2014, Vol.35 
2. 北京麋鹿生态实验中心, 北京 100076;
3. 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室, 北京 100029;
4. 张家口市环境保护局, 张家口 075000;
5. 张家口市环境监测站, 张家口 075000
2. Beijing Milu Ecological Research Center, Beijing 100076, China;
3. State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
4. Zhangjiakou Environmental Protection Bureau, Zhangjiakou 075000, China;
5. Zhangjiakou Environmental Monitor Station, Zhangjiakou 075000, China
沙尘暴天气是我国北方春季主要的气象灾害之一[1, 2, 3]. 沙尘暴天气发生时，由于外来沙尘暴源输送的影响，空气中不同粒径的颗粒物(TSP、 PM10、 PM2.5和PM1.0)的浓度会显著增加，其中TSP和PM10的浓度升幅最大[4, 5, 6]. 此外，沙尘暴输送过程中也会增加空气中持久性有机物和可挥发性有机物等污染物的浓度[7]. 流行病学调查表明：沙尘暴天气发生会增加儿童呼吸系统病症发生率，沙尘暴天气过境4d后，儿童呼吸道症状发生率才会降低到正常水平; 成人则会出现眼睛发干、 流泪、 咳嗽和咽部干痒等症状，且沙尘暴期间成人皮肤过敏和感染的发病率都增加[8]. 长期暴露于沙尘暴天气引发的人体慢性不良健康效应是沙尘暴肺[9].
以往对于沙尘暴来源地的研究表明，华北地区沙尘暴主要来源于内蒙古、 哈萨克斯坦和我国北方荒漠和半荒漠地区[10, 11, 12]. 近年来的研究发现，我国内蒙古地区目前是北京市沙尘暴的主要来源地，模型定量估算该地区每年输出尘暴贡献达31%[13]. 数值模拟研究认为沙尘暴源地还包括河北北部、 山西东北部、 甘肃和青海北部等地区，38例沙尘暴过程的卫星图像配合天气流场分析将尘暴源的土地和地貌类型确定为内蒙古中西部地区、 河西走廊、 农牧交错带大面积的开垦地及荒漠化地区等[14].
20世纪90年代以来，我国华北地区沙尘暴灾害事件频繁发生，对环境生态和人体健康带来严重危害而受到广泛关注[2]. 2000年发生了一次特大沙尘暴，总颗粒物浓度高达6 000 μg ·m-3，周秀骥等[15]研究了这次沙尘暴的动力学特征，而庄国顺等[16,17]、 张仁健等[18]、 王玮等[19]报道了此次沙尘暴的理化特性，发现沙尘暴气溶胶的污染水平极高，且粗离子占绝大部分. Zhang等[20]报道了发生在2001年亚洲沙尘暴总悬浮颗粒物和细颗粒物中大量元素和离子分析数据，论证了沙尘暴各组分的来源，阐述了沙尘暴细粒子的重大作用. 此外，亚洲沙尘暴同时携带大量污染物和营养物质到大洋领域，显著影响全球生物地球化学循环[16,17]. 研究还表明，长距离传输的沙尘暴可以促进大气二次有机物转化，从而促进大气颗粒物中二次有机气溶胶的形成[16,18]. 而有机气溶胶是组成大气颗粒物的主要三大组分，约占颗粒物质量浓度的30%~40%. 大气中高浓度的有机气溶胶会显著影响人体健康、 促进云凝结核的形成从而对气候产生影响[3, 7, 8]. 目前，关于沙尘暴灾害事件对区域环境的影响的报道不多，而沙尘暴在长距离传输过程中，沙尘暴中的矿物气溶胶与沿途城市的污染气溶胶会交汇叠加，改变彼此的物理化学特征，因此有效了解沙尘暴在传输过程中对城市气溶胶的化学组分的时空变化影响，可以更深刻了解沙尘气溶胶在长距离传输过程中的化学变化的微观机制.
