湛江东海岛春季海雾雾水化学特性分析

徐 峰,牛生杰,张 羽,岳岩裕,赵丽娟,蔡寿强(.南京信息工程大学大气物理学院,江苏 南京20044；2.广东海洋大学海洋与气象学院,广东 湛江 524088；.湛江市气象局,广东 湛江 52400)

湛江东海岛春季海雾雾水化学特性分析

徐 峰1,2,牛生杰1*,张 羽3,岳岩裕1,赵丽娟1,蔡寿强1(1.南京信息工程大学大气物理学院,江苏 南京210044；2.广东海洋大学海洋与气象学院,广东 湛江 524088；3.湛江市气象局,广东 湛江 524001)

利用湛江1951～2010年地面观测资料及2010年3月15日～4月20日在湛江东海岛6次海雾观测数据,分析了湛江海雾发生的规律和雾水化学特性.结果表明,湛江海雾属于酸性海雾,pH值变化范围从4.80～6.05.海雾发生初期的电导率比雾发生期间高很多,说明海雾发生的初始阶段雾水中溶解了大量的污染物.对样本的电导率与pH值进行非线性拟合,相关系数为0.61,表明存在一定的相关性.湛江东海岛雾中各离子浓度很高,与其他城市相比较,湛江海雾阴离子Cl-和NO3-很高,特别是 Cl-达 13000μmol/L,但 SO42-不高;阳离子中 Na+很高.电导率比其他城市偏高.Ca2+和 Mg2+的离子浓度较高,主要是受近地表土壤(主要是钙和铁的碳酸盐)尘埃影响.在雾过程的前期,雾水中各离子成分浓度最高,雾过程期间浓度偏低.各种离子浓度与雾的类型有关.

湛江东海岛；海雾；化学特性；离子浓度；雾水采集

雾是近地层空气中悬浮着大量水滴、冰晶微粒而使水平能见度小于1km的天气现象.随着社会经济的快速发展,雾造成的负面影响与日俱增.有研究指出[1],雾导致的经济损失与其他灾害性天气,如龙卷风、台风造成的经济损失不相上下.海雾是在海-气相互作用的特定条件下,出现在海面或沿海近地层大气的一种凝结现象,除了严重影响海面能见度之外,大气污染物与雾滴相互作用不仅污染大气,还能转化成酸雾,对人体健康和环境造成极大的危害.

中国近海岸最主要的多雾区分布在东海和黄海,沿海自南向北有5个相对多雾区:雷州半岛和琼州海峡、福建沿海、舟山群岛、青岛至潮连岛附近海域、成山头附近海域.目前,自南向北多雾区范围增大,年平均雾日增加,其中雷州半岛和琼州海峡年平均雾日超过 20d[2-4].近年来,我国学者分别对南京[5-8]、南岭大瑶山[9]、云南西双版纳[10]、重庆[11]、上海[12]、新疆乌鲁木齐[13]、江西庐山[14]、贵州贵阳[15]、贵州龙里[16]、湖山衡山[17]、华南地区[18]、泰山[19]及浙江舟山[20]等地雾及降水的化学组分进行了比较系统的研究,取得了较大的成果,但涉及海雾雾水化学特性的研究相对较少.本项目根据详实观测资料对位于雷州半岛的湛江东海岛海雾化学组分进行深入的分析研究.

1 研究方法

1.1 研究区简介及采样地点

琼州海峡及北部湾区域位于我国南海之滨,水汽丰沛,每年的冬春季,冷空气和海上西南暖湿空气形成对峙形势,常形成大雾天气.不仅雾的强度大而且会出现持续性的浓雾天气,海雾已是影响琼州海峡及北部湾区域的重大灾害性天气之一.对琼州海峡火车轮渡、湛江亿吨大港及即将在湛江东海岛开工建设的特大型钢铁、石化项目等均有较大的影响,从经济效益、社会公益服务角度考虑,对琼州海峡及北部湾区域冬春季大雾的化学组分、微物理特征、活动规律、形成机理及预警模式进行研究是十分必要的.

