2002年北京沙尘暴与气溶胶交汇的新发现

2002年3月20—21日，北京发生了有历史记录以来直至当时最强的沙尘暴。其TSP高达11 000μg·m-3。天空被红色的沙尘覆盖，据估算有3×1010 g的沙尘沉降到北京地区。中国国家环保局报道，这次沙尘暴是源自西部地区，经由高空传输而来的一次浮尘天气过程。选用Al作为沙尘地壳源的参比元素。3月19日，Al的浓度为20μg·m-3左右（图53-1中点19）。3月20日所采集的第一个样品中，其浓度迅速增加到570μg·m-3（点20a），达到北京有历史记录以来的最高值。这标志着沙尘暴的突然抵达。3月20日傍晚，气溶胶中Al的浓度降至70μg·m-3（点20d、20e），并在3月20日夜间风速降至当日最低值时，回升到180μg·m-3（点20 f）。Al的浓度在夜间随着风速的降低而升高。在3月21日观察到类似的现象，Al的浓度由白天的30μg·m-3（点21a—d）升至夜间的60μg·m-3（点21e）。到3月21日夜间，露点温度开始上升，表明新的气团到达北京上空。3月22日，Al的浓度由6μg·m-3（点22a）上升到30μg·m-3（点22 c，d）。3月23—25日之间，Al的浓度始终维持在30μg·m-3左右（点23—25）。由此判断，沙尘暴过程于3月21日结束，3月22—25日则被视为北京春季的“常日”。

图53-1　2002年3月采集的TSP样品中Cu浓度随Al浓度的变化图中20a代表2002年3月20日所采的第一个样品，余类推。

沙尘暴后“地壳”元素Al浓度的上升，说明有污染源存在。根据（X／Al）气溶胶／（X／Al）地壳，可区分不同类型的元素。若其比值＞10，相关元素主要来自污染源；当其比值低并接近1时，这些元素则主要来自地壳源。本章中用Cu、Zn、S作为污染物的代表元素，它们的浓度对Al的浓度作图，分别示于图53-1—图53-3。内蒙古黄土样品中的这些元素对Al元素的比值，也示于图中以作参考。图53-1中展示了Cu在沙尘暴过程前后的浓度值，其在3月19日的浓度约0.1μg·m-3（点19），其中地壳源的贡献仅为0.007μg·m-3（由岩石中Cu／Al比值计算而得［17］），即99%以上的Cu来自污染源。3月20日，当Al的浓度升高到570μg·m-3时，Cu的浓度升高到0.25μg·m-3（点20a），其中地壳源的贡献为0.23μg·m-3，说明致使浓度升高的大部分Cu来自地壳源。Cu／Al的比值比常日下降了3倍，达到4.4×10-4，基本与内蒙古黄土中Cu／Al的比值5.6×10-4以及民勤沙尘中Cu／Al的比值6.4×10-4一致［18］。污染源的Cu被地壳源的Cu取代，说明污染气溶胶已被地壳源气溶胶取代。所有3月20和21日所采样品中Cu和Al的变化规律非常一致，样品中的Cu／Al比值维持在地壳中Cu／Al比值的2倍以内（图53-1），这也进一步确证，这段时间的Cu和Al以及大部分无机气溶胶，都来自地壳源。当3月22日沙尘暴结束时，Cu／Al的比值开始升高，并在此后的时期内维持高值。由此开始，Cu和Al恢复了北京春季常日气溶胶的污染源比例。

图53-2　2002年3月采集的TSP样品中Zn浓度随Al浓度变化(www.xing528.com)

图53-3　2002年3月采集的TSP样品中S浓度随Al浓度变化

由图53-2可见，Zn与Cu的变化基本一致。3月19日，Zn的浓度是0.3μg·m-3，其中0.01μg·m-3来自地壳源（点19）。可见，这些样品中的Zn几乎全部来自污染源，样品中Zn／Al的比值比内蒙古黄土中Zn／Al的比值1.0×10-3以及民勤沙尘Zn／Al的比值6.6×10-4［18］高30倍。当3月20日沙尘暴发生的时候，Zn的浓度上升到0.85μg·m-3，但Zn／Al的比值却下降到1.5×10-3（点20a），仅为地壳中Zn／Al比值的1.5倍。这与Cu的变化过程是一致的：地壳源的Zn取代了污染源的Zn，同时地壳源气溶胶取代了污染源气溶胶。整个沙尘暴过程中，Zn／Al的比值保持在其地壳中比值的1～4倍，确认了这些沙尘主要来自地壳源。3月22日起，Zn／Al的比值开始上升，并在此后维持高值，说明沙尘暴结束，北京大气中的气溶胶恢复到春季常日气溶胶。

由图53-3可见，S的变化规律与Cu和Zn有某种类似。3月19日所采集的气溶胶样品中，大部分S来自污染源，因而S／Al的比值很高（点19）。当3月20日沙尘暴到达时，其浓度升高，但是S／Al的比值降低至北京有记录以来的最低值。整个沙尘暴过程中，S／Al的比值都维持在较低水平，S的浓度变化基本与Al的浓度变化呈线性关系。沙尘暴结束后，S／Al的比值回升至其常日的大小，并在此后维持高值。必须指出的是，由于在沙尘暴过程中，气溶胶样品中的S／Al比值并没有下降至地壳中S／Al的比值，说明S的变化规律与Cu和Zn有重大的不同。沙尘暴气溶胶中的S可能部分来自地壳源，部分来自沙尘远距离传输过程中所携带的硫酸盐，部分来自碱性沙尘粒子传输到北京过程中所吸收的SO2（M.O.Andreae等人在1986年提出的吸收机制［19］）。

这3种污染元素的浓度变化过程，都揭示了沙尘暴入侵过程中地壳源气溶胶取代污染源气溶胶的过程、沙尘暴结束后地壳源气溶胶的清除过程，以及随后的污染物累积过程。沙尘暴可以为污染元素带来极高的地壳源贡献，从而导致污染元素浓度的升高。此次特大沙尘暴中的气溶胶，主要是来自地壳源。这种纯的地壳源沙尘，是这次特大沙尘暴的特殊现象，还是所有沙尘暴都有的？为回答这个问题，以下分析了2001年3月所采集的一组中等强度沙尘暴的样品，并得到了沙尘暴与污染源气溶胶交汇和混合的4个阶段。