本研究采集了2012年春季一次沙尘暴天气时，京津冀地区(北京、 天津和张家口)的颗粒物样品(PM10)，分析其样品的水溶性离子、 有机碳、 元素碳等化学组分浓度，通过比较了不同城市在沙尘暴天气影响下颗粒物的污染特征，从而确认了沙尘暴长距离传输过程中矿物气溶胶对城市污染气溶胶交汇叠加作用. 1 材料与方法 1.1 采样地点与方法
采样地点分别设在北京市西三环北京市理化分析测试中心(116°18′108″E、 39°56′50.7″N)、 天津市中科院天津工业生物技术研究所(117°40′88.3″E、 40°75′1.8″N)、 张家口市张家口环境监测站(114°88′30.0″E、 40°75′14″N). 北京地区采样点离西三环主干道30 m，位于居住和交通密集区; 天津地区采样点位于天津空港经济区，人烟稀少，属于城市背景点，受人类活动的影响较小; 张家口地区采样点位于张家口火车站南站旁，属于居住人口密集地带.
2012 年 4 月1日~5月24日，采用青岛崂山应用技术研究所生产的崂应2030型中流量大气颗粒物采样器采集PM10样品，每天在北京时间10:00采集样品，采集时间为24 h，采样流量100 L ·min-1，使用的滤膜为直径90 mm的石英膜(Whatman，USA). 滤膜在采样前后用550℃高温灼烧3 h，冷却后称量，完成称量后样品放入冰箱冷冻柜中-20℃保存以备化学分析.
1.2 样品分析为了测定在石英膜上采集到的样品的质量浓度，先将石英采样膜放在恒温(20.0℃±0.4℃)恒湿(相对湿度为 38.5%±4.6%)的超净实验室内平衡 48 h，以使之恒重，使用十万分之一天平分别称量采样前和采样后石英膜的重量，然后根据采集前后的质量变化和实际采样体积计算大气PM10的质量浓度.
将称重后的直径90 mm的石英膜平均分成4等份，取 其中1份浸在 15 mL 去离子水中，超声提取60 min，用一次性针筒和0.45 μm PTFE过滤头过滤提取液以除去不溶颗粒物. 水溶性离子采用ICS 2000离子色谱仪(Dionex公司，美国)分析. 水溶性阴离子(F-、 Cl-、 NO-3、 SO2-4)采用Ionpac AS19型阴离子分析柱(250 mm×4 mm)，EGC淋洗液自动发生器在线自动产生 15 mmol ·L-1 KOH淋洗液，以1 mL ·min-1的流速等浓度淋洗，进样量25 μL. 抑制器采用外接水模式，59 mA抑制. 水溶性阳离子(Na+、 NH+4、 Ca2+、 K+、 Mg2+)采用Ionpac CS12A阳离子分析柱(250 mm×4 mm)，淋洗液为20 mmol ·L-1甲烷磺酸，1 mL ·min-1等浓度淋洗，进样量25 μL. 抑制器采用外接水模式，60 mA抑制. 实验在选定的色谱条件下考察了方法的检出限、 精密度和线性范围. 配制2 μg ·mL-1混合标准溶液，连续进样7针，按峰面积计算，标准偏差小于6%. 按照信噪比(S/N=3)计算，方法检出限为1.3~4.2 ng ·mL-1，在0.01~100 μg ·mL-1范围内线性良好，线性系数大于0.999 0. 为了考察提取方法的可靠性，对样品进行加标回收实验，加标回收率在92.3%~99.8%之间.