雾水采样点设在湛江市东海岛(21.28°N、110.20°E),东面临海,四周空旷.采样点正对南海,往东约 200m 即到南海海边,往西直线距离约300m 为湛江市气象局雷达站,雷达站内装备有新一代天气雷达 CINRAD、自动气象站、风廓线雷达、100m边界层气象要素梯度观测铁塔、散射光能见度观测仪等观测设备.

1.2 采样时间

观测时间为2010年3月15日至4月20日共 37d.由于有的雾过程浓度较轻,没有采集到雾水,所以本段试验期共收集了 6次海雾过程的雾水样本,样本采集时间见表1.

1.3 采样方法及质量控制

雾水采样器为装有尼龙网的主动式雾水采集器.采样前先用蒸馏水反复清洗采样器的两层尼龙网和雾水采集瓶,以保证没有杂质干扰,采样过程中利用聚乙烯管将采集瓶与采集器密封相连,尽量减少空气中悬浮离子的混入.当雾水粒子被尼龙网捕集聚并成大水珠,顺尼龙丝直接进入收集瓶中.分时间段采集雾水,每个样品10～15mL,由于雾水浓度不同,所以每个样品收集的时间有所不同.将采集到的雾水装入用蒸馏水冲洗过的聚乙烯塑料瓶中,共采集雾水样本 19个.对样品的电导率进行现场检测(由于pH计仪器故障,未进行现场检测);检测完毕后将样品使用锡箔纸包好,置于冰箱保存,1个月后带回实验室对雾水中的离子成分和 pH值进行检测.首先对雾水样品进行 1次过滤,检测时由于雾水中钠离子和氯离子浓度过高,会对仪器有所损伤造成数据质量难以保证,所以对样品进行了适度的稀释.每个样品检测时注射两针1mL的雾水,对2次检测结果取平均值.

为了确定雾过程的开始和结束时间,在同一观测地点安装了VPF-730能见度仪.VPF-730能见度仪利用红外线技术测量在样品区内的散射颗粒,得到EXCO大气消光系数,再从EXCO导出MOR气象光学视程和能见度.气象要素采用安装在湛江东海岛雷达站内的自动气象站(110.20°E、21.28°N)资料.

1.4 分析方法

在现场使用电导率仪对雾水电导率进行测定后雾水样品存放于冰箱中,之后带回实验室内,检测pH值、分析其化学组成.雾水的pH值是利用pHS-25(A/B/C)、pHS-29(A/B/C)酸度计检测,该仪器是一种测量精度不高于0.03pH的普通型数字酸度计.雾水阴离子利用戴安免化学试剂ICS-2000离子色谱仪(美国Dionex)测定.雾水中阳离子(除 NH4+以外)利用美国热电 ICP-IRIS Intrepid II XSP型等离子体光谱仪进行分析,按国家降水分析标准方法进行.

2 结果与分析

2.1 雾水pH值与电导率分析

雾水的pH值反映了参与的大气气体和气溶胶微粒的化学组成的酸碱性质.表 1为湛江东海岛实验期间6次雾过程中雾水采样器的平均pH值和电导率.根据结果分析,湛江地区海雾属于酸性海雾,pH值的变化范围从 4.80～6.05.电导率的变化范围为 229～6190μS/cm.与舟山海雾雾水的pH 值(3.75～7.26)[20]相比,湛江东海岛的雾水 pH值变化范围要窄很多.

表1 湛江东海岛采样雾水的pH值和电导率Table 1 The pH and electrical conductivity of the fog water samples on Donghai Island in Zhanjiang

图1为东海岛海雾观测实验期间6次雾过程中的平均 pH值和电导率值,雾发生初期的电导率比雾发生期间高很高,说明雾发生的初始阶段雾水中溶解了大量的污染物.第 3次过程中电导率最低, pH值最高.图2为电导率与pH值之间的关系,对其进行非线性拟合,相关系数为 0.61,存在一定的相关性.

值得注意的是,2010年3月19日暴发了自2009年1月份以来影响中国范围最大,强度最广的沙尘天气,20日向中东部扩展,观测期间第2次雾水采集过程(3月22日夜间)采集到的雾水样本均有泥沙沉淀,雾水明显呈乳黄色,而其余过程雾水均呈白色透明状.从观测结果看,这次沙尘暴天气之后的第 3次过程雾水电导率值最低,平均为493.2;且pH值也较高,平均为5.71,说明沙尘沉降对空气中悬浮的离子有清除作用.

