基于單顆粒質譜研究云霧水和降雨中顆粒物的化學成分

陽宇翔, 彭加仙, 傅玉珍, 張國華, 林欽浩,李 磊, 代 新, 畢新慧, 王新明

基于單顆粒質譜研究云霧水和降雨中顆粒物的化學成分

陽宇翔1,2, 彭加仙3, 傅玉珍1,2, 張國華1,4*, 林欽浩5,李 磊6, 代 新7, 畢新慧1,4, 王新明1,4

(1. 中國科學院 廣州地球化學研究所 有機地球化學國家重點實驗室 廣東省環(huán)境保護與資源利用重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 上海大學 環(huán)境與化學工程學院, 上海 200444; 4. 中國科學院 廣州地球化學研究所 粵港澳環(huán)境污染過程與控制聯(lián)合實驗室, 廣東 廣州 510640; 5. 廣東工業(yè)大學 環(huán)境科學與工程學院 環(huán)境健康與污染控制研究院, 廣東 廣州 510006; 6. 暨南大學 質譜儀器與大氣環(huán)境研究所, 廣東 廣州 510632; 7. 廣州禾信康源醫(yī)療科技有限公司, 廣東 廣州 510700)

氣溶膠可作為云凝結核或冰核參與云霧和降水的形成。然而, 現(xiàn)有研究大多以云霧水和降雨中的水溶性組分為研究對象, 對于難溶性組分的認識還十分有限。本研究于2017年5～6月在廣東天井山觀測站(24°41′56″N, 112°53′56″E, 海拔1690 m)采集了21個云霧水和9個雨水樣品, 利用單顆粒氣溶膠質譜直接分析其中的單顆?；瘜W成分。通過聚類分析發(fā)現(xiàn): (1)海鹽、礦塵顆粒和生物氣溶膠對云凝結核和冰核的貢獻較高(數(shù)量占比為67.3%～75.1%)。結合氣團軌跡分析發(fā)現(xiàn), 海鹽氣溶膠經(jīng)長距離的內陸輸送后仍是重要的云凝結核和冰核; (2)云霧水和雨水中顆粒類型差異較大, 云霧水中海鹽(35.7%)、有機物(12.1%)、有機胺(8.0%)及Fe(6.4%)的貢獻更大, 而雨水中礦塵(35.6%)、與有機物混合的黑碳顆粒(18.9%)的貢獻高, 反映了氣溶膠形成暖云和混合相云過程的差異。

云霧水; 雨水; 化學組分; 單顆粒氣溶膠; 天井山

0 引 言

氣溶膠是指懸浮在氣體介質中的固態(tài)或液態(tài)顆粒所組成的氣態(tài)分散體系[1], 其來源廣泛(包括礦塵、海鹽、生物氣溶膠和二次氣溶膠等)。氣溶膠會帶來酸沉降、溫室效應、陽傘效應等一系列環(huán)境氣候效應[2–3]和人體的健康效應[4]。研究表明, 云霧過程(云中清除)和降雨(總濕清除)是氣溶膠重要的濕清除方式, 同時也是重要的匯[1]。云凝結核(cloud condensation nuclei, CCN)是指在云中過飽和條件下能夠形成云滴的氣溶膠粒子, 冰核(ice nuclei, IN)是能夠在高于?40 ℃的條件下形成冰晶的粒子[5]。根據(jù)云中凝結核的類型云可分為暖云(只含液態(tài)云滴)、混合相云(液態(tài)云滴和冰晶共存)和冰云(只含有冰晶)。降雨通常在混合相云或冰云中形成[6]。雨水與云霧的差異主要在于雨水包含了云下清除, 但研究表明, 云中清除比云下清除效率更高[7]。不同種類氣溶膠對降水云(混合相云或冰云)和暖云形成可能存在較大差異。因此, 開展云凝結核和冰核研究對于深入認識氣溶膠與云的相互作用具有重要的作用。