采用美国沙漠所研制的DRI Model 2001A元素碳/有机碳分析仪分析全部样品中的OC和EC. 该方法采用IMPROVE热光法反射实验[21]，其主要测试原理为：在无氧的纯He 环境中，分别在140℃(释放OC1)、 280℃(释放OC2)、 480℃(释放OC3)和580℃(释放OC4)，对0.562 cm2的滤膜片加热，依次将滤纸上的颗粒态碳转化为CO2; 然后在2%氧气的氦气环境下，分别在580℃(EC1)、 740℃(EC2)和840℃(EC3)逐步加热. 上述各个温度梯度下产生的CO2，经MnO2催化还原为CH4，可通过火焰离子检测器(FID)检测，获得测定结果. 样品在加热过程中，部分有机碳碳化形成黑碳，使滤膜变黑，造成OC测定结果偏低，EC测定结果偏高. 为了校正碳化物形成引起的测量误差，测量过程中采用633 nm的激光监测滤纸的反射光光强的变化，标示出元素碳氧化的起始点. 有机碳变化过程中形成的碳化物被称为光学检测裂解碳(OP). IMPROVE协议将有机碳定义为OC1+OC2+OC3+OC4+OP，元素碳定义为EC1+EC2+EC3-OP.
1.3 后向轨迹分析为了研究沙尘暴期间不同地区的大气可吸入颗粒物的污染特征，利用美国NOAA研制的轨迹模型HSPLIT4(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated)计算沙尘暴发生期间到达采样点的气团24h后向轨迹. 考虑到边界层的扩散和混合，气团后向轨迹的起始点分别设在海拔500 m和1 500 m,对应于该地区的大气中-高层和低层. 2 结果与分析 2.1 质量浓度时空分布特征
2012年春季(4月1日~5月24日)位于北京、 天津和张家口的3个采样点的PM10质量浓度变化表明(图 1)：北京、 天津和张家口这3个采样点的PM10日均质量浓度最大值分别为755.54、 831.32和582.82 μg ·m-3，日均质量浓度平均值分别为233.82、 279.64和 238.13 μg ·m-3. 国家环保部2012年新颁布的环境空气质量标准(GB 3095-2012)中规定的PM10年均和日均二级浓度限值分别为70 μg ·m-3和150 μg ·m-3. 采样期间，3个采样点的PM10月均质量浓度都高于150 μg ·m-3，提醒政府采取更严厉的大气污染控制措施，保障居民生活的空气质量安全. 从3个样点采样期间PM10质量浓度值日均值中，选取大于450 μg ·m-3的PM10在不同样点的出现日期. 结果发现：北京地区PM10质量浓度日均值大于450 μg ·m-3的出现日期为4月27~29日、 天津地区为4月27~28日、 张家口地区为4月27日~5月1日，5月12日和5月22日. 综合比较3个城市PM10质量浓度变化特征，发现4月27~28日是3个城市共同污染时期，推断为由沙尘暴引发的区域污染. 故采用反向轨迹综合分析和证明.
 | 图 1 3个采样期间大气颗粒物PM10的质量浓度变化特征Fig. 1 Trends in PM10 mass concentration variation for the three sampling sites during the sampling period |
图 2 是2012年4月26~30日 3个采样点发生高浓度可吸入颗粒物污染期间，在海拔500 m和1 500 m低中空高度条件下24 h的后向轨迹图. 4月27日，北京和天津样点位于500 m、 1 500 m中低空的24 h后向气团自北部俄罗斯西南穿越蒙古中西部、 我国内蒙地区，经河北张家口一带而来. 4月28日，北京和天津样点的低空500 m和3个样点的1 500 m中空24 h后向气团则来自内蒙古中部，经河北北部承德、 秦皇岛、 唐山、 天津、 廊坊地区; 而张家口采样点的500 m低空24 h后向气团，则由张家口周边气团向西南回旋返抵张家口，造成张家口样点4月28日的PM10质量浓度下降. 4月29日，北京和天津样点在500 m、 1 000 m低中空的24 h后向气团来自东部海域，经河北唐山、 天津、 廊坊一带; 同期张家口样点在500 m、 1 000 m低中空的24 h后向气团来自山西、 宁夏一带. 这可以间接解释29日天津和北京气团的PM10质量浓度稍有回落、 而张家口地区的PM10质量浓度由小幅上升的现象. 4月30日500 m低空24 h后向气团来自天津、 廊坊一带，3个地区颗粒物浓度PM10迅速下降(图 1).
