大气气溶胶与污染气溶胶混合的新证据

图59-2给出了主要化学组分的日均浓度。Al、Ca、Fe、Mg和Na为矿物气溶胶的代表元素。在这2次沙尘暴中，这几种元素在4月10日和18日的PM 2.5中出现最高日均浓度，4月10日分别为20.5、7.8、18.2、4.8、3.8μg·m-3，4月18日分别为21.6、13.6、15.1、5.6、4.4μg·m-3，比非沙尘暴期间高出1～4倍。在TSP中，这几种元素的最高日均浓度出现在4月9日和17日，4月9日分别为44.2、18.1、24.6、11.9、8.9μg·m-3，4月17日分别为56.8、50.8、43.9、18.9，14.5μg·m-3，比非沙尘暴期间均值12.1、10.7、7.9、4.0、2.7μg·m-3高出1～5倍。在DS2中，PM 2.5浓度在TSP达到最高值以后的次日达到最高值，可能是由沙尘的再悬浮及矿物气溶胶与污染物质的混合引起的［8，10-12］。由图59-2可见，虽然DS2矿物元素在TSP中的浓度要比DS1高得多，但在PM 2.5中则相差不大，表明DS2中矿物元素含量更高，且较多分布于粗粒子区域。

沙尘暴不仅携带了大量矿物气溶胶，也带来了以As、Zn、Cu、Cd和Pb为代表元素的大量污染气溶胶。如图59-2所示，这些元素在DS1中的浓度显著高于DS2。在DS1中，As、Zn、Cu、Cd和Pb在PM 2.5中的日均最高浓度出现在4月10日，分别为0.023、3.13、0.16、0.006、0.35μg·m-3，是非沙尘暴期间平均值0.008 9、0.27、0.046、0.002 8、0.093μg·m-3的2～4倍。在TSP中，As、Zn、Cu、Cd和Pb的最高浓度出现在4月10日，分别为0.027、1.29、0.071、0.004、0.27μg·m-3，是非沙尘暴期间平均值0.008、0.25、0.036、0.002、0.088μg·m-3的2～5倍。而在DS2中，污染元素浓度在TSP中的增加值要少于在PM 2.5中，且都显著低于DS1。这也进一步表明，DS1可视为“污染暴”，而DS2则为通常的沙尘暴。

图59-2　采样期间北京PM2.5和TSP中化学组分的日均浓度（彩图见图版第43页，也见下载文件包，网址见正文14页脚注）(www.xing528.com)

根据离子与气溶胶粒子的相关性及其源特征，主要水溶性离子NH+4、Ca2+、Mg2+、K+、SO 2-4、NO-3、F-、Cl-可 以 分 为 以 下3组：Ca2+、Mg2+、Na+为 地壳源 组，NO-3、NH+4、F-为污染源组、SO2-4、Cl-、K+为地壳源和污染源的混合源组。Ca2+为地壳源组的代表离子，其在DS2中与元素Al的浓度表现出较好的相关性（相关系数R在TSP、PM 2.5中分别为0.93和0.76），而相对于在DS1（相关系数R在TSP、PM 2.5中分别为0.33和0.88）和非沙尘期间（相关系数R在TSP、PM 2.5中分别为0.45和0.51）的相关性要好。而且，Ca2+与Al元素在DS2的TSP中的相关性（R=0.93）要比在PM 2.5（R=0.76）中高；而在DS1，则在PM 2.5中的相关性（R=0.88）中比在TSP（R=-0.33）中要高。这也表明，沙尘暴DS2中的矿物质含量，主要集中于粗粒子区域；而污染暴DS1中的污染物质，在粗、细粒子区域都有富集。

SO 2-4和NO-3分别作为混合源组和污染源组的代表离子，它们在沙尘暴期间的浓度，均比在非沙尘暴期间高。虽然DS2比DS1的强度大，矿物气溶胶粒子较多存在于粗粒子，但是作为混合源和污染源的SO24-、NO 3-和NH 4+浓度，在DS1中要比在DS2中高。这是由于沙尘暴DS1发生时，“污染物的清除”和“沙尘的抵达”这2个阶段重叠，而发生矿物气溶胶和污染气溶胶的混合［11］。而且，沙尘暴越弱，矿物气溶胶与污染气溶胶的混合也越明显［12］，所以在较弱的沙尘暴DS1中，污染物浓度较高。

本研究还分析了PM 2.5中的16种多环芳烃（PAH），如图59-2所示。几乎所有PAH的日均浓度，表现出一致的变化趋势。这可能由于各种PAH的来源较为一致。美国EPA规定的2环和3环多环芳烃（NaP、Acy、Ace、Flu、Phen和Anthr），分子量较低，且具有较强的挥发性，故本研究中只重点讨论4～6环多环芳烃。这些半挥发性的4环多环芳烃，主要包括Fluor、Pyr、Chry和B（a）A；非挥发性的5环和6环多环芳烃，主要包括B（b）F、B（k）F、B（a）P、DBA、IND和B（ghi）P^[2]。DS1中PAH的浓度高峰出现在4月9日，而在4月10日稍有下降；DS1中矿物元素最高浓度则出现在4月8日，无机污染物质浓度最高在4月10日，可能由于较弱的DS1提前于4月8日作为“沙尘暴到达阶段”，而4月9日是“污染物的累积阶段”，4月10日为“污染物的清除阶段”和“当地污染物的混合”几个阶段的互相重叠。DS2的情况则不同，PAH浓度在4月17日［4环多环芳烃浓度总和PAH（4）和5、6环多环芳烃浓度总和PAH（5，6）分别为20.1和29.2 ng·m-3］达到最高值，而在4月18日污染物浓度最高时，PAHs浓度迅速降低［PAH（4）和PAH（5，6）分别为7.2和8.2 ng·m-3］。这也表明，在沙尘暴DS2期间，4月17日“当地污染物的累积”阶段和4月18日“污染物的清除”阶段区分得比较清楚，几乎没有重叠。而且，矿物气溶胶浓度的最高值出现在4月18日后期，即“沙尘暴的叠加”阶段。这就解释了，沙尘暴DS2更具有通常沙尘暴的矿物气溶胶特性。