由于酸沉降問題較突出, 早年間的云霧水和雨水化學組分的研究集中于酸度和水溶性離子[8]。隨著研究的深入和研究手段的發(fā)展, 科學家得以進行了分粒徑段研究和更多化學組分的測定[9–10]。盡管如此, 現(xiàn)有的分析手段大多只能獲得云霧水化學組分的整體平均信息, 并且主要針對水溶性組分。如氣溶膠質譜儀(aerosol mass spectrometry, AMS)、傅利葉變換離子回旋共振質譜(fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, FT-ICR MS)等只能測定其中的可溶組分。實際上, 云凝結核、冰核顆粒中含有許多難溶的物質[11], 單個顆粒的研究則能夠得到每個顆粒的化學組分及其混合狀態(tài), 包括難溶性顆粒物的化學組分[12], 這有利于深入探討不同來源顆粒物的濕清除機制。

目前對單個顆粒氣溶膠的研究, 大多集中于城市、高山環(huán)境大氣顆粒物的化學組分、混合狀態(tài)及大氣老化過程[13–14], 針對云霧水和降水中氣溶膠單顆?；瘜W成分的認識仍十分有限?，F(xiàn)有部分研究通過連接云霧滴的采集裝置(逆流虛擬撞擊器、地用逆流虛擬撞擊器、冰核用逆流虛擬撞擊器和泵抽式逆流虛擬撞擊器), 可實現(xiàn)對云霧滴殘余物的在線觀測[15–17]。在云霧滴殘余物中發(fā)現(xiàn)云凝結核的組分包括幾乎所有的氣溶膠組分, 但作為云凝結核的相對活性存在顯著的差異[15–16,18]。在冰核顆粒中檢測到黑碳、礦塵顆粒(如金屬氧化物)、生物氣溶膠(細菌、真菌、花粉等)、海浪飛沫乃至火山灰等[17,19–20], 它們的冰核活性也不盡相同。通常認為, 生物氣溶膠和礦塵顆粒的冰核活性較高[17]。Seifert[21]發(fā)現(xiàn), 火山灰作為冰核時, 能在?15 ℃時就形成冰, 遠低于普通冰核對低溫的要求(

由于技術限制, 在線采集的云霧滴粒徑通常高于一定的閾值(如7 μm), 造成粒徑小于該閾值的云霧滴信息的缺失。離線采集云霧水可降低云霧滴粒徑下限(至3.5 μm), 有利于補充對單個顆粒云霧化學組分的認識。利用該方法, Creamean[12,23–24]對Sierra Nevada山脈雨水殘余物和混合相云的云滴殘余物分析發(fā)現(xiàn), 冰核顆粒以礦塵、生物氣溶膠為主, 兩者的存在使得降雨量增加; 當這兩者呈現(xiàn)內混時, 冰核活性明顯增強。而云凝結核中含有較多的有機殘留物。Holecek[25]對太平洋東北部、印度洋兩地的大氣顆粒物和雨水殘余物進行了對比, 認為兩者的共同組分(礦塵、植物碎屑、海鹽與黑碳的混合物)是主要的云凝結核和冰核。Olson[26]在美國五大湖區(qū)通過比較湖水飛沫氣溶膠及其上空云霧水的不同元素元素物質的量的比, 發(fā)現(xiàn)兩者具有類似的無機鹽成分, 指示了飛沫氣溶膠對云凝結核和冰核的貢獻。

本研究擬從單個顆粒的層面對云、雨水的化學組分進行分析, 了解其中的顆粒類型(可能作為凝結核的化學組分); 并比較云霧水和雨水化學組分的差異, 探討廣東天井山不同氣溶膠形成暖云和混合相云過程的差異。