 | 图 2 3个采样点在4月26~29日的24 h后向轨迹图Fig. 2 Twenty-four hours backward trajectories commencing from April 26th to 29th,2012 |
根据北京市环保局公开的大气污染数据，在2000~2010年期间，北京市春季发生的由沙尘引发的大气重污染过程共50次. 2000~2002年北京市大气重污染过程主要以沙尘型为主，2003~2005年沙尘型重污染明显减少，2006~2009年北京市大气重污染以局地源排放的静稳积累型为主. 2005~2010年北京沙尘重污染天气时PM10的平均浓度为440 μg ·m-3. 2000~2010年连续3 d出现沙尘重污染的时间段分别为：2001年3月22~24日、 2001年5月1~5日、 2002年4月7~9日、 2008年5月27~29日[22]. 与上述历史数据相比，本次观测期间，由沙尘天气引发的大气重污染过程持续3 d，且北京市PM10的质量浓度高达755.54 μg ·m-3，是近年来少见报道的持续性重污染沙尘天气.
2.2 水溶性离子变化特征大气可吸入颗粒物的化学组成与其来源密切相关. 通常，由土壤和扬尘直接排入大气中的可吸入颗粒物含有大量的Fe、 Al、 Si和Ca等地壳元素; 来自海水溅沫的可吸入颗粒物富含Na、 Mg和Cl等元素; 二次源气溶胶粒子含有大量的SO2-4、 NH+4和SOC; 生物质燃烧气溶胶粒子含有K、 EC和OC较高等. 总体来说，大气可吸入颗粒物的化学成分主要包括水溶性无机盐、 含碳化合物和矿物元素. 表 1列出了采样期间(4月25日~5月4日)3个采样点PM10的化学成分的变化趋势. 沙尘暴期间，张家口采样点的Na+、 NH+4、 K+、 Ca2+、 Cl-、 NO-3和SO2-4的平均浓度分别为(3.11±1.51)、 (19.99±5.49)、 (0.74±0.54)、 (21.77±2.35)、 (6.25±4.66)、 (54.01±6.18)和(54.94±7.98) μg ·m-3; 北京采样点这些离子的平均浓度分别为(3.65±0.55)、 (14.41±3.78)、 (3.51±0.89)、 (25.81±5.81)、 (7.17±0.69)、 (58.07±4.33)和(59.18±4.08) μg ·m-3; 天津采样点分别为(3.97±1.81)、 (6.61±5.05)、 (0.48±0.18)、 (25.81±5.81)、 (6.09±2.12)、 (42.55±3.45) 和(43.98±9.98) μg ·m-3. 非沙尘暴期间，张家口采样点的Na+、 NH+4、 K+、 Ca2+、 Cl-、 NO-3和SO2-4的平均浓度分别为(2.45±1.14)、 (7.31±1.41)、 (0.57±0.41)、 (6.41±3.94)、 (5.14±2.68)、 (32.61±11.17)和(31.87±10.84) μg ·m-3; 北京采样点Na+、 NH+4、 K+、 Ca2+、 Cl-、 NO-3和SO2-4的平均浓度分别为(2.47±0.82)、 (7.19±4.82)、 (2.48±0.86)、 (16.35±5.72)、 (4.90±1.49)、 (38.73±9.34) 和(36.28±10.33) μg ·m-3; 天津采样点Na+、 NH+4、 K+、 Ca2+、 Cl-、 NO-3和SO2-4的平均浓度分别为(2.00±1.39)、 (4.02±2.34)、 (0.34±0.16)、 (15.46±8.01)、 (6.09±2.12)、 (6.09±2.12)和(43.98±9.98) μg ·m-3. 