环境科学  2015, Vol. 36 Issue (3): 817-823   PDF    
引用本文
雷育涛, 刘明, 陈来国, 谢东海, 林道征, 赵明江, 张毅强, 孙家仁. 海南五指山大气气态总汞含量变化特征[J]. 环境科学, 2015, 36(3): 817-823.
LEI Yu-tao, LIU Ming, CHEN Lai-guo, XIE Dong-hai, LIN Dao-zheng, ZHAO Ming-jiang, ZHANG Yi-qiang, SUN Jia-ren. Variation Characteristics of Total Gaseous Mercury at Wuzhi Mountain (Wuzhishan) Background Station in Hainan[J]. Environmental Science, 2015, 36(3): 817-823.
海南五指山大气气态总汞含量变化特征
雷育涛1, 刘明1 , 陈来国1, 谢东海2, 林道征3, 赵明江3, 张毅强1, 孙家仁1    
1. 环境保护部华南环境科学研究所, 城市生态环境研究中心, 广州 510655;
2. 海南省环境科学研究院, 海口 571126;
3. 五指山市环境资源监测站, 五指山 572200
收稿日期: 2014-07-10; 修订日期: 2014-10-23.
基金项目： 环境保护公益性行业科研专项(200809011); 国家自然科学基金项目(41105082)
作者简介：雷育涛(1978~),男,工程师,主要研究方向为大气污染物的评价与管理,E-mail:leiyutao@scies.org
通讯联系人,刘明,E-mail:liuming@scies.org
摘要：利用高时间分辨率自动测汞仪(Tekran 2537B) 于2011-05~2012-05对五指山大气气态总汞(TGM) 进行了连续1 a的观测. 结果表明, 五指山TGM含量为(1.58±0.71) ng·m-3, 与全球大气汞背景值相当, 表明五指山大气几乎没有受到明显的大气汞污染. TGM的月变化特征表现为2011年6~8月和2012年3~5月TGM含量较低, 2011年 9月~次年1月含量较高,热带 季风是影响TGM月变化的主要因素. 五指山TGM具有明显的日变化特征, 小时均值最低值出现在09:00, 峰值出现在19:00,白天 TGM浓度低于晚上.日变化受汞长距离迁移和本地气象条件的共同影响. 后向轨迹分析结果表明大气汞从中国大陆的长距离迁移为五指山TGM浓度升高的主要原因.
关键词： 大气气态总汞     五指山     月变化     日变化     后向轨迹    
Variation Characteristics of Total Gaseous Mercury at Wuzhi Mountain (Wuzhishan) Background Station in Hainan
LEI Yu-tao1, LIU Ming1, CHEN Lai-guo1, XIE Dong-hai2, LIN Dao-zheng3, ZHAO Ming-jiang3, ZHANG Yi-qiang1, SUN Jia-ren1     
1. Center for Research on Urban Ecological Environment, South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655, China;
2. Hainan Research Academy of Environmental Sciences, Haikou 571126, China;
3. Wuzhishan Environmental Resource Monitoring Station, Wuzhishan 572200, China
Abstract: Total gaseous mercury (TGM) was continuously monitored at Wuzhi mountain (Wuzhishan) using the high-resolution automatic atmospheric mercury vapor analyzer (Tekran 2537B) from May 2011 to May 2012. The annual geometric mean TGM concentration was (1.58±0.71)ng·m-3, suggesting that the atmosphere was not obviously polluted. The TGM level at WuZhi mountain remained low from June to August in 2011 and from March to May in 2012, while higher values were observed from September in 2011 to January in 2012. Tropical monsoons played an important role in the monthly variation of TGM. TGM concentrations showed a clear diurnal trend with the minimum concentration occurring at 09:00 AM and the peak concentration at 19:00 PM due to the combined impact of the long-range transport of atmospheric mercury and local meteorological conditions. The temporal trend of TGM highlighted the impact of long-range transport from the mainland of China on the distribution of TGM in ambient air at Wuzhi mountain by the results of backward trajectory analysis using HYSPLIT.
Key words: total gaseous mercury     Wuzhi mountain     monthly variation     daily variation     back trajectory    