1 材料與方法

1.1 天氣條件和樣品采集

2017年5月18日至6月11日, 在天井山觀測站(24°41′56″ N, 112°53′56″ E; 海拔1690 m)開展外場觀測。天井山觀測站位于廣州市區(qū)以北200 km, 距離中國南海北部350 km, 坐落在一個國家森林公園內(面積273 km2), 受人為影響較小[16]。此地四季均受季風影響, 夏季盛行西南和東南季風, 易受珠三角污染物長距離傳輸?shù)挠绊慬27], 除了O3濃度較高外, 其余污染物濃度通常較低[28], 可視為背景區(qū)域。在本次觀測中, SO2濃度較為平穩(wěn)(0.2～1.2 μg/m3), NO2和O3的濃度范圍分別為0.5～7.0 μg/m3和4.5～79.2 μg/m3(數(shù)據(jù)來源于觀測站)。有云霧和降雨出現(xiàn)時, 氣團主要來自西南方和南方(圖1); 氣溫始終在10 ℃以上, 為暖云特征[18]。單次降雨量最大達25.76 mm。在先前的在線觀測中, 黑碳(black carbon, BC)被發(fā)現(xiàn)是重要的云凝結核(在云滴殘余物中的數(shù)量占比為49.3%)[16]。

利用美國科羅拉多州立大學自主研發(fā)的云霧水收集器(CASCC2)[29]采集云霧滴至250 mL聚乙烯瓶; 利用聚乙烯漏斗和平底燒瓶采集雨水, 于4 ℃冷藏待分析。采集不同樣品時, 用無水乙醇和超純水洗凈、晾干后再采集下一個樣品, 避免樣品之間的交叉污染。此外, 漏斗、平底燒瓶和云霧水收集器洗凈、晾干后, 用超純水充分沖洗CASCC2入口的四壁和Teflon隔板, 液體經(jīng)由Teflon凹槽和連接管流入下端聚乙烯瓶, 作為云霧水空白樣品。用超純水充分沖洗漏斗, 液體流入平底燒瓶, 作為雨水空白樣品。本研究共采集云霧水樣品21個, 雨水樣品9個, 云霧水空白樣品1個, 雨水空白樣品1個, 時間序列見圖2。

1.2 樣品分析

單顆粒氣溶膠質譜儀(single particle aerosol mass spectrometry, SPAMS, Hexin Analytical Instrument Co., Ltd.)的簡要原理如下: 氣溶膠顆粒通過微孔進入SPAMS, 通過兩束釔鋁石榴石晶體測徑激光測定真空動力學粒徑。隨后, 被波長266 nm的脈沖激光電離, 產(chǎn)生的正負離子信息被記錄[30]。

所有樣品各取50 mL于氣溶膠發(fā)生器中, 霧化、干燥后進入SPAMS, 每個樣品記錄約2000個顆粒, 保證了一定的統(tǒng)計意義。用超純水進行10 min空白實驗, 被儀器檢測到的氣溶膠少于30個, 說明實驗方法可靠。云霧水空白樣品和雨水空白樣品分別測試10 min, 被儀器檢測到的氣溶膠少于40個, 說明采樣裝置的清潔程度可以滿足分析需要。一個樣品檢測完成后, 利用超純水將發(fā)生器洗凈, 用零氣吹干, 通入氣流直至無顆粒被儀器檢測到后, 更換下一個樣品, 避免樣品之間的污染。

圖1 利用ArcGIS 10.3 繪制的觀測期間主要氣團后向軌跡(72 h, 海拔1800 m)

相應數(shù)據(jù)可從https: //ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php獲取, 火點數(shù)據(jù)可從https: //earthdata.nasa.gov/獲取。

The back trajectory data are available at https: //ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php and fire data are available at https: //earthdata.nasa.gov/.

圖2 云霧水和雨水采樣的時間序列

綠色、藍色和空白部分分別代表雨水、云霧水的采樣時段和非采樣時段。綠色和藍色重疊部分說明降雨發(fā)生在云事件期間, 但這些降雨強度較小, 觀測站記錄的降雨數(shù)據(jù)為0, 說明這些事件對云霧水采集的影響可以忽略。

The green, blue and blank part of the bars denotes the periods of rainwater sampling, cloud water sampling and non-sampling, respectively. The overlappedtime periods of rainwater and cloud water sampling was featured by a cloud with a drizzle while rainfall data from the observation station was zero, indicating a hardly influence on cloud water sampling.

