第 ３５ 卷第 ９ 期 ２０１５ 年 ９ 月 环 境 科 学 学 报 Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ Ｖｏｌ ３５ Ｎｏ ９ Ｓｅｐ ２０１５ ＤＯＩ １０ １３６７１ ｊ ｈｊｋｘｘｂ ２０１４ ０９４３ 岳晓英 李忠勤 樊晋 等 ２０１５ 天山乌鲁木齐河源 １ 号冰川气溶胶可溶性离子观测与分析研究 Ｊ 环境科学学报 ３５ ９ ２７２３ ２７３１ Ｙｕｅ Ｘ Ｙ Ｌｉ Ｚ Ｑ Ｆａｎ Ｊ ｅｔ ａｌ ２０１５ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｓｏｌｕｂｌｅ ｉｏｎｓ ｉｎ ａｅｒｏｓｏｌｓ ｏｎ Ｇｌａｃｉｅｒ Ｎｏ １ ａｔ ｔｈｅ ｈｅａｄｗａｔｅｒ ｏｆ Ｕｒｕｍｑｉ Ｒｉｖｅｒ Ｔｉａｎｓｈａｎ Ｍｏｕｎｔａｉｎｓ Ｃｈｉｎａ Ｊ Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ ３５ ９ ２７２３ ２７３１ 天山乌鲁木齐河源 １ 号冰川气溶胶可溶性离子观测与 分析研究 岳晓英１ 李忠勤１ ２ 樊晋３ 魏永山４ １ 西北师范大学地理与环境科学学院 兰州 ７３００７０ ２ 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室 天山冰川观测试验站 兰州 ７３００００ ３ 兰州大学大气科学学院 兰州 ７３００００ ４ 兰州理工大学石油化工学院 兰州 ７３００５０ 收稿日期 ２０１４ ０８ ３１ 修回日期 ２０１４ ０９ ２８ 录用日期 ２０１４ ０９ ２８ 摘要 基于 ２００３ 年 ２００４ 年和 ２００７ 年 ３ 年内共采集的 １５５ 个气溶胶样品的分析测试 探讨了天山乌鲁木齐河源 １ 号冰川区气溶胶中可溶性离 ２ 子的组成及年际变化特征 并对其可能来源进行了分析 结果表明 气溶胶可溶性离子平均浓度为 ２ ７５９ μｇ ｍ ３ 化学组成以 ＮＯ ３ ＳＯ ２ ４ Ｃａ 和 ＣＯ ２ ３ 为主 冰川区大气环境呈碱性 可溶性离子总质量浓度年际变化特征为 ２００７ 年 ２００４ 年 ２００３ 年 主要离子组成没有发生明显变化 但 单一离子浓度变化不尽相同 其原因主要与沙尘活动的强弱有关 Ｃａ ２ Ｎａ Ｍｇ ２ ＣＯ ２ ３ 和 Ｃｌ 主要可能来自陆源矿物 而 ＮＯ ３ 和 ＮＨ ４ 很大程 度上以人为源为主 并且发现 ＳＯ ２ ４ 和 Ｋ 可能同时受陆地源与人类活动来源的影响 通过气团轨迹聚类分析得出 冰川区大气主要受来自西南 方 西方及西北方 ３ 个方向气团的控制 这些气团均经过伊犁河谷或阿拉山口到达冰川区 其中 在距地面 ２０００ ｍ 以下高度传输的气团会带来 大量的沙尘物质 影响冰川区大气环境 关键词 乌鲁木齐河源 １ 号冰川 气溶胶 可溶性离子 特征 来源 文章编号 ０２５３ ２４６８ ２０１５ ０９ ２７２３ ０９ 中图分类号 Ｘ５１３ 文献标识码 Ａ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｓｏｌｕｂｌｅ ｉｏｎｓ ｉｎ ａｅｒｏｓｏｌｓ ｏｎ Ｇｌａｃｉｅｒ Ｎｏ １ ａｔ ｔｈｅ ｈｅａｄｗａｔｅｒ ｏｆ Ｕｒｕｍｑｉ Ｒｉｖｅｒ Ｔｉａｎｓｈａｎ Ｍｏｕｎｔａｉｎｓ Ｃｈｉｎａ ＹＵＥ Ｘｉａｏｙｉｎｇ １ ＬＩ Ｚｈｏｎｇｑｉｎ １ ２ ＦＡＮ Ｊｉｎ ３ ＷＥＩ Ｙｏｎｇｓｈａｎ ４ １ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０ ２ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｒｙｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｔｉａｎｓｈａｎ Ｇｌａｃｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｃｏｌｄ ａｎｄ Ａｒｉｄ Ｒｅｇｉｏｎｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００ ３ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００ ４ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ３１ Ａｕｇｕｓｔ ２０１４ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２８ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１４ ａｃｃｅｐｔｅｄ ２８ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１４ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｍａｊｏｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｉｎ １５５ ａｅｒｏｓｏｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｔ Ｇｌａｃｉｅｒ Ｎｏ １ ａｔ ｔｈｅ ｈｅａｄｗａｔｅｒ ｏｆ Ｕｒｕｍｑｉ Ｒｉｖｅｒ ｉｎ Ｔｉａｎｓｈａｎ Ｍｏｕｎｔａｉｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｙｅａｒ ２００３ ２００４ ａｎｄ ２００７ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｎｕａｌ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｉｏｎｓ ｗａｓ ２ ２ ７５９ μｇ ｍ ３ ａｎｄ ＮＯ ３ ＳＯ ２ ａｎｄ ＣＯ ２ ４ Ｃａ ３ ｗｅｒｅ ｍａｊｏｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ａｍｂｉｅｎｔ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｇｌａｃｉｅｒ ａｒｅａ ｗａｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ａｌｋａｌｉｎｅ Ｉｎｔｅｒ ａｎｎｕａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｗａｔｅｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｉｏｎｓ ｗａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｉｎ ２００７ ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ２００４ ａｎｄ ２００３ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｏｎｓ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌ ｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｄｕｓｔ ｓｔｏｒｍ ｉｎ Ａｓｉａ Ｆｏｒ ｓｏｌｕｂｌｅ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｉｏｎｓ Ｃａ ２ Ｎａ Ｍｇ ２ ＣＯ ３ ２ ａｎｄ Ｃｌ ｗｅｒｅ ｍｏｓｔｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌａｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｗｈｉｌｅ ＮＯ ３ ａｎｄ ＮＨ ４ ｗｅｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ ｓｏｕｒｃｅ ＳＯ ２ ４ ａｎｄ Ｋ ｗｅｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｂｏｔｈ ｃｒｕｓｔａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ ｓｏｕｒｃｅｓ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｉｒ ｍａｓｓ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ Ｇｌａｃｉｅｒ Ｎｏ １ ｗａｓ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ａｉｒｆｌｏｗｓ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ ｗｅｓｔ ａｎｄ ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａｔ ａｂｏｕｔ ２０００ ｍ ＡＧＬ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｄｕｓｔ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅｓｅ ａｉｒｆｌｏｗｓ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔｅｄ ｔｈｅ ａｍｂｉｅｎｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｇｌａｃｉｅｒ ａｒｅａ 基金项目 中科院重点部署项目 Ｎｏ ＫＪＺＤ ＥＷ Ｇ０３ ０１ 国家自然科学基金面上项目 Ｎｏ ４１４７１０５８ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｎｏ ＫＪＺＤ ＥＷ Ｇ０３ ０１ ａｎｄ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｎｏ ４１４７１０５８ 作者简介 岳晓英 １９８８ 女 Ｅ ｍａｉｌ ｙｕｅｘｉａｏｙｉｎｇ２０１１ １２６ ｃｏｍ 通讯作者 责任作者 Ｅ ｍａｉｌ ｌｉｚｑ ｌｚｂ ａｃ ｃｎ Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ ＹＵＥ Ｘｉａｏｙｉｎｇ １９８８ ｆｅｍａｌｅ Ｅ ｍａｉｌ ｙｕｅｘｉａｏｙｉｎｇ２０１１ １２６ ｃｏｍ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ Ｅ ｍａｉｌ ｌｉｚｑ ｌｚｂ ａｃ ｃｎ
２７２４ 环 境 科 学 学 报 ３５ 卷 Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｕｒｕｍｑｉ Ｇｌａｃｉｅｒ Ｎｏ １ ａｅｒｏｓｏｌｓ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｓｏｌｕｂｌｅ ｉｏｎｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｓｏｕｒｃｅｓ １ 引言 Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ 大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和 液体微粒共同组成的多相体系 是大气成分的重要 组成部分 王明星 １９９９ 它不仅可以通过吸收和散 析也较少开展 因此 本文在观测取样和广泛检索分 析前人研究的基础上 通过对乌鲁木齐河源 １ 号冰 川 ２００３ 年 ２００４ 年 ２００７ 年 ３ 年内共采集的 １５５ 个 气溶胶样品的分析 探讨该区气溶胶中可溶性离子 的组成及 其 年 际 变 化 特 征 并 对 其 可 能 来 源 进 行 射太阳辐射及地表长波辐射来改变地气系统能量 分析 收支平衡 还可以作为云凝结核或冰核改变云的微 ２ 研究区概况 Ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ 物理和光学特性及云的降水效率 从而间接地影响 气候 张小曳 ２００７ 除此之外 气溶胶作为主要的 空气污染物之一 不但与烟雾事件 臭氧层破坏 酸 雨形成及大气雾霾等环境问题有密切关系 而且对 局地空气质量及人体和其它生物的生理健康也有 影响 作为影响气候变化的一个重要因子 气溶胶的 气候及环境效应亟待深入研究 由于人类活动及自 乌鲁木 齐 河 源 １ 号 冰 川 ８６ ４９ Ｅ ４３ ０６ Ｎ 以下简称 １ 号冰川 位于天山中部喀拉乌成山北 坡乌鲁木齐河源区处 是乌鲁木齐河的正源头 整个 河源区共发育 ７ 条冰川 １ 号冰川面积最大 它是一 条山谷 冰斗冰川 长 ２ ０３５ ｋｍ 面积 １ ６７７ ｋｍ ２ 朝 向东北 由东 西两支构成 １９９３ 年分离 冰川雪线 明显的地域差异性 高海拔地区的大气气溶胶在反 平均高度为 ４０７５ ｍ 冰舌末端高度为 ３７７７ ｍ 李忠 映全球大气环境质量和大气污染对气候的影响方 临东新疆和西甘肃沙地 以及内蒙古戈壁高原 西 然环境等因素的影响 大气气溶胶的浓度及组成有 面有着重要的意义 温玉璞等 ２００１ 冰川作为气溶 胶颗粒的一个储藏器 是认识气溶胶化学组成变化 的良好介质 在冰川区开展气溶胶研究不仅可以了 解该区的大气环境状况 为模拟气溶胶的空间分布 及其辐射强迫提供基础数据 而且可与雪冰样品相 结合研究化学物质在气 雪 冰之间的迁移转化机 制 为更好地解释冰芯记录提供有利信息 对研究 勤 ２０１１ 冰川四周被广袤的沙漠和戈壁所包围 东 接哈萨克斯坦的穆云库姆沙漠 北与古尔班通古特 沙漠相通 南与塔克拉玛干沙漠相邻 图 １ 冰川周 围分布有大片裸露的山体及冰碛沉积物 富含钠 钙 镁 铁等元素 骆鸿珍 １９８３ 该区属典型的大陆 性气候区 西风带在天山上空起主导作用 １ 号冰川 属于夏季补给型冰川 降水主要发生在 ５ ９ 月 集 大气环境的本底状况与历史变化 以及自然和人类 中了全年 ８８ 的降水量 且以湿雪 雹和霰等固态 活动 对 大 气 环 境 的 影 响 等 都 具 有 重 要 意 义 降水为主 杨大庆等 １９９２ 同时 夏季也是冰川强 烈消融的季节 这种积累与消融同期的特点形成了 来 人们在世界很多高海拔地区都进行了气溶胶的 １ 号冰川极具特色的物理及化学演化特征 Ｍａｙｅｗｓｋｉ ｅｔ ａｌ １９９０ 因此 自 ２０ 世纪 ８０ 年代以 观测研究工作 Ｙａｌｃｉｎ ｅｔ ａｌ ２００６ Ｍｉｎｇ ｅｔ ａｌ ２００７ Ｓｈｒｅｓｔｈａ ｅｔ ａｌ ２０００ Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ ２０１２ Ｚｈｏｕ ｅｔ ａｌ 此外 １ 号冰川距离人类活动密集区较近 冰川 东北方向直线距离约 １０５ ｋｍ 处的乌鲁木齐市 空气 ２０１２ 天山地区位于中亚干旱半干旱区 亚洲沙尘活 动源区范围内 四周被广褒的沙漠 戈壁所包围 在 此处开展大气气溶胶的研究 有助于我们认识亚洲 沙尘源区大气的本底状况及沙尘气溶胶的远距离 传输机制 自 １９９６ 年以来人们在天山地区开展了一 系列大气气溶胶的研究 Ｓｕｎ ｅｔ ａｌ １９９８ 张明军等 ２０１０ Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ ２００６ 张 坤 等 ２００８ 张 宁 宁 等 ２００９ 周 平 等 ２００９ Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ ２０１０ Ｌｉ ｅｔ ａｌ ２０１１ 但这些研究大都集中在短时期的变化特征 图 １ 乌鲁木齐河源 １ 号冰川地理位置及周边环境 组成特征的研究较缺乏 对区域内气溶胶来源的分 Ｆｉｇ １ Ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｌａｃｉｅｒ Ｎｏ １ ａｔ ｔｈｅ ｈｅａｄｗａｔｅｒ ｏｆ Ｕｒｕｍｑｉ Ｒｉｖｅｒ 或者对单一离子及气雪关系上 对较长时段气溶胶