大气是汞迁移转化的重要传输通道,大气中汞的循环在全球汞的生物地球化学循环中占有极其重要的地位.气态单质汞在大气中的停留时间长达0.5～2 a[1],并能随大气循环在全球尺度上传输.大气汞的背景监测是评价区域大气汞污染水平和研究汞全球循环的前提.我国目前已经对大气汞的背景水平开展了一些研究,研究区域涉及几个不同地理分区,如西北(瓦里关)[2]、 东北(长白山)[3,4]、 西南(贡嘎山、 雷公山)[5,6,7]和华东(崇明岛)[8].华南地跨亚热带和热带两大气候带,其高温高湿、 季风明显、 热带气旋频繁等气候特征加速了汞在这一区域的地球化学循环[9,10].此外,珠三角地区是我国经济最发达的三大区域之一,巨大的能源需求和发达的工业导致了汞的大量排放[11],海南岛位于珠三角南面,秋冬季冷空气南下(东北季风)可能会将珠三角的污染物带至海南.在华南区域开展汞的研究有重要的科学与现实意义.先前已经对华南地区典型城市和区域汞污染开展了初步研究[12],但缺乏对华南背景地区大气汞的研究.海南岛地处华南热带地区,本岛基本没有大的工业污染源,环境质量优越,能代表区域大气的背景水平.本研究以海南五指山作为监测点,目的在于获得我国华南热带地区大气汞的背景水平、 变化趋势、 影响因素和来源,以期为完善我国大气汞背景数据库、 研究区域汞的地球化学过程以及履行关于汞的国际公约提供数据支撑. 1 材料与方法 1.1 监测点概况

五指山位于海南岛中南部腹地(图 1),为海南地区最高峰,该地兼有山区和岛屿的气候特征,属典型热带季风气候,冬季和夏季分别盛行东北和西南风.其中5～10月为传统雨季,11月～次年4月为传统旱季.该地区年平均气温22.4℃,1月和7月平均气温分别为17℃和26℃.年平均降雨量为1 690 mm,平均相对湿度为84%,年平均日照为2 000 h左右.本研究观测点位于五指山国家大气背景监测站(109°29′30.2″ E,18°50′11.0″ N),站点位于五指山国家自然保护区内,海拔958 m,周边人口密度低,自然生态环境优越,远离城市和人为污染源,是理想的区域空气背景监测点.

图 1 监测站点地理位置示意 Fig. 1 Schematic diagram of location of the sampling site
1.2 观测方法及时间

观测采用高时间分辨率自动测汞仪(Model 2537B，Tekran Inc.,Toronto,Canada),能实现大气TGM的实时/在线/连续采集并检测,仪器检测限为0.1 ng ·m-3. 气象观测站(ZZ11B,上海气象仪器厂)同时可提供实时的气象观测数据. 监测时间段为2011年5月～2012年5月,共获得109 309个有效数据. 1.3 质量保证与质量控制

为了保证TGM数据质量,每25 h仪器通过内置汞源自动校正1次,采样期间使用外置汞源(Tekran 2505)校正仪器,内外汞源数据偏差不超过10%. 2 结果与讨论 2.1 五指山背景点 TGM含量水平

海南五指山背景点大气TGM年均含量为(1.58±0.71) ng ·m-3 (图 2),与全球背景值(1.5～1.7 ng ·m-3)[13,14]、 欧美地区大气背景值相当[15],低于国内一些背景点含量(如瓦里关[2]、 长白山[3,4]、 贡嘎山[5,6]和雷公山[7])(表 1),表明五指山地区的大气几乎没有受到明显的汞污染,能代表华南热带地区大气TGM的本底水平. 监测点日均TGM具有明显的季节性变化特征,高值主要出现在2011年9月～次年1月[(2.07±0.62) ng ·m-3],而2011年6～8月[(1.37±0.62) ng ·m-3]以及 2012年2～5月[(1.33±0.47) ng ·m-3]含量较低,个别月份(如2011年5月和9月)出现了日均TGM的剧烈变化过程,表明明显受到了外源重污染天气过程影响.