图1 6次雾过程中平均pH值和电导率值Fig.1 The average pH and electrical conductivity values of the six fog events

2.2 雾水化学成分特征分析

2.2.1 雾水化学组分 对东海岛采样雾水进行化学分析,结果如表2所示.对雾水采集器同一时段的雾水中离子浓度取平均来代表该时段此种离子的浓度.第 1次和第 3次雾过程,即3月 16日和23日各阴阳离子浓度较低.第6次过程4月6日浓度最高.与其他地区观测值相比较,第2、4、5、6过程离子浓度普遍偏高,Cl-浓度非常高,电导率也偏高.

一般情况下,硫酸根、铵根是污染性离子,但在湛江的观测中这两种离子浓度不是最高.海水中主要成分阳离子为 Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Sr2+5 种,阴离子有 Cl-、SO42-、Br-、HCO3-和 F-5种,总的可占到99.9%.观测表明,湛江东海岛春雾离子浓度较高,与海洋的成分存在明显关系,受海洋影响比较明显,氯和钠离子很高.

表2 湛江东海岛春季雾水中各种离子浓度Table 2 The concentration of the ions of spring fog on Donghai island of Zhanjiang

图2 电导率与pH值之间的关系Fig.2 The relationship between the electrical conductivity and pH

2.2.2 雾水离子平均浓度分析 图3为6次雾水采集过程各离子组分的平均值(NH4+除外),阴离子中 Cl-浓度最高,达 13000μmol/L,阳离子中Na+浓度最高,与采集雾水为海雾有关.Ca2+和Mg2+的离子浓度较高,可能受近地表土壤(主要是钙和铁的碳酸盐)尘埃影响,它们可以溶于含有碳酸的雾水中.

图3 6次雾过程各离子浓度的平均值Fig.3 The average ionic concentrations of the six fog events

3 讨论

3.1 气候特征及气象因素

将湛江每年 2、3、4月定义为春季.从图 4中可以看出,在1951年到2009年的59年中,湛江站雾日基本出现在每年的1～4月和12月,这5个月的累计雾日数有 1347d,占总雾日数(1459d)的92.32%.统计表明,湛江雾日基本出现在冬、春两季,由此说明3、4月份雾的观测是有代表性的.

图4 1951～2009年湛江站月总雾日数变化Fig.4 The monthly change in the fog days at Zhanjiang Station from 1951 to 2009

图5 是2001～2010年间2、3、4月份雾日数的走势分布图,可以看出,湛江春雾近 10年来整体呈上升趋势,其中 2005年的雾日数最多,高达42d,其次是2010年,为37d.

湛江雾日数明显增加与沿海工业城市灰霾天气明显增多有关.根据广东省气象局2008年气候公报的资料,2008年湛江的灰霾日数为 121d,而2003年仅为40d.沿海地区海盐巨粒子氯损耗机制是造成湛江灰霾日数迅速增加的重要原因

[21].当巨盐粒子存在于未污染沿海大气中,其尺度远大于可见光波长,而数量又很少,对能见度影响甚微,但处于沿海城市污染大气中,海盐巨粒子会与污染物发生反应,生成硝酸盐与硝酸盐细粒子并放出氯气,造成气溶胶中的氯损耗[22].一个直径为 10μm 的海盐巨粒子可以生成数千个次微米级的细粒子气溶胶,从而使能见度明显恶化,在水汽条件满足的情况下使得雾日数明显增加.湛江近年来工业化进程发展迅猛,对雾日数显著增加产生了较大影响.

图5 2001～2010年湛江站春雾日数分布Fig.5 The distribution of the spring fog days during the recent decade at Zhanjiang Station

采样的 6次雾过程中,雾发生时期的风速基本在 3m/s左右,风向变化不大,温度夜间偏低,白天升高.第1次过程3月16日夜间温度高于白天,风向以偏北风为主,结合当天的天气形势分析可知:这次雾的发生属冷锋前暖区型,即来自西伯利亚的冷空气不断向南侵袭,与华南暖湿气流交汇混合而形成锋面雾,随着冷锋推进到海上,大雾过程就结束了.雾水各离子浓度都不是很高.其余 5次过程基本属于平流雾,风向以偏东风为主.第 3次雾过程发生时风速比第 2次要小,且风向略向南偏,对离子浓度的降低有一定的影响.