两个采样点在沙尘暴期间水溶性粒子均出现峰值，呈现沙尘暴期间污染物的普遍特征. 在了解颗粒物水溶性元素浓度的基础上，进一步分析颗粒物的污染特征发现，沙尘暴期间的Ca2+浓度大于与非沙尘暴期间Ca2+浓度，主要是由于沙尘暴期间外来土壤源输入的影响. Wang等[23]将沙尘暴天气分成强沙尘暴、 一般沙尘暴、 弱沙尘暴和非沙尘暴,并发现沙尘暴天气条件下,Ca2+和Mg2+的浓度高于非沙尘暴天气,说明沙尘暴天气条件下,土壤源输入明显. 此外，沙尘暴期间的SO2-4和NO-3浓度高于非沙尘暴期间浓度，说明外来气团增加了二次离子的转化. 刘咸德[24]在研究北京市2002年3月28日~4月9日沙尘暴天气前期和发生期的SO2-4和NO-3的浓度变化时发现，沙尘暴期的浓度高于非沙尘暴期间的浓度，认为沙尘暴事件中高浓度的风沙尘暴在长距离传输过程与遇到的气态和颗粒态的污染物有机会充分混合、 交汇、 相互作用，特别是沙尘暴的前锋形成了高浓度的风沙尘暴，与高浓度的人为源排放的典型含硫含氮污染物的重合迭加. 比较3个采样点的水溶性化学成分发现，SO2-4和NO-3的浓度顺序是北京>天津>张家口; Na+的浓度顺序是天津>北京>张家口; Ca2+的浓度顺序是张家口>北京>天津. 这主要与3个采样点所处的地理位置有关. 北京市采样点地处三环主路附近，汽车尾气排放源对大气可吸入颗粒物的贡献较大，因此PM10中的SO2-4和NO-3的浓度较高; 天津采样点处在天津空港区，离渤海海湾较近，PM10受到的海盐影响较大，因此Na+的浓度较高; 张家口采样地处于张家口火车南站，周边有很多未开垦的荒地和正在建设的工地，因此PM10中扬尘粒子的示踪物Ca2+浓度较高.
 | 表 1 张家口、 北京和天津沙尘暴期间PM10的主要化学组分和质量浓度1)/μg ·m-3Table 1 Concentration variation of mass and chemical species in PM10 during a dust storm episode in Zhangjiakou,Beijing and Tianjing/μg ·m-3 |
离子电荷平衡通常被用于讨论大气气溶胶中离子的酸碱平衡情况，阳离子与阴离子电荷比值是通过检测到的阳离子(Na+、 NH+4、 Mg2+、 K+、 Ca2+)和阴离子(F-、 Cl-、 NO-3、 SO2-4)摩尔电荷浓度与相应离子电荷的乘积来计算[24]. 图 3计算了采样期间3个采样点PM10水溶性离子的电荷平衡情况. 从中可以看出，沙尘暴期间，样品中阳离子/阴离子大于1，说明沙尘暴期间样品中存在阳离子过剩现象，这主要是因为强沙尘暴过程沙尘暴会给城市气溶胶带来大量的地壳元素，从而引发颗粒物的表面电荷不平衡. Shen等[25]通过分析沙尘暴期间颗粒物的水溶性离子的浓度，并且比较分析水溶性离子电荷平衡结果，发现沙尘暴期间，颗粒物表面呈现碱性结果，可以在一定程度上中和缓冲空气中的酸性物质，制约酸性降水的形成. 非沙尘暴期间，样品中(阳离子)/(阴离子)小于1，说明颗粒物表面存在阴离子缺损，主要原因在于本研究采用的离子分析方法没有检测到样品中的CO2-3和有机酸造成的.