９期 ２７２５ 岳晓英等 天山乌鲁木齐河源 １ 号冰川气溶胶可溶性离子观测与分析研究 污染十分严重 河谷下游 ５０ ｍ 处的后峡镇分布有工 １３ ７３０ Ｃｌ ４ ４４１ 分析过程中可以看出 空白膜中的 东南 ２ ｋｍ 处的 ２１６ 国道 是由北疆通向南疆最近的 为使所测值更加精确 在进行浓度计算时 首先将 业活动区 如采石场 钢铁厂和水泥厂等 在距冰川 离子浓度明显低于气溶胶样品中各离子的浓度值 一条通道 全年运输繁忙 煤 石油等化石燃料的燃 空白膜中各离子的平均浓度予以扣除 然后将所得 烧和居民生活排放的污染物在适宜的条件下可被 的每个气溶胶样品浓度值再除以其标准状况下的 地方性的环流系统携带到 １ 号冰川区 ３ 数据资料与分析方法 Ｄａｔａ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ 采样体积 即得到其实际浓度值 ３ ２ 沙尘暴数据 研究中涉及到的沙尘暴发生日期和强度数据 ３ １ 样品的采集与分析 均来自中国气象科学数据共享服务网 ｈｔｔｐ ｃｄｃ 拔 ４１３０ ｍ 处 该位置属于冰川上日照时间最短的区 什 库车 阿合奇 柯坪 塔城 托里 乌苏 伊宁 乌鲁 气溶胶采样点位于 １ 号冰川东支粒雪盆后壁海 域 尤其在冬季 完全无直接日照 而且风大寒冷 与许多高纬度极地气候条件相似 样品采集于 ２００３ ｃｍａ ｇｏｖ ｃｎ ｈｏｍｅ ｄｏ 包括蔡家湖 奇台 阿克苏 喀 木齐 拜城 七角井 淖毛湖 乌恰 １６ 个站点 图 ２ 年 １ 月 ２００５ 年 １ 月 和 ２００７ 年 １ １２ 月 共 １５５ 个 采样频率为每周 １ 次 在夏季会加密采集 采样 一般于早晨 １０ ００ 开始 抽气量介于 ２ ９８ ８ ３５ ｍ ３ 不等 主要取决于天气状况 在有降水和浓雾天气 下不进行采样工作 样品使用美国 Ｎｅｗ Ｈａｍｐｓｈｉｒｅ 大 学研发生产的小流量滤器采集 滤膜为 Ｐａｌｌ 公司生 产的背景浓度较低的 Ｚｅｆｌｏｕｒ Ｔｅｆｌｏｎ 滤膜 采样时平 ３ 均流速为 １ ５８ ｍ ｈ １ 线流速为 ２５ ３ ｃｍ ｓ １ 采样体 积用在线体积流量计测量 并记录采样开始和结束 时的气温及大气压 用于计算流经滤膜的空气标准 图 ２ 沙尘暴站点分布 体积 标准状态 １ 个大气压 ０ 所采集到的气 溶胶样品于 ４ 恒温避光保存 直至分析 样品分析在中科院寒区旱区环境与工程研究 所冰冻圈科学国家重点实验室内 １００ 级超净环境中 完成 样品预处理过程为 首先将滤膜用 ２００ μｌ 色 谱纯甲醇完全润湿 然后用 ２５ ｍｌ 去离子水提取 最 后超声波振荡 ３０ ｍｉｎ 用所得溶液进行分析 分析仪 器使用 Ｄｉｏｎｅｘ ３２０ 型离子色谱仪 具体测定过程参 见文献 赵中平等 ２００４ 采样及分析过程中所有操 作都采取严格措施 防止可能的污染 Ｆｉｇ ２ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｎｄｓｔｏｒｍ ｓｔａｔｉｏｎ ３ ３ 污染气体数据 本文中涉及到的 ＳＯ ２ 和 ＮＯ ２ 浓度数据来自国家 环境保护总局 ｈｔｔｐ ｗｗｗ ｚｈｂ ｇｏｖ ｃｎ 和新疆环 保厅 ｈｔｔｐ ｗｗｗ ｘｊｅｐｂ ｇｏｖ ｃｎ ２００４ 年 ２００７ 年发 布的乌鲁木齐 伊宁 博乐 石河子 ４ 个城市每日大 气污染指数 ＡＰＩ 通过表 １ 所示的公式转化为相应 的浓度值 徐昶 ２０１０ 表 １ ＡＰＩ 转化为浓度值所用的公式 此外 为了获得较准确的分析结果 实验过程 Ｔａｂｌｅ １ Ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ＡＰＩ ｔｏ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ 中还对空白滤膜进行了分析 并在浓度计算时进行 了扣除 野外空白滤膜的采集过程与样品完全一样 ＡＰＩ 之后取出并置于干净的样品瓶中 ４ 恒温避光保 ５０ １００ 也是先装入采样头 拿到野外进行采样 不抽气 ５０ 公式形式 ＰＭ １０ ＳＯ２ ＮＯ２ Ｃ ２ＡＰＩ ５０ Ｃ ２ＡＰＩ ５０ Ｃ ０ ８ＡＰＩ４０ Ｃ ＡＰＩ Ｃ ＡＰＩ 存 本研究共对 ８ 个空白滤膜进行了分析 用以估计 １００ ２００ Ｃ ２ＡＰＩ ５０ 大小 ８ 个 空 白 膜 中 所 测 ８ 种 离 子 的 平 均 含 量 ３００ ４００ Ｃ ０ ８ＡＰＩ１８０ 样品采集和分析过程中所带来的污染物的种类和 ｎｇ ｇ 分 别 为 Ｃａ １ ２ ２ ８４３ ＮＨ 低 于 检 测 限 ４ Ｎａ ２ １４７ Ｍｇ ２ ０ ２２１ Ｋ ０ ０４３ ＮＯ ３ ９ ６０８ ＳＯ ２ ４ ２００ ３００ Ｃ ０ ７ＡＰＩ２１０ ４００ ５００ Ｃ ＡＰＩ１００ 注 浓度单位均为 μｇ ｍ ３ Ｃ ６ ５ＡＰＩ ５００ Ｃ ８ＡＰＩ ８００ Ｃ ５ＡＰＩ１００ Ｃ ５ ２ＡＰＩ２０ Ｃ １ ６ＡＰＩ Ｃ １ ６ＡＰＩ ４０ Ｃ ２ ８５ＡＰＩ ２９０ Ｃ １ ８５ＡＰＩ１０ Ｃ １ ９ＡＰＩ １０ Ｏ３ Ｃ ２ ４ＡＰＩ Ｃ １ ６ＡＰＩ４０ Ｃ ２ＡＰＩ Ｃ ４ＡＰＩ ４００ Ｃ ２ＡＰＩ２００ Ｃ ２ＡＰＩ２００
2726 环 境 科 学 学 报 5 卷. 分 析 方 法 本 研 究 采 用 因 子 分 析 法 分 析 各 离 子 的 主 要 来 源. 因 子 分 析 是 一 种 多 元 统 计 方 法, Blifford 等 (1967) 最 早 用 该 方 法 研 究 了 美 国 0 多 个 城 市 的 气 溶 胶 来 源, 此 后, 国 内 外 多 位 学 者 先 后 采 用 该 方 法 对 各 地 的 气 溶 胶 来 源 进 行 分 析, 并 取 得 了 满 意 的 结 果 (Salvador et al., 200; 徐 建 中 等,2007). 目 前, 因 子 分 析 法 已 经 成 为 气 溶 胶 源 解 析 的 一 种 有 效 方 法. 其 基 本 思 路 为 : 通 过 分 析 各 因 子 ( 气 溶 胶 来 源 ) 对 各 变 量 ( 离 子 ) 的 载 荷, 确 定 主 要 因 子, 并 依 据 载 荷 离 子 的 化 学 属 性 判 断 气 溶 胶 的 来 源. 方 法 的 详 细 介 绍 见 文 献 ( 王 明 星,1985). 本 研 究 中 因 子 分 析 法 中 公 因 子 数 的 确 定 原 则 为 各 变 量 提 取 率 大 于 80%, 结 果 经 过 方 差 最 大 正 交 旋 转. 同 时, 为 了 进 一 步 验 证 1 号 冰 川 区 大 气 气 溶 胶 的 可 能 来 源, 本 文 利 用 NOAA 提 供 的 HYSPLIT 气 团 后 向 轨 迹 传 输 模 型, 结 合 美 国 国 家 环 境 预 报 中 心 NCEP / NCAR I(CDC-I) 气 象 数 据 库 提 供 的 全 球 再 分 析 格 点 (2.5 2.5 ) 数 据, 以 1 号 冰 川 海 拔 10 m 处 采 样 点 (86 9 E, 06 N) 为 气 团 运 动 的 终 点, 以 每 天 8:00(0:00 UTC) 和 20:00(12:00 UTC) 在 距 离 模 型 地 面 2700 m(agl) 处 使 用 HYSPLIT.8 model 模 拟 反 向 计 算 了 采 样 期 间 到 达 1 号 冰 川 气 溶 胶 采 样 点 的 气 团 传 输 轨 迹 ( d). 最 后, 使 用 轨 迹 聚 类 平 均 法 将 气 团 轨 迹 进 行 聚 类, 模 拟 计 算 出 采 样 期 间 到 达 采 样 点 的 平 均 气 团 轨 迹. 结 果 与 讨 论 (Results and discussion).1 气 溶 胶 中 可 溶 性 离 子 化 学 组 成 特 征 利 用 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 中 阴 阳 离 子 当 量 浓 度 的 比 值 来 分 析 评 估 大 气 环 境 的 酸 碱 性 是 目 前 普 遍 应 用 的 一 种 方 法 ( Wang et al.,2005; 赵 淑 惠,2011). 