3.2 6次雾过程中离子浓度及对比

图6是不同过程中主要阴阳离子浓度的变化,可以看出Na+和Cl-在第6次过程要明显高于其余5次过程的浓度值.第1次过程中各离子浓度值比较低,从气象因子分析可以看出,第1次过程风向以偏北风为主,而其余5次过程主要以偏东风为主,可能与远距离输送的大量污染物中含有丰富的污染性离子有关,从而造成雾水中离子浓度很高.第2次过程中Ca2+有明显的增加,沙尘暴发生时期Ca、Si、K、Al、Fe离子浓度会有增加的趋势,第2次过程可能是受到3月19日暴发的大规模沙尘天气影响,导致Ca离子浓度升高,其他离子成分浓度较低,不易检测,Si不易溶于水,也不易检测出来.

图6 不同过程中阴阳离子浓度的变化Fig.6 The variations of the anions and cations concentratinos during the different fog events

图7 不同雾过程中离子浓度随时间的变化Fig.7 The temporal variations of the ionic concentrations during the different fog events

3.3 不同雾过程中离子浓度随时间变化

图7为4次雾水采集过程,各种离子组分随时间的演变.在每 1次过程中(第 1次过程除外,因为只有1个雾水样本),Cl-离子和Na+离子浓度在雾过程的初期均为最高,3次过程中Cl-离子浓度都高达 7000～50000μmol/L,Na+离子浓度高达6800～44000μmol/L,之后总体趋势是随时间迅速减小,这与雾水的沉降冲刷作用有关,其中也有很少部分时间是随时间增加的,但增加的量很小,这应该是局地湍流输送的作用,雾过程后期相对稳定.Ca2+和Mg2+的离子浓度也随时间呈减小趋势,有一定的雾水沉降冲刷作用,但不十分明显.其余各离子的浓度本身较低,随时间变化相对比较稳定.出现浓度值缺失的离子为浓度太低,仪器未检测到.

3.4 与其他地区雾水组分对比分析

与其他城市相比较(表 3),湛江海雾阴离子Cl-和 NO3-很高,特别是 Cl-,但是 SO42-不高;阳离子中 Na+很高.电导率与其他城市相比最大,与舟山海雾存在明显差别,原因(城市现代化发展导致污染物增加、南海地域性特点或是珠三角的影响等)需进一步探讨.

表3 湛江东海岛春季雾水中各种离子浓度与我国其他区域的比较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 结论

4.1 湛江地区海雾属于酸性海雾,pH值的变化范围从4.80～6.05.雾发生初期的电导率比雾发生期间显著偏高,电导率与 pH值之间相关系数为0.61,存在一定的相关性.

4.2 观测表明海雾中各离子浓度很高.与其他城市相比较,湛江海雾阴离子 Cl-和 NO3-很高,特别是 Cl-,达 13000μmol/L,但是 SO42-不高.

4.3 湛江海雾中阳离子中 Na+浓度最高,Ca2+和Mg2+的离子浓度较高,可能受近地表土壤(主要是钙和铁的碳酸盐)尘埃影响.

4.4 在雾发生前期雾水中各离子成分浓度最高,雾发生期间采集的雾水浓度偏低,雾发生后期收集到的雾水浓度没有前期高,但基本略高于雾发生期间的浓度.

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致谢：感谢南京信息工程大学汤莉莉博士在雾水样品分析检测中给予的支持和帮助.

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

公益性行业(气象)科研专项(GYHY(QX)2007-6-26;江苏省青蓝工程“云雾降水与气溶胶研究”创新团队资助项目;广东海洋大学科研项目(1012157)

* 责任作者, 教授, niusj@nuist.edu.cn

徐 峰(1962-),男,安徽滁州人,副教授,博士研究生,主要从事大气物理学与大气环境研究.发表论文近20篇.