2 結果與討論

2.1 云霧水、雨水的顆粒類型

本研究共得到顆粒約110000個, 利用自適應共振神經(jīng)網(wǎng)絡(ART-2a)分類方法根據(jù)顆粒的主要離子和強度進行分類, 再手動合并為生物氣溶膠(Bio)、礦塵(Dust)、海鹽(SS)、鐵與有機物的混合物(Fe-OC)、有機胺(Amines)、黑碳與有機物的混合物(ECOC)、有機物(OC)和其他(Others)共8類。云霧水和雨水樣品中均發(fā)現(xiàn)這8類顆粒, 其平均質譜圖見圖3。

本研究得到大部分顆粒的負譜圖中都含有含氮有機物(?26 CN?、-42 CNO?)和磷酸鹽(?63 PO– 2、?79 PO– 3), 這說明樣品受生物氣溶膠的影響較大[31–32]。這可能與采樣點四面環(huán)山, 植被覆蓋率極高有關。由于生物氣溶膠與礦塵可能出現(xiàn)互相混合的情況, 首先在所有顆粒中CN?、CNO?、PO– 2和 PO– 3同時存在, 且以相對峰面積比值CN?/CNO?> 1、PO– 3/PO– 2> 2的條件篩選生物氣溶膠顆粒[32]。生物氣溶膠顆粒的譜圖除了選出的CN?、CNO–、PO– 2和PO– 3外, 正譜圖中有明顯的Ca(40 Ca+)。

礦塵的正譜圖以鋁(27 Al+)和Ca+為主, 負譜圖中有明顯的磷酸鹽, 說明與生物氣溶膠顆粒形成了內混, 且可能受到土壤、礦塵的影響。與生物氣溶膠的譜圖相比, 礦塵含有較弱的生物氣溶膠特征峰和明顯的 Al+。Li.[33]在被沙塵暴影響的衡山云霧水中檢測到了大量地殼元素(如Al)。Koehler[34]對Owens湖床的沙塵研究指出, 由于該地沙塵中的可溶性組分占比較大, 它既可作為暖云的云凝結核, 又可以作為混合相云或冰云的冰核。

海鹽顆粒的正質譜圖以Na+Mg+和Ca+為主, 負譜圖主要包括硫酸鹽(?97 HSO– 4)、磷酸鹽和硝酸鹽(?46 NO–2、?62 NO– 3), 還有少量的氯離子(?35/?37 Cl?)。由于采樣期間以西南氣團和南方氣團等海洋氣團為主, 海鹽顆?？赡苡珊＠孙w沫氣溶膠演變而來[18,35]。2016年在同一地點的觀測也表明, 海洋氣團中與海鹽有關的離子峰面積(81/83 Na35 2Cl+/Na37 2Cl+)是陸地氣團的(3.8±2.4)倍[16]。Gioda[36]發(fā)現(xiàn), 在海洋背景區(qū)域, 云霧水、雨水和氣溶膠中的離子均以Na+和Cl?占優(yōu)勢(50%～65%), Na+、Mg2+和Ca2+遠高于其他陽離子。少量Cl?的存在說明海鹽受到了一定程度但并不完全的老化[37], 這是因為新鮮海鹽在長距離傳輸過程中會與無機酸或有機酸發(fā)生Cl的置換或取代反應, 造成Cl損失[38–39]。

圖3 8類顆粒的平均質譜圖

Bio–生物氣溶膠; Dust–礦塵; SS–海鹽; Amines–有機胺; ECOC–黑碳與有機物的混合物; OC–有機物; Fe-OC–鐵與有機物的混合物; Others–其他。