其 计 算 过 程 为, 首 先 将 各 个 离 子 的 质 量 浓 度 (μg m - ) 换 算 成 当 量 浓 度 ( μeq m - ), 换 算 公 式 为 : 当 量 浓 度 = 化 合 价 ( 质 量 浓 度 / 元 素 质 量 ); 其 次, 利 用 阴 阳 离 子 当 量 浓 度 之 和 的 比 值 来 分 析 大 气 环 境 的 酸 碱 度. 此 外, 根 据 电 中 性 原 理, 如 果 所 有 的 可 溶 性 离 子 均 被 检 测 出 来, 则 阴 阳 离 子 的 当 量 浓 度 比 ( + / - ) 应 接 近 1. 经 计 算,1 号 冰 川 大 气 气 溶 胶 中 + / - 为 1.672( 表 2), 比 值 大 于 1.0, 大 气 环 境 呈 碱 性. 但 考 虑 到 气 溶 胶 中 + / - 远 远 大 于 1.0, 表 明 阳 离 子 过 剩, 气 溶 胶 中 存 在 不 可 忽 略 的 且 未 被 测 定 的 CO 2-. 本 研 究 采 用 阴 阳 离 子 平 衡 法 ([ CO 2- ] = + - - ) 来 估 算 CO 2- 的 浓 度, 这 也 是 目 前 应 用 较 多 的 一 种 方 法 ( 孙 俊 英 等,2002; 冯 芳 等,2011). 经 计 算, 气 溶 胶 中 CO 2- 的 当 量 浓 度 为 17.70 neq m -, 转 化 为 质 量 浓 度 为 0.52 μg m -. 表 2 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 气 溶 胶 中 可 溶 性 离 子 的 当 量 浓 度 值 Table 2 Normality of soluble ions in aerosol samples collected at Urumqi Glacier No.1 neq m - NO - SO 2- Ca 2+ Mg 2+ K + Na + NH + Cl - CO 2- + - + / - 11.298 11.592 2.5.115 1. 6.81 6.66.081 17.70.1 25.971 1.672 注 : + = [Ca 2+ ] + [Mg 2+ ] +[K + ] +[Na + ] +[NH + ]; - = [NO - ] +[SO 2- ] +[Cl - ];[CO 2- ] = + - -. 如 表 所 示, 所 测 气 溶 胶 中 可 溶 性 离 子 平 均 浓 度 为 2.759 μg m -, 其 中, 最 大 值 为 16.87 μg m -, 出 现 于 2007 年 月 ; 最 小 值 为 0.650 μg m -, 出 现 于 200 年 8 月. 所 有 阴 离 子 中 NO - 的 浓 度 最 高, 为 0.700 μg m -,SO 2- 次 之, 为 0.556 μg m -,Cl - 浓 度 最 低, 仅 为 0.109 μg m -. 而 所 有 阳 离 子 中,Ca 2+ 浓 度 最 高, 为 0. 91 μg m -, 其 次 是 Na +, 为 0. 157 μg m -. 所 测 阳 离 子 浓 度 大 小 顺 序 为 : Ca 2+ > Na + > NH + >K + >Mg 2+, 与 元 素 地 壳 中 的 丰 度 顺 序 Ca 2+ >Na + >K + >Mg 2+ 相 同, 这 意 味 着 该 区 大 气 气 溶 胶 中 可 溶 性 阳 离 子 组 成 以 地 壳 物 质 为 主, 与 气 溶 胶 微 观 形 貌 特 征 研 究 的 结 果 一 致 ( Liet al.,2011), 一 定 程 度 反 映 表 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 气 溶 胶 中 可 溶 性 离 子 的 质 量 浓 度 Table Concentrations of soluble ions in aerosol samples collected at Urumqi Glacier No.1 μg m - 数 据 类 型 NO - SO 2- Ca 2+ Mg 2+ K + Na + NH + Cl - CO 2- 平 均 值 0.700 0.556 0.91 0.09 0.052 0.157 0.120 0.109 0.52 2.759 最 大 值.695 5.702.515 0.62 0.1 1.10 0.77 1.59 5.15 16.87 最 小 值 - 0.055 0.025 0.00 0.009 0.010-0.006-0.650 标 准 差 1.0 1.05 0.685 0.119 0.07 0.26 0.182 0.2 0.892.91 注 : = [Ca 2+ ] + [Mg 2+ ] +[K + ] +[Na + ] +[NH + ] + [NO - ] +[SO 2- ] +[Cl - ] +[CO 2- ].
9 期 岳 晓 英 等 : 天 山 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 观 测 与 分 析 研 究 2727 了 冰 川 区 大 气 环 境 受 地 壳 源 影 响 很 大. NO - SO 2- Ca 2+ 和 CO 2- 的 质 量 浓 度 百 分 比 分 别 为 25% 20% 19% 和 18%, 占 总 可 溶 性 离 子 浓 度 的 82%, 为 1 号 冰 川 大 气 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 的 主 要 组 成 成 分. 利 用 二 元 相 关 性 分 析 气 溶 胶 中 各 种 离 子 的 存 在 形 式, 并 计 算 了 阴 阳 离 子 间 的 相 关 系 数, 相 关 性 高 的 离 子 之 间 优 先 构 成 化 学 物 种 ( 李 娟,2009). 表 显 示,NH + 只 与 NO - 表 现 出 显 著 的 相 关 性, 相 关 系 数 为 0.8, 表 明 NH + 主 要 以 NH NO 的 形 式 存 在, 这 与 张 明 军 等 (2010) 认 为 该 区 域 NH + 主 要 以 NH HSO 和 ( NH ) 2 SO 的 形 式 存 在, 并 伴 有 少 量 NH NO 气 溶 胶 存 在 的 研 究 结 果 不 同. Ca 2+ Mg 2+ 和 Na + 分 别 于 Cl - CO 2- SO 2- 表 现 出 显 著 的 相 关 性, 表 明 Ca 2+ Mg 2+ 和 Na + 首 先 以 CaCl 2 MgCl 2 NaCl 的 形 式 存 在, 其 次 与 CO 2- 结 合 形 成 CaCO MgCO 和 Na 2 CO, 多 余 的 Ca 2+ Mg 2+ 和 Na + 会 与 SO 2- 结 合, 以 CaSO MgSO Na 2 SO 的 形 式 存 在, 考 虑 到 气 溶 胶 中 Cl - 的 含 量 较 低, 因 此,Ca 2+ Mg 2+ 和 Na + 主 要 以 碳 酸 盐 和 硫 酸 盐 的 形 式 存 在.K + 与 种 阴 离 子 之 间 均 表 现 出 较 显 著 的 相 关 性, 表 明 K + 的 存 在 形 式 比 较 复 杂, 可 能 种 形 式 的 盐 类 同 时 存 在. Table 表 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 气 溶 胶 中 可 溶 性 离 子 相 关 性 (N = 61,p<0.05) Correlation coefficients between soluble ions in aerosols collected at Urumqi Glacier No.1 SO 2-0.25 NO - SO 2- Cl - CO 2- Ca 2+ Mg 2+ K + Na + Cl - 0.17 0.78 CO 2- -0.05 0.69 0.91 Ca 2+ 0.260 0.89 0.912 0.891 Mg 2+ 0.169 0.802 0.96 0.91 0.877 K + 0. 