沙尘天气中有机碳和元素碳浓度变化—《大气气溶胶和雾霾新论》

2004年春季，中国北方遭遇了2次强沙尘暴事件。第一次（DS1）于3月10日凌晨2:00左右到达北京，持续了约7 h，其中的PM 2.5浓度高达615.3μg·m-3，是常日均值的5.3倍（表61-1）。在密云同步采集的PM 2.5浓度，也达到284.4μg·m-3，是常日的4.8倍。而第二次沙尘事件（DS2）发生在3月28—29日。3月29日，沙尘高峰期间PM 2.5达317.6μg·m-3，约为常日的3倍；密云为279.8μg·m-3，也为常日的4.7倍；而榆林在沙尘高峰期PM 2.5达609.4μg·m-3，是常日平均值的5.8倍。沙尘暴不仅带来大量的粗粒子，还带来大量对人体健康和气候影响更大的细粒子。

2次沙尘事件期间OC、EC的浓度变化情况有所不同。在北师大，OC和EC浓度在DS1期间高达48.56和27.93μg·m-3，分别是非沙尘期间的5.4和2.9倍。那么，这高浓度OC和EC究竟是纯粹由外来沙尘带来的，还是由外来沙尘和本地源混合叠加导致的？比较PM 2.5中的其他组分包括污染元素（As、Zn、Pb、Cu）、矿物元素（Ca、Al、Fe、Na、Mg和Ti）、矿物离子（Na+、Ca2+和Mg2+）、二次离子（NH 4+、NO 3-和SO 24-）在沙尘暴期间的浓度变化，发现矿物元素、离子与污染元素，较之非沙尘暴期间都增加了2～6倍（图61-1）。而且从元素的富集系数来看，As、Se、Zn、Pb、Cu在DS1期间的富集系数较之非沙尘暴期间虽有所降低，但还是分别高达79.3、755.5、56.4、127.8、10.5，说明这些元素主要还是来源于本地污染。由此可看出，DS1主要是外来沙尘和本地污染的叠加混合，这是导致OC和EC以及其他地壳和污染物质浓度格外高的原因。DS1期间的气候条件，非常有利于污染物的累积。DS1发生在3月9日夜间和10日凌晨，此时有一干暖气团入侵，取代原来的湿冷气团，引起大风。这种气象条件极可能导致本地地面扬尘大量被二次扬起，加重污染。而这期间的大气压又极低，加上是夜间，易形成逆温、低压和逆温层，都非常不利于污染物的扩散，导致DS1期间PM 2.5及其各组分浓度格外高。DS1期间密云的情况也是如此。

表61-1　2004年春季北京和沙尘源区4个采样点在沙尘暴期间的PM 2.5、OC 和EC浓度

NDS：非沙尘暴期间。

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图61-1　DS1和DS2期间PM2.5中化学组分的日均浓度变化（彩图见下载文件包，网址见14页脚注）

DS2期间OC和EC的浓度变化趋势则跟DS1期间有很大差别。DS2高峰期发生于3月29日下午1:00左右，强度比DS1小，持续时间短。和DS1不同，在北师大，DS2期间OC和EC浓度分别为7.55±2.03和3.78±4.26μg·m-3，比非沙尘期有所降低。OC／EC比值平均为3.0，略高于常日。DS2期间，EC作为污染物经历了典型沙尘来之前的污染物累积、污染物清除、沙尘抵达污染物被稀释、沙尘过后污染物开始累积的4个阶段（图61-1）。结合气象条件来看，在沙尘到来之前的3月25—27日，北京受到湿热气团控制，风速小，污染物有极大累积。3月26日，EC浓度为春季采样期间的最高值30.1μg·m-3；3月28日，一股弱的干气团到来，风速增大，此时EC和其他污染元素及离子浓度开始下降；3月29日，一股更强的干冷气团入侵北京，风速剧增，沙尘高峰来临，矿物元素浓度达到最高值，而EC和其他污染元素As、Zn、Pb等，则在这种有利的气象条件下进一步扩散、被沙尘稀释，浓度进一步降低；随后，沙尘渐渐被清除，矿物元素、EC、污染元素和离子浓度都降低。直至4月4日，新的稳定的湿热气团控制北京，污染物累积，所有化学组分包括EC和OC浓度又达到高值，回复到常日状态。

OC的变化趋势，总的来说和EC差不多，但浓度下降的幅度没有EC那么大，原因可能是沙尘本身就带有一部分OC，加之沙尘入侵可导致二次有机物转化的增加。值得关注的是，在3月29日即沙尘刚过的当日，样品中OC的浓度不仅未降还略有升高。EC和污染元素都只有一次源，没有二次转化；而OC与EC及污染元素不同，OC既可来源于一次排放如燃烧源和生物有机碎片、花粉孢子等，也可来源于有机气体的二次转化。3月29日，第二个PM 2.5样品中的甲酸浓度急剧增加。甲酸通常被认为主要来源于有机前体物发生气粒转化的产物，而沙尘期间带来大量沙尘，增加了颗粒物反应的表面积，并且沙尘的碱性表面，也有利于酸性气体的吸附和异相反应。所以在沙尘高峰过后，甲酸浓度和OC浓度的增加，应是由于沙尘促进了二次有机物的转化所致。J-.L.Aymoz等［22］在对2000年夏季撒哈拉沙尘事件期间法国阿尔卑斯山脉地区PM 2.5的研究中也发现，沙尘期间OC、甲酸、草酸的浓度都增加，而且这些组分浓度的增加，都明显和颗粒物的表面积正相关，证实了沙尘对有机物二次转化的促进作用。在相对干燥的内陆地区尚有这种作用，不难推断，当沙尘随沙尘暴传输到海洋上空时，其湿润的条件会更有利于有机物的二次转化，使得难以被生物体吸收的大分子有机物，转化成可溶和易吸收的小分子有机物，从而影响海洋的第一生产力。同时，可溶性小分子有机物的增加，还可能会增加颗粒物的吸湿性，进一步促进云凝聚核的形成，间接影响气候的变化。

密云在DS2期间OC和EC的浓度变化，跟北师大略有不同。密云在28日就出现了沙尘天气，而OC和EC、污染元素（Cu、Zn、Pb）以及二次离子也跟北师大一样，清晰地经历了沙尘暴传输途中的4个阶段。只是OC和EC在28日沙尘到来时浓度升高；到29日沙尘高峰时，OC和EC浓度开始降低。从气象条件看，3月26—28日一直主要是偏南风向，风速还较大，平均为14.2 m·s-1，极可能将北京城区的污染物传输到密云，导致28日OC、EC浓度的高值。X.Hou等［25］对同一批沙尘样品中的PAH进行监测，得到4环PAH和5、6环PAH的比值极高，说明密云DS2期间的污染物，主要来源于外来传输。