本次觀測得到的有機物類譜圖中含有較多有機物的特征峰, 最明顯的為43 C2H3O+, 此外還有27 C2H+ 3、37C3H+和51 C4H+ 3等[16]。從火點圖(圖1)和質譜圖(圖3)上看, 有機物在一定程度上受到了生物質燃燒的影響(K+的信號較明顯)。除了有機物外, 鐵和黑碳與有機物混合的顆粒中都含有有機物。早在2004年, 郭璇華等[40]就在雨水中檢出了158種有機物。Mazzoleni[41]利用FT-ICR MS檢測出了霧水中1368種相對分子質量為100～400的有機物, 主要包括有機硫、有機氮和有機氮硫化合物, 以及只含C、H、O的有機物。Holecek.[25]發(fā)現(xiàn), Hanimaadhoo島上雨水殘余物中有機物與Na混合的顆粒占比高達73%, 體現(xiàn)了海洋季風對有機物的重要影響。觀測期間, 黑碳與有機物混合顆粒的譜圖特征主要是碳簇離子(C± n,≤ 5)附近有明顯的有機物峰(如C3H+、50 C4H+ 2), 負譜圖中除了碳簇離子外以硫酸鹽為主。鐵與有機物混合顆粒的正譜圖中以Fe (56 Fe+)為主, 輔以較多有機特征峰(如C2H3O+); 負譜圖中含有硫酸鹽、磷酸鹽等。在我們之前的云霧觀測中, 未見Fe與有機物內混的顆粒, 但云滴殘余物的含F(xiàn)e顆粒中的草酸高于間隙顆粒和環(huán)境顆粒, 因為Fe與云中液相反應生成的草酸形成了絡合物[42]。

有機胺譜圖中主要含有氨(18 NH+ 4)、三甲胺(trimethylamine, TMA,59 ((CH3)3N+))、硝酸鹽(含?124 (NO3)– 2))和硫酸鹽等。先前的研究指出, 云霧過程有利于有機胺的形成[43]。在雨水中有機胺也廣泛存在, 主要來源于氣相和顆粒相的清除[44]。在高濕度(92±7)%條件下, 直接溶解是影響有機胺氣粒分配的關鍵步驟[45], 這可能影響含有機胺云凝結核和冰核顆粒的濃度和活性。

其他少量(2.8%)沒有明顯質譜特征的顆粒歸為其他。這類譜圖中除Na+、Mg+、Ca+外, 還有較弱的Pb(206 207 208 Pb+)峰, 負譜圖的譜圖特征與其他顆粒類似。

2.2 云霧水與雨水化學組分的差別

圖4a和圖4b分別展示了8類顆粒分別在云霧水和雨水中的占比。從圖中可知, 云霧水中海鹽、有機胺、Fe-OC和有機物顆粒占比明顯大于雨水, 而雨水中礦塵顆粒和黑碳與有機物混合顆粒的占比大于云霧水。據(jù)此推斷, 云霧水受海洋的影響大, 而雨水受到土壤揚塵的影響更大。

圖4 8類顆粒在云霧水(a)和雨水中(b)的占比

Bio–生物氣溶膠; Dust–礦塵; SS–海鹽; Amines–有機胺; ECOC–黑碳與有機物的混合物; OC–有機物; Fe-OC–鐵與有機物的混合物; Others–其他。

從圖4可以看到, 云霧水和雨水中生物氣溶膠顆粒占比接近, 且比大部分類型占比高(約10%), 這說明生物氣溶膠顆?？赡苁窃颇Y核和冰核的重要來源。這與Casareto[46]的研究結果類似。他們首次在日本的雨水中發(fā)現(xiàn), 不可溶顆粒中生物顆粒占23%～34%, 主要以細菌和葉子碎片為主, 大部分與礦物形成內混。這些發(fā)現(xiàn)表明生物氣溶膠顆粒被云霧水捕集或被降水從大氣中清除的效率較高, 可能是云凝結核和冰核的重要組分。

礦塵在雨水中的占比比云霧水中高12.7%。在珠三角地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn), Ca2+是雨水中濃度最高的陽離子[47]。礦塵作為云凝結核和冰核中的重要成分, 已在許多研究中報道[12,25,48]。Creamean[12]發(fā)現(xiàn), 長距離傳輸?shù)牡V塵顆粒與生物氣溶膠顆?；旌虾蟪尸F(xiàn)出更強的冰核活性。此外, 由于礦塵顆粒通常分布在大粒徑范圍內[48], 降雨對粗粒子模態(tài)(>2 μm)的顆粒(如礦塵顆粒)清除效率高, 而云霧過程對積聚模態(tài)(0.2～2 μm)的顆粒清除效率高[7,49], 這兩者都有可能是礦塵在雨水樣品中占比高于云霧水的重要原因。