0.65 0.56 0.8 0.70 0.6 Na + 0.125 0.75 0.9 0.896 0.82 0.92 0. NH + 0.8 0.56 0.172-0.005 0.260 0.215 0.281 0.18.2 可 溶 性 离 子 的 变 化 特 征 在 较 早 的 研 究 中, 对 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 的 季 节 变 化 特 征 和 可 能 的 影 响 因 素 进 行 了 分 析 讨 论, 结 果 发 现 ( 岳 晓 英,201): 总 体 上, 可 溶 性 离 子 的 质 量 浓 度 变 化 呈 现 出 夏 季 > 秋 季 > 春 季 > 冬 季 的 季 节 特 征, 主 要 的 化 学 离 子 中, 除 NO - 的 季 节 变 化 呈 现 出 秋 季 > 夏 季 > 冬 季 > 春 季 的 特 征 外, 其 余 离 子 均 不 同 程 度 的 呈 现 出 夏 季 春 季 秋 季 冬 季 浓 度 依 次 降 低 的 趋 势. 这 主 要 与 各 离 子 在 不 同 季 节 来 源 的 差 异 及 理 化 特 性 有 关, 沙 尘 活 动 的 强 度, 以 及 受 温 度 湿 度 风 向 等 气 象 条 件 影 响 的 气 溶 胶 气 粒 转 化 程 度 是 影 响 离 子 浓 度 季 节 变 化 的 重 要 因 素 ; 此 外, 人 类 活 动 是 影 响 NO - 季 节 变 化 的 重 要 因 素. 可 溶 性 离 子 总 质 量 浓 度 的 年 际 变 化 趋 势 为 2007 年 最 高, 为. 12 μg m -, 200 年 次 之, 为 2.811 μg m -,200 年 最 低, 仅 为 2.00 μg m -. 气 溶 胶 中 阴 阳 离 子 平 均 浓 度 的 排 序 分 别 为 :2007 年,NO - > SO 2- > Ca 2+ > CO 2- > Na + > NH + > Cl - > Mg 2+ > K + ; 200 年,CO 2- > NO - > Ca 2+ > SO 2- > Na + > NH + > Cl - > Mg 2+ > K + ;200 年,NO - > SO 2- > Ca 2+ > CO 2- > Na + >Cl - > NH + > K + > Mg 2+. 由 此 可 见, 气 溶 胶 中 主 要 可 溶 性 离 子 组 成 没 有 发 生 明 显 变 化, 仍 然 以 NO - SO 2- Ca 2+ 和 CO 2- 为 主, 但 在 总 可 溶 性 离 子 平 均 浓 度 中 所 占 的 百 分 比 有 所 波 动,2007 年 为 8.%,200 年 为 85.6%,200 年 为 76.5%. 从 单 一 离 子 浓 度 及 其 在 相 应 年 份 中 所 占 比 例 来 看 ( 图 ),9 种 离 子 的 变 化 特 征 大 致 可 以 分 为 类. 第 1 类 为 NO - SO 2- 和 NH +, 三 者 的 年 平 均 浓 度 在 200 年 和 200 年 相 差 甚 微,2007 年 明 显 高 于 前 两 年, 但 相 应 年 份 的 比 例 却 表 现 为 :NO - 为 2007 年 >200 年 >200 年,SO 2- 和 NH + 为 200 年 >2007 年 >200 年 的 特 点, 表 明 NO - 含 量 的 增 加 是 导 致 2007 年 总 可 溶 性 离 子 浓 度 较 高 的 主 要 原 因 ; 第 2 类 为 Ca 2+ CO 2- 和 Mg 2+, 其 平 均 浓 度 和 所 占 比 例 均 表 现 出 200 年 和 2007 年 较 高,200 年 最 低 的 特 点, 表 明 Ca 2+ 2 - 和 CO 含 量 的 增 加 是 导 致 200 年 总 可 溶 性 离 子 浓 度 较 高 的 主 要 原 因 ; 第 类 为 Na + 和 Cl -, 其 平 均 浓 度 和 所 占 比 例 不 同 程 度 的 表 现 为 200 年 最 高,2007 年 次 之,200 年 最 低 的 趋 势 ; 第 类 为 K +, 其 平 均 浓 度 和 所 占 比 例 在 这 年 期 间 均 比 较 低, 没 有 发 生 明 显 变 化.
2728 环 境 科 学 学 报 5 卷 Fig. 图 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 浓 度 的 年 际 变 化 和 各 离 子 贡 献 Annual changes and relative contribution of the average concentrations of soluble ions in aerosols collected at Urumqi Glacier No.1 为 了 进 一 步 探 究 气 溶 胶 离 子 年 际 变 化 的 原 因 及 其 蕴 含 的 环 境 信 息, 选 取 了 天 山 周 围 16 个 气 象 站 200 年 200 年 和 2007 年 的 沙 尘 暴 数 据 及 个 主 要 城 市 的 空 气 质 量 数 据 进 行 分 析. 结 果 发 现 ( 表 5), 200 年 天 山 周 围 出 现 沙 尘 天 气 的 次 数 最 多, 为 29 次, 大 于 2007 年 和 200 年, 其 中, 出 现 强 沙 尘 暴 天 气 次 沙 尘 暴 天 气 6 次. 而 2007 年 虽 然 全 年 出 现 沙 尘 天 气 的 频 次 与 200 年 相 当, 均 为 18 次, 但 出 现 强 沙 尘 暴 天 气 和 沙 尘 暴 天 气 的 次 数 大 于 200 年 (2007 年 分 别 为 1 次 和 9 次,200 年 分 别 为 2 次 和 次 ). 许 多 研 究 显 示, 沙 尘 中 含 有 丰 富 的 Ca 2+ CO 2- 和 Mg 2+ 等 矿 质 离 子 ( Okada et al.,200). 据 此 推 测, 200 年 2007 年 气 溶 胶 离 子 含 量 较 高 ( 尤 其 是 矿 质 离 子 的 含 量 较 高 ) 可 能 是 这 一 时 段 多 频 次 高 强 度 的 沙 尘 活 动 造 成 的. NO - 和 NH + 的 年 际 变 化 显 示, 自 200 年 以 来,NO - 和 NH + 在 气 溶 胶 中 的 含 量 有 所 增 加, 其 原 因 可 能 与 人 类 活 动 有 关. 为 此, 表 6 列 出 了 1 号 冰 川 周 围 主 要 城 市 大 气 中 NO 2 和 SO 2 的 年 平 均 浓 度. 随 着 大 气 污 染 的 控 制 及 城 市 能 源 结 构 的 改 变, 城 市 大 气 中 NO 2 和 SO 2 的 年 平 均 浓 度 2007 年 较 200 年 有 明 显 下 降, 但 冰 川 区 大 气 中 NO - SO 2- 含 量 却 有 增 加, 其 原 因 可 能 为 随 着 城 市 的 发 展, 城 市 大 气 氧 化 性 的 提 高, 加 速 了 气 态 污 染 物 向 固 态 颗 粒 物 的 转 化. 由 此 可 见, 冰 川 区 大 气 环 境 对 反 映 周 围 大 气 质 量 状 况 变 化 的 响 应 敏 感, 周 边 城 市 排 放 的 污 染 物 在 一 定 条 件 下 会 随 着 气 团 的 传 输 到 达 冰 川 上 空 进 而 影 响 该 地 区 的 大 气 环 境. 此 外, 冰 川 区 周 围 的 人 类 活 动, 如 交 通 运 输 工 业 生 产 牧 民 生 活 和 表 5 天 山 地 区 沙 尘 天 气 统 计 Table 5 Summary of dust weather in Tianshan Mountain 天 数 / d 天 气 类 型 能 见 度 / km 200 年 200 年 2007 年 1996 年 5 6 月 2007 年 5 6 月 浮 尘 10 11 1 5 2 扬 沙 1~ 10 1 5 1 沙 尘 暴 0.5 ~ 1 6 9 1 强 沙 尘 暴 0.05 ~ 0.5 2 1 2 1 特 强 沙 尘 暴 <0.05 0 0 0 0 0 总 沙 尘 天 气 18 29 18 11 7 年 份 表 6 200 年 2007 年 伊 宁 博 乐 石 河 子 和 乌 鲁 木 齐 SO 2 和 NO 2 浓 度 状 况 Table 6 Concentration of SO 2 and NO 2 of Yining, Bole, Shihezi, and Urumqi in 200 and 2007 μg m - 伊 宁 市 博 乐 市 乌 鲁 木 齐 市 石 河 子 市 SO 2 NO 2 SO 2 NO 2 SO 2 NO 2 SO 2 NO 2 200 12.1 17.2 166.8 109.2 172.7 116.7 77.9 87.1 2007 88.1 9. 65. 82.5 87.5 66.8 71. 85.9
