain connection between these two properties. Compared with the fog water in the other areas in China, the ionic concentrations of Zhanjiang fog are higher. Cl-and NO3-are the dominant anions, especially Cl-reaching 13000 μmol /L,but SO42-is lower; with regard to the cation, Na+dominates. The electrical conductivity is higher than those in the other areas. The higher concentrations of Ca2+and Mg2+are dominantly affected by near-surface soil dust (mainly carbonate of calcium and iron). The ionic concentrations are higher during the early stage of fog and decrease during the fog development. The ionic concentrations are related to the fog types.

Donghai island in Zhanjiang；sea fog；chemical characteristics；ionic concentration；fog water collection

X16

A

1000-6923(2011)03-0353-08

2010-08-02

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY(QX)2007-6-26;江蘇省青藍工程“云霧降水與氣溶膠研究”創(chuàng)新團隊資助項目;廣東海洋大學(xué)科研項目(1012157)

* 責(zé)任作者, 教授, niusj@nuist.edu.cn

徐 峰(1962-),男,安徽滁州人,副教授,博士研究生,主要從事大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境研究.發(fā)表論文近20篇.