云霧水中海鹽顆粒的占比比雨水高5.8%。Wang[50]在青藏高原色季拉山對云霧水和雨水的研究發(fā)現(xiàn), Ca2+、Na+和Mg2+的濃度在兩者中均最高, 且云霧水中的離子濃度高于雨水。Budhavant[51]在印度一高海拔站點對云霧水和雨水離子成分的研究也呈現(xiàn)類似的現(xiàn)象。在本次外場在線觀測中發(fā)現(xiàn), 亞微米級(< 1 μm)的海鹽顆粒在小粒徑云滴中得到了富集, 這主要是因為亞微米海鹽顆粒上的有機物較少, 云凝結核活性提升, 導致亞微米海鹽顆粒數(shù)增多[18]。Zheng[52]在2016年4～6月測定了華南地區(qū)雨滴的粒徑, 發(fā)現(xiàn)小時平均中值粒徑為0.56～0.74 mm, 遠高于采集的云滴粒徑。這可能是云霧水中海鹽占比高于雨水的重要原因。

有機胺幾乎只在云霧水中被檢測到。Youn[53]在美國的研究發(fā)現(xiàn), 二甲胺(DMA)是云霧水和氣溶膠中最主要的脂肪族有機胺。在有山火發(fā)生時, 云霧水中的二甲胺濃度顯著增高, 可能是二甲胺向云霧水的溶解造成的。而云滴殘余物中濃度降低, 可能與云滴蒸發(fā)后二甲胺的揮發(fā)有關。在先前的云霧在線觀測中, 有機胺在云霧中的含量高于環(huán)境空氣[16,43]。在混合相云和冰云的冰核中, 未見有關有機胺的報道。

黑碳與有機物的混合顆粒在雨水中的占比(18.9%)遠高于云霧水(2.6%)。黑碳常在云霧水和雨水中被檢測到[51,54]。2016年1月于該觀測點的研究表明, 黑碳與有機物的混合顆粒的云中清除效率低于與更多硫酸鹽內混的黑碳顆粒[55]。這主要是因為硫酸鹽的吸濕性(= 0.51～1.01)高于有機物(= 0.006～0.44)[56]。由于黑碳與有機物的混合顆粒水溶性較低, 可能作為冰核更多地存在于雨水中。不同的是, 云霧水中的有機物(12.1%)顯著高于雨水(0.6%)。從平均譜圖中可以看出, 有機物顆粒中硫酸鹽的相對峰面積在所有顆粒類型中最高, 說明有機物顆粒具備一定的吸濕性。此外, 云中生成可能是云霧水中有機物占比高的一個重要原因[57–58]。2016年1月于該地的在線觀測發(fā)現(xiàn), 云滴殘余物中的草酸含量遠高于背景空氣, 反映了液相反應對有機物生成的重要貢獻[57]。類似地, 鐵與有機物的混合顆粒在云霧水中占比(6.4%)高于雨水(2.1%)。從質譜圖中可以看出, 這類顆粒含有明顯的CN?、CNO?、PO– 2和PO– 3, 也可能與生物氣溶膠顆粒有關。在此次采集的云霧水中, 變形菌是主要細菌群落(71.36%)[59], 可能是Fe的重要有機配體[60]。Cheize.[61]發(fā)現(xiàn)雨水樣品中的顆粒物是鐵與有機物的絡合物的重要儲庫。Loper[62]發(fā)現(xiàn), 在Fe3+與植物碎屑混合后, 可能降低冰核的數(shù)量。