9 期 岳 晓 英 等 : 天 山 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 观 测 与 分 析 研 究 2729 排 放 的 污 染 物, 以 及 生 物 质 的 燃 烧 动 物 尸 体 及 其 排 泄 物 的 分 解 对 冰 川 区 大 气 环 境 的 作 用 也 不 容 忽 视.. 气 溶 胶 来 源 分 析 本 研 究 采 用 因 子 分 析 法 分 析 各 离 子 的 主 要 来 源. 由 表 7 所 示 的 因 子 分 析 结 果 得 出,9 种 离 子 可 归 结 为 个 因 子. 因 子 1 解 释 方 差 为 65. 0%, Ca 2+ CO 2- Na + Mg 2+ SO 2- Cl - 在 其 上 有 较 高 载 荷,K + 在 因 子 1 上 也 有 载 荷, 主 要 代 表 陆 地 上 的 沙 尘 盐 湖 等 局 地 矿 物 源. 天 山 四 周 沙 漠 戈 壁 广 布, 且 1 号 冰 川 周 围 分 布 的 大 量 裸 露 山 体 及 冰 碛 物 中 以 角 闪 石 绿 帘 石 石 英 长 石 为 主, 含 有 大 量 Ca Mg Na K 等 元 素 ( 骆 鸿 珍,198), 在 风 力 作 用 下 可 将 这 些 物 质 输 入 至 大 气 中, 成 为 冰 川 区 矿 质 离 子 的 主 要 来 源. 此 外, 天 山 山 区 周 边 丰 富 的 盐 矿 资 源 也 为 Na + SO 2- Cl - 等 提 供 了 充 足 来 源. 因 子 2 解 释 方 差 为 21.0%, NO - NH + 这 2 种 离 子 在 其 上 载 荷 较 大,SO 2- 在 其 上 也 有 一 定 载 荷, 代 表 了 化 石 燃 料 的 燃 烧 及 动 植 物 代 谢, 以 及 生 物 体 腐 烂 化 学 肥 料 的 使 用 等 混 合 源.1 号 冰 川 距 有 200 万 人 口 的 乌 鲁 木 齐 市 仅 有 105 km, 且 距 乌 鲁 木 齐 河 谷 的 后 峡 镇 仅 50 km, 同 时 216 国 道 距 冰 川 也 仅 有 2 km, 这 些 地 区 的 空 气 污 染 物 在 大 气 环 流 的 作 用 下 完 全 有 可 能 被 携 带 至 冰 川 区. 另 外, 新 疆 是 我 国 重 要 的 牧 区 之 一, 畜 载 量 高, 夏 秋 季 节, 人 类 农 牧 活 动 频 繁, 动 植 物 的 新 陈 代 谢 及 尸 体 的 分 解, 以 及 化 肥 的 使 用 等 都 会 产 生 丰 富 的 氮 素, 成 为 NO - 和 NH + 的 另 一 个 重 要 来 源. 因 子 解 释 方 差 为 7.18%, 其 中,K + 载 荷 最 大,Ca 2+ 和 SO 2- 也 有 较 高 的 负 载, 代 表 了 生 物 质 燃 烧 粉 尘 矿 物 等 的 远 距 离 传 输 及 河 谷 下 游 水 泥 厂 采 石 场 等 人 类 工 业 活 动 的 排 放.K + 是 生 物 质 燃 烧 的 示 踪 物 (Pio et al., 2008), 且 中 亚 哈 萨 克 斯 坦 东 部 的 草 原 大 火 在 1 号 冰 川 雪 层 中 已 有 记 录 ( 王 圣 杰 等,2011); 里 海 低 地 土 库 曼 斯 坦 的 沙 漠 及 碱 性 土 壤 中 Ca 含 量 丰 富, 可 能 为 天 山 地 区 含 Ca 气 溶 胶 的 重 要 源 区. 此 外, 乌 鲁 木 齐 河 谷 下 游 自 1958 年 来 先 后 建 有 水 泥 厂 火 力 发 电 厂 钢 铁 厂 等 企 业. 生 产 水 泥 的 多 种 原 料 中 都 含 有 K, 在 煅 烧 水 泥 熟 料 的 过 程 中 有 一 部 分 会 挥 发, 且 在 生 产 过 程 中 还 会 添 加 石 膏 ( 主 要 成 分 CaSO ) 等 物 质 ( 曹 士 勇 等,2005); 火 力 发 电 过 程 中 煤 的 燃 烧 也 会 释 放 较 多 的 含 硫 物 质. 河 谷 内 盛 行 的 山 谷 风 很 有 可 能 将 这 些 工 业 活 动 排 放 物 带 至 冰 川 区.SO 2- 在 因 子 1 上 载 荷 最 大, 但 在 因 子 2 和 因 子 上 也 均 有 较 大 的 载 荷, 表 明 它 同 时 受 陆 源 矿 物 和 人 为 活 动 的 影 响, 既 有 来 自 沙 尘 矿 物 的 输 入, 如 亚 洲 粉 尘 中 含 有 大 量 的 矿 物 盐 类 CaSO 等 ; 也 有 来 自 人 为 含 硫 污 染 物 的 排 放, 如 燃 料 ( 煤 炭, 石 油 等 ) 燃 烧. 离 子 Table 7 表 7 因 子 分 析 结 果 (N = 61) Loading for factor analysis of nine ions 载 荷 因 子 1 因 子 2 因 子 提 取 率 Mg 2+ 0.970 0.128 0.102 96.7% Na + 0.95 0.060 0.106 92.2% CO 2-0.951-0.126 0.181 95.% Cl - 0.9 0.06 0.251 95.9% Ga 2+ 0.89 0.156 0.57 95.% SO 2-0.750 0.8 0.01 8.8% NH + 0.108 0.967 0.02 9.8% NO - 0.012 0.919 0.22 90.% K + 0.28 0.222 0.908 98.2% 特 征 值 5.85 1.925 0.66 解 释 方 差 65.0% 21.0% 7.18% 累 计 方 差 65.0% 86.% 9.61% 同 时, 为 了 进 一 步 探 究 1 号 冰 川 区 大 气 气 溶 胶 的 可 能 来 源, 揭 示 该 地 区 气 团 传 输 的 长 期 状 况, 本 文 利 用 HYSPLIT 气 团 后 向 轨 迹 传 输 模 型, 模 拟 计 算 了 采 样 期 间 到 达 1 号 冰 川 气 溶 胶 采 样 点 的 气 团 传 输 轨 迹 ( d), 并 使 用 轨 迹 聚 类 平 均 法 将 年 2191 条 气 团 轨 迹 进 行 聚 类, 计 算 出 采 样 期 间 到 达 采 样 点 的 平 均 气 团 轨 迹. 从 图 可 以 看 出,1 号 冰 川 主 要 受 来 自 西 南 方 西 方 及 西 北 方 个 方 向 气 团 的 控 制. 第 一 类 气 团 占 全 部 气 团 总 条 数 的 2%, 从 西 面 传 输 至 1 号 冰 川 上 空. 它 源 于 东 欧 平 原 俄 罗 斯 西 部 的 莫 斯 科 附 近, 向 东 经 过 乌 拉 尔 山 脉 南 端 进 入 哈 萨 克 斯 坦 境 内, 转 而 向 东 南 方 向 传 输, 途 径 巴 尔 克 什 湖 萨 雷 伊 施 科 特 劳 沙 漠, 沿 伊 犁 河 谷 达 到 1 号 冰 川 上 空, 该 气 团 主 要 在 高 空 平 流 层 内 传 输, 代 表 的 是 高 空 远 距 离 传 输 的 气 团. 从 气 团 在 全 年 12 个 月 中 的 数 量 分 布 情 况 来 看, 这 类 气 团 在 各 月 都 有 分 布, 且 月 变 化 微 弱, 表 明 1 号 冰 川 全 年 受 该 气 团 持 续 稳 定 的 影 响, 这 与 天 山 地 区 盛 行 的 西 风 环 流 关 系 密 切. 第 二 类 气 团 占 全 部 气 团 总 条 数 的 55%, 从 西 南 方 向 传 输 至 1 号 冰 川 上 空. 它 起 源 于 里 海 东 岸, 向 东 穿 过 卡 拉 库 姆 沙 漠 帕 米 尔 高 原 北 部, 沿 伊 犁 河 谷 南 侧 到 达 1 号 冰 川. 这 类 气 团 主 要 在 距 离 地 面 2000 m 以 下 高 度 传 输, 所 经 过 的 地 区 多 为 中 亚 干 旱 区, 沙 漠 广 布, 且 从 该 气 团 在 各 个 月 的 分 布 情 况 看, 月 变 化