 | 图 3 阳离子电荷与阴离子电荷相关性分析 Fig. 3 Relationship between cationic charge and anionic charge |
为了研究本次沙尘暴对北京市含碳气溶胶变化趋势的影响,本研究利用EC-tracer方法[26]对细颗粒物二次有机物浓度进行估算，公式如下：
[OC]p=[OC/EC] p×[EC] (1)
[OC]s=[OC]-[OC]p (2)
[OC]=[OC/EC]p×[EC]+[OC]s (3)
式中，[OC]p为一次排放的OC，[OC/EC] p为一次排放的OC/EC比值，[OC]s为二次反应产生的OC，[OC]、 [EC]分别为样品中OC、 EC的测量值. 由于直接估算[OC/EC]p存在较大困难，而采用观测期间[OC/EC] min代替[OC/EC]p，会导致[OC/EC]p偏低，并会高估SOC 浓度. 为了客观地估算采样期间3个样点的SOC值，本研究选取国内外比较通用的城市和城郊的[OC/EC] min([OC/EC] min=1.6)[27]. 图 4是3个采样点的有机碳和二次有机碳/有机碳的变化趋势图.
 | 图 4 3个采样点在4月25日~5月4日采样期间有机碳、二次有机碳/有机碳的变化趋势Fig. 4 Trends in organic carbon and secondary organic carbon/organic carbon variation for the three sampling sites during the sampling period |
沙尘暴期间，张家口采样点OC和 EC的浓度分别为(98.31±47.02) μg ·m-3和(15.63±7.39) μg ·m-3，北京采样点OC和 EC的浓度分别为(69.58±16.10) μg ·m-3和(20.06±8.74) μg ·m-3，天津采样点OC和 EC的浓度分别为(67.84±38.53) μg ·m-3和(23.28±11.58) μg ·m-3 分别高于非沙尘暴期间3个采样点OC和 EC的浓度[张家口采样点：(44.46±35.99) μg ·m-3和(9.64±7.14) μg ·m-3; 北京采样点：(40.31±16.30) μg ·m-3和(12.55±3.97) μg ·m-3; 天津采样点：(39.15±18.95) μg ·m-3和(10.52±4.51) μg ·m-3]. 比较3个采样点的PM10的有机碳和元素碳浓度发现，有机碳和元素碳的浓度顺序都是北京>天津>张家口，这可能与采样点的地理位置和当地碳排放总量有关. 同时，如图 4所示，沙尘暴发生期间，OC和SOC/OC都呈现先增加后减小的趋势，主要是因为外来沙尘暴与本地污染叠加，沙尘暴增加了颗粒反应的表面积，而沙尘暴的碱性特征有利于酸性气体的吸附和异相反应，发生了沙尘暴和有机物耦合反应，促进了二次有机物的转化. Dan等[28]研究发现沙尘暴期间污染物大量增加的两个主要原因分别是沙尘暴席卷途经地区的二次扬尘因而大量增加的细粒子，以及二次形成的硫酸盐气溶胶和有机气溶胶及其表面发生的复相反应. Aymoz等[29]对2000年夏季Saharan沙尘暴期间法国Alps山脉地区大气颗粒物PM10研究发现，沙尘暴期间OC、 甲酸和乙酸浓度都增加，而且这些组分浓度的增加幅度与颗粒物的表面积均呈现明显的正相关关系，证实了沙尘暴对有机物二次转化的促进作用. 3 结论
(1) 观测期间2012年4月1日~5月24日,北京、 天津和张家口这3个采样点PM10日均质量浓度平均值为233.82、 279.64和 238.13 μg ·m-3. 反向轨迹证明，3个地区在4月27~29日均发生沙尘暴天气，日均最大值分别为755.54、 831.32和582.82 μg ·m-3.
(2) 通过研究PM10上的水溶性成分发现：3个采样点沙尘暴天气期间颗粒物的Ca2+浓度均高于非沙尘暴天气，说明3个采样点外来土壤源输入明显.
(3) 离子电荷平衡结果表明，沙尘暴天气给城市气溶胶带来大量的地壳元素，从而造成气溶胶表面呈现碱性; SOC/OC的比值、 SO2-4和NO-3浓度高于非沙尘暴期间浓度，说明是沙尘暴气团携带的地壳元素增加了二次离子的转化.
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