2.3 與其余背景地區(qū)的對比

在現(xiàn)有文獻中, 于背景地區(qū)進行云霧水和雨水單顆粒分析的研究很少。Holecek[25]分析了美國加利福尼亞北部Trinidad島的雨水殘余物, 發(fā)現(xiàn)含有礦塵、海鹽、兩者的混合物、芳香族有機物、海鹽與黑碳的混合物和植物碎屑, 其中礦塵與海鹽的混合顆粒占比最高(43%)。Creamean[12,23–24]檢測了美國加利福尼亞Sierra Nevada山脈的雨水殘余物, 發(fā)現(xiàn)組分有礦塵、生物氣溶膠和有機物, 其中生物氣溶膠和礦塵占絕大多數(shù)。類似地, 本研究雨水中生物氣溶膠、礦塵與海鹽占比高達約70%。其余背景區(qū)域未見云霧水單顆粒組分的研究, 而是通過在線觀測云霧滴殘余物的組分進行云凝結核和冰核的判別[16–17,63]。由于本研究采用離線發(fā)生的方法更關注難溶性組分, 可能造成兩種方法的結果之間存在較大的差異。例如, 在背景站云殘余顆粒的在線觀測中發(fā)現(xiàn), 含黑碳顆粒是云凝結核的重要組成; 然而, 本研究中含黑碳顆粒的比重反而較低。原因可能是當黑碳表面的氣溶膠組分溶解后, 產(chǎn)生的黑碳顆粒物粒徑較小, 難以被SPAMS檢測。相反地, 在大氣中較粗的顆粒物, 如生物氣溶膠、礦塵和海鹽等, 在線檢測中可能難以被SPAMS檢測; 但溶于水再次發(fā)生后粒徑可能發(fā)生顯著變化[25], 從而能被有效檢測。這兩種方法的結合可能有助于更全面地認識云凝結核和冰核的顆粒類型。

3 結 論

(1) 天井山云霧和降雨中的云凝結核和冰核顆粒主要(約70%)來自海鹽、礦塵和生物氣溶膠。

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Research on the chemical composition of particles in cloud/fog water and rainwater based on single particle mass spectrometry

YANG Yu-xiang1,2, PENG Jia-xian3, FU Yu-zhen1,2, ZHANG Guo-hua1,4 *, LIN Qin-hao5, LI Lei6, DAI Xin7, BI Xin-hui1,4and WANG Xin-ming1,4

1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangdong Provincial Key Laboratory of Environmental Protection and Resources Utilization, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou?510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing?100049, China;3. School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China; 4. Guangdong-Hong Kong-Macao Joint Laboratory for Environmental Pollution and Control, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 5. Guangdong Key Laboratory of Environmental Catalysis and Health Risk Control, School of Environmental Science and Engineering, Institute of Environmental Health and Pollution Control, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 6. Institute of Mass Spectrometry and Atmospheric Environment, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 7. Guangzhou Hexin Kangyuan Medical Technology CO., LTD., Guangzhou 510700, China

Aerosols can participate in the formation of clouds and precipitation as cloud condensation nuclei (CCN) or ice cores (IN). However, most existing studies focus on the water-soluble components in cloud water and rainfall, and the understanding of the insoluble components remains limited. In the present study, 21 cloud water and 9 rainwater samples were collected from May to June 2017, at the Guangdong Tianjingshan Observation Station (24°41′56″N, 112°53′56″E, altitude 1690 m), and analyzed by single particle aerosol mass spectrometry. Through cluster analysis, it was found that sea salt, mineral dust, and biological particles have the highest contributions to CCN and IN (67.3%–75.1%), and the analysis of air mass trajectory shows that sea salt aerosols are important to CCN and IN even after long-distance inland transportation. Additionally, the difference between particle types in cloud water and rainwater is large. The contributions of sea salt (35.7%), organic matter (12.1%), amines (8.0%), and iron (6.4%) in cloud water are greater, whereas the contributions of mineral dust (35.6%) and black carbon mixed with organics (18.9%) in rainwater are higher, which may reflect discrepancies between the formation of warm clouds and mixed-phase clouds by different aerosols.

cloud water; rainwater; chemical composition; single particle aerosol; Mount. Tianjing

P593; X513

A

0379-1726(2021)06-0635-09

10.19700/j.0379-1726.2021.06.009

2020-06-29;

2020-07-27;

2020-07-29

廣東省自然科學基金(2019B151502022); 廣東省科技計劃項目(2019B121205006; 2017B030314057)

陽宇翔(1991–), 男, 博士研究生, 環(huán)境科學專業(yè)。E-mail: dqhxwlyyx@163.com

ZHANG Guo-hua, E-mail: zhanggh@gig.ac.cn; Tel: +86-20-85291509