２７３０ 环 境 科 学 学 报 ３５ 卷 可溶性离子组成没有发生明显变化 但单一离子的 浓度变化不尽相同 气溶胶离子浓度的变化主要与 沙尘活动的强度有关 冰川区大气环境对周围大气 质量状况的变化响应敏感 周边城市排放的污染物 一定条件下会随着气团的传输到达冰川上空进而 影响该地区的大气环境 ３ 通过因子分析得出 ９ 种离子可归为 ３ 个因 子 因子 １ 代表陆地上的沙尘 盐湖等局地矿物源 因子 ２ 代表化石燃料的燃烧及动植物代谢 以及生 物体腐烂 化学肥料的使用等混合源 因子 ３ 代表了 生物质燃烧 粉尘矿物等的远距离传输及河谷下游 水泥厂 采石场等人类工业活动的排放 由气团轨迹 的聚类分析得出 １ 号冰川主要受来自西南方 西方 及西北方 ３ 个方向气团的控制 这些气团均经过伊 图 ４ ２００３ ２００４ 和 ２００７ 年 ３ 年间到达 １ 号冰川采样点的气团 轨迹聚类平均图 Ｆｉｇ ４ Ｃｌｕｓｔｅｒ ｍｅａｎ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ ｅｎｄｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｓｉｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Üｒüｍｑｉ Ｇｌａｃｉｅｒ Ｎｏ １ ｉｎ ２００３ ２００４ ａｎｄ ２００７ 犁河谷或阿拉山口到达 １ 号冰川地区 其中 在距离 地面 ２０００ ｍ 以下高度传输的气团会带来大量的沙 尘物质 对冰川区大气环境影响较大 致谢 本研究是天山冰川观测试验站开展的雪冰现代过程研 明显 在冬末春初和夏末秋初出现两个高值区 这类 气团的低空传输将大量的沙尘颗粒从中亚干旱区 输入至 １ 号冰川地区 同时也导致了该地区气溶胶 矿质离子浓度在此时出现高值 第三类气团占全部 气团总条数的 ２３ 主要从西北方向传输至 １ 号冰 川上空 该气团主要源自于西西伯利亚北部 经过哈 萨克斯坦 通过阿拉山口进入并影响 １ 号冰川 这类 究项目的一部分 是在全体观测和研究人员集体努力下完成 的 谨此对参加本研究的每一位观测人员及项目组人员表示 衷心感谢 责任作者简介 李忠勤 １９６２ 男 研究员 主要从事冰川 与环境方面的研究 Ｅ ｍａｉｌ ｌｉｚｑ ｌｚｂ ａｃ ｃｎ 参考文献 Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ 气团也主要在高空平流层内传输 代表了高空远距 Ｂｌｉｆｆｏｒｄ Ｉ Ｈ Ｊｒ Ｍｅｅｋｅｒ Ｇ Ｏ １９６７ Ａ ｆａｃｔｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ 输过程中还要经过人类活动密集区 如境外的比什 曹士勇 钟宏 ２００５ 水泥中钾钠测定的改进方法 Ｊ 山东理工大学学 离传输气团 在 ４ ８ 月份盛行 此外 这些气团在传 凯克 塔什干 阿斯塔纳及我国新疆境内的伊宁 博 乐 石河子等地 这些区域工业活动较多 故这些地 区的人类污染物随着气团的传输而到达高海拔冰 ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ Ｊ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ １ ２ １４７ １５８ 报 自然科学版 １９ ２ ９８ １００ 冯芳 李忠勤 张明军 等 ２０１１ 天山乌鲁木齐河源区径流水化学特 征及影响因素分析 Ｊ 资源科学 ３３ １２ ２２３８ ２２４７ 李娟 ２００９ 中亚地区沙尘气溶胶的理化特性 来源 长途传输及其对 全球变化的可能影响 Ｄ 上海 复旦大学 １２１ 川表面是完全可能的 Ｌｉ Ｚ Ｑ Ｚｈａｏ Ｓ Ｈ Ｅｄｗａｒｄｓ Ｒ ｅｔ ａｌ ２０１１ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ５ 结论 Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｅｒｏｓｏｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｖｅｒ Üｒüｍｑｉ Ｇｌａｃｉｅｒ Ｎｏ １ ｉｎ ｅａｓｔｅｒｎ Ｔｉａｎｓｈａｎ ｃｅｎｔｒａｌ Ａｓｉａ Ｃｈｉｎａ Ｊ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ９９ １ ５７ ６６ １ 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 平 均 浓 度 为 ２ ７５９ 李忠勤 ２０１１ 天山乌鲁木齐河源 １ 号冰川近期研究与应用 Ｍ 北 约占总可溶性离子浓度的 ８２ 冰川区大气环境呈 骆鸿珍 １９８３ 天山乌鲁木齐河源 １ 号冰川的水化学特征 Ｊ 冰川冻 式存在 而 ＮＨ 主要以 ＮＨ ４ ＮＯ ３ 的形式存在 Ｋ 的 Ｍａｙｅｗｓｋｉ Ｐ Ａ Ｌｙｏｎｓ Ｗ Ｂ Ｓｐｅｎｃｅｒ Ｍ Ｊ ｅｔ ａｌ １９９０ Ａｎ ｉｃｅ ｃｏｒｅ ｒｅｃｏｒｄ ｏｆ ２ ２ μｇ ｍ ３ 化学组成以 ＮＯ ３ ＳＯ ２ ４ Ｃａ 和 ＣＯ ３ 为主 碱性 Ｃａ ２ Ｍｇ ２ 和 Ｎａ 主要以碳酸盐和硫酸盐的形 ４ 存在形式比较复杂 可能 ４ 种盐类同时存在 ２ 气溶胶可溶性离子的年际变化特征为 总质 量浓度年际变化为 ２００７ 年 ２００４ 年 ２００３ 年 主要 京 气象出版社 ２ 土 ５ ２ ５５ ６４ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ ｓｕｌｐｈａｔｅ ａｎｄ ｎｉｔｒａｔｅ Ｊ Ｎａｔｕｒｅ ３４６ ６２８４ ５５４ ５５６ Ｍｉｎｇ Ｊ Ｚｈａｎｇ Ｄ Ｑ Ｋａｎｇ Ｓ Ｃ ｅｔ ａｌ ２００７ Ａｅｒｏｓｏｌ ａｎｄ ｆｒｅｓｈ ｓｎｏｗ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｅａｓｔ Ｒｏｎｇｂｕｋ Ｇｌａｃｉｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｎｏｒｔｈｅｒｎ ｓｌｏｐｅ ｏｆ Ｍｔ
9 期 岳 晓 英 等 : 天 山 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 观 测 与 分 析 研 究 271 Qomolangma ( Everest) [ J]. Journal of Geophysical Research, 112 ( D15):D1507,doi:10.1029 / 2007JD008618 Okada K,Kai K.200. Atmospheric mineral particles collected at Qira in the Taklamakan Desert, China [ J ]. Atmospheric Environment, 8 (0):6927 695 Pio C A, Legrand M, Alves C A, et al. 2008. Chemical composition of atmospheric aerosols during the 200 summer intense forest fire period [ J].Atmospheric Environment,2(2):750 75 Salvador P, Artlñano B, Alonso D G, et al. 200. Identification and characterisation of sources of PM 10 in Madrid ( Spain) by statistical methods[ J].Atmospheric Environment,8():5 7 Shrestha A B, Wake C P, Dibb J E, et al. 2000. Seasonal variations in aerosol concentrations and compositions in the Nepal Himalaya [ J]. Atmospheric Environment,(20):9 6 Sun J Y,Qin D H,Mayewski P A,et al.1998. Soluble species in aerosol and snow and their relationship at Glacier 1,Tien Shan,China[ J]. Journal of Geophysical Research,10( D21):28021 28028 孙 俊 英, 秦 大 河, 任 贾 文, 等.2002. 乌 鲁 木 齐 河 源 区 水 体 和 大 气 气 溶 胶 化 学 成 分 研 究 [J]. 冰 川 冻 土,2(2):186 191 王 明 星.1985. 用 因 子 分 析 法 研 究 大 气 气 溶 胶 的 来 源 [ J]. 大 气 科 学,9 (1):7 81 王 明 星.1999. 大 气 化 学 ( 第 二 版 )[M]. 北 京 : 气 象 出 版 社.166 王 圣 杰, 张 明 军, 王 飞 腾, 等.2011. 天 山 东 部 雪 冰 中 硝 酸 根 浓 度 对 中 亚 生 物 质 燃 烧 的 响 应 研 究 [J]. 环 境 科 学,2(2):8 Wang Y,Zhuang G S,Tang A H,et al.2005. The ion chemistry and the source of PM 2. 5 aerosol in Beijing[ J].Atmospheric Environment,9 (21):771 78 温 玉 璞, 徐 晓 斌, 汤 洁, 等.2001. 青 海 瓦 里 关 大 气 气 溶 胶 元 素 富 集 特 征 及 其 来 源 [J]. 应 用 气 象 学 报,12():00 08 徐 昶.2010. 中 国 特 大 城 市 气 溶 胶 的 理 化 特 性 来 源 及 其 形 成 机 制 [D]. 上 海 : 复 旦 大 学.0 徐 建 中, 孙 俊 英, 秦 大 河, 等.2007. 中 国 第 二 次 北 极 科 学 考 察 沿 线 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 分 布 特 征 和 来 源 [ J]. 环 境 科 学 学 报,27 ( 9): 117 12 Yalcin K,Wake C P,Dibb J E,et al.2006.relationships between aerosol and snow chemistry at King Col,Mt.Logan Massif,Yukon,Canada[ J]. Atmospheric Environment,0(7):7152 716 杨 大 庆, 康 尔 泗,Blumer F.1992. 天 山 乌 鲁 木 齐 河 源 高 山 区 的 降 水 特 征 [J]. 冰 川 冻 土,1():258 266 岳 晓 英.201. 天 山 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 大 气 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 特 征 研 究 [D]. 兰 州 : 西 北 师 范 大 学.27 0 张 坤, 李 忠 勤, 王 飞 腾, 等.2008. 天 山 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 积 累 区 气 溶 胶 和 表 层 雪 中 可 溶 性 矿 物 粉 尘 的 变 化 特 征 及 相 互 关 系 以 Ca 2+ Mg 2+ 为 例 [J]. 冰 川 冻 土,0(1):11 118 张 明 军, 周 平, 李 忠 勤, 等.2010. 天 山 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 大 气 气 溶 胶 和 新 雪 中 可 溶 性 离 子 关 系 研 究 [ J]. 地 理 科 学, 0 ( 1 ): 11 18 Zhang N N,Cao J J,Ho K,et al.2012.chemical characterization of aerosol collected at Mt. Yulong in wintertime on the southeastern Tibetan Plateau[ J].Atmospheric Research,107:76 85 张 宁 宁, 李 忠 勤, 何 元 庆, 等.2009. 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 积 累 区 气 溶 胶 和 表 层 雪 中 SO 2 的 季 节 变 化 及 成 因 分 析 [ J]. 冰 川 冻 土,1 (1):62 67 张 小 曳.2007. 中 国 大 气 气 溶 胶 及 其 气 候 效 应 的 研 究 [ J]. 地 球 科 学 进 展,22(1):12 16 Zhao S H, Li Z Q, Zhou P. 2010. Ion chemistry and individual particle analysis of atmospheric aerosols over Mt. Bogda of eastern Tianshan Mountains, Central Asia [ J ]. Environmental Monitoring and Assessment,180(1 / ):09 26 赵 淑 惠.2011. 天 山 典 型 冰 川 区 大 气 气 溶 胶 的 特 征 分 析 及 对 比 研 究 [D]. 兰 州 : 中 国 科 学 院 寒 区 旱 区 环 境 与 工 程 研 究 所.75 77 Zhao Z P, Li Z Q, Edwars R, et al. 2006. Atmosphere to snow to firn transfer of NO on Ürümqi glacier No.1,eastern Tien Shan,China[J]. Annals of Glaciology,(1):29 2 赵 中 平, 李 忠 勤.200. 离 子 色 谱 法 测 定 大 气 气 溶 胶 中 的 可 溶 性 离 子 [J]. 现 代 科 学 仪 器,(5):6 9 周 平, 张 明 军, 李 忠 勤, 等.2009. 天 山 乌 鲁 木 齐 河 源 1 号 冰 川 气 溶 胶 可 溶 性 离 子 昼 夜 变 化 研 究 [J]. 冰 川 冻 土,1():7 80 Zhou Y,Xue L K,Wang T,et al.2012. Characterization of aerosol acidity at a high mountain site in central eastern China [ J]. Atmospheric Environment,6(51):11 20