图 2 五指山地区大气气态总汞时间序列变化 Fig. 2 Time series of TGM concentration at WZ mountain

表 1 国内外不同背景点大气气态总汞含量水平 Table 1 TGM concentration in different types of background areas
2.2 五指山 TGM的月变化特征

从TGM月均含量来看,2011年6月～次年5月,监测点TGM浓度有升高再降低的过程(图 3).其中2011年12月浓度最高[(2.29±0.66) ng ·m-3],2012年5月最低[(1.05±0.26) ng ·m-3]. TGM风向分布图显示(图 4),监测点东北方向携带较高含量汞信息,而西南方向汞的浓度较低.不同风向上浓度的差异影响不同月份汞的含量分布,在2011年10月～次年1月,东北风(包括NE、 NNE、 ENE)为主导风向,TGM含量处于较高值[(2.02±0.53) ng ·m-3],而2011年6～8月、 2012 年3～5月西南风(包括SW、 SSW、 WSW)为主导 (图 3),期间TGM值分别为(1.37±0.62) ng ·m-3和(1.22±0.45) ng ·m-3.另外由于3～8月岛内中南部山区边界层高度比其他月份高[15],风速较大,扩散条件较好,这也导致了这些月份TGM出现低值.而9月[(2.11±0.73) ng ·m-3]西南风与东北风所占比例较接近,该月TGM的波动较大且含量相对还是处于高位值.11月～次年1月期间五指山的TGM较大的波动(SD=0.62 ng ·m-3)可能受北方冷空气间断南下的影响.

图 3 五指山地区大气气态总汞月变化 Fig. 3 Monthly variation of TGM concentration at WZS mountain

海南属于热带季风性气候区域,一般每年11月～次年4月为传统的旱季,盛行偏北风,在风向的作用下，中国大陆高浓度的汞会长距离迁移到监测点. 而5～10月为传统雨季,盛行西南风,季风从海洋携带较为干净的气团[18]. Tseng等[9]对南海 GEM(气态元素汞)进行两年半的观测发现汞在季风作用下的长距离迁移是影响南海大气汞分布和循环的主要因素.五指山地区 TGM的月变化与热带季风变化大体一致(图 3),表明季风是导致该地区不同月份TGM变化差异的主要原因,也 暗示本地TGM受到汞的长距离输送影响,这与 先前瓦里关、 鹿林山研究一致[2,9].

图 4 监测期间五指山地区大气气态总汞含量的风向分布 Fig. 4 Concentration distribution of TGM at wind directions at WZ mountain during the monitoring period
2.3 五指山TGM的日变化特征

五指山TGM具有一个明显的日变化过程(图 5)：在00:00～09:00时间段内TGM浓度不断下降,且在09:00时达到最低值,之后TGM浓度一直上升并在19:00达到最大值.太阳辐射对地球表面汞循环有明显和复杂的影响[19].太阳辐射的增强导致温度和边界层高度的升高,同时会增大地表汞的释放强度导致大气中汞含量增大[20,21].气温与太阳辐射的日变化特征较一致,监测点温度与TGM值在部分时段(00:00～05:00、 10:00～14:00、 21:00～23:00) 呈现显著的正相关(r为0.99、 0.98、 0.99)(图 5),说明气温和太阳辐射是影响当地TGM日变化的一个重要因素.而14:00-19:00,随着太阳辐射降低,边界层高度降低,导致TGM仍然有不断上升的趋势,日落以后,稳定的夜间边界层开始形成,边界层高度再次恢复到较低值[22],由此导致了夜间TGM高值的形成.小的风速会导致汞在监测点的积累,21:00～05:00风速较大利于汞的扩散,TGM含量随之降低,而09:00～21:00稳定的风速对TGM变化影响不大.

图 5 五指山地区大气气态总汞日变化 Fig. 5 Daily variation of TGM concentration at WZ mountain

监测期间,TGM晚上浓度(1.70 ng ·m-3)要比白天高出10%,这种变化趋势不同于先前中国其他背景点的研究[4,5,7],区域污染源释放的汞在谷风的作用下移动到监测点导致这些背景点白天高值的产生.由于海南四面环海,本岛以农业和旅游业为主导，明显不同于内地的产业结构可能减弱了白天谷风的影响.五指山地区白天TGM含量的降低可能受到其他因素的影响.研究表明,大气中 Br(无机溴和溴原子)是影响汞氧化的主要因素,并参与了全球大多数气态元素汞的氧化[23,24,25].汞的氧化是一个光化学反应的过程[24].而氧化态的汞在干湿沉降的作用下容易去除从而导致监测到的TGM含量降低[25].在海洋边界层,海盐气溶胶的光解是无机Br(Bry)产生的最大源[23,26].Holms等[27]观测到海洋边界层的RGM(活性气态汞)日变化趋势与Br的氧化趋势一致.而监测点地处海南岛,白天大气中溴参与的光化学反应可能导致白天TGM值降低.

不同条件下的TGM日变化可能会有较大的不同.为了更全面认识本地TGM的日变化,选取典型污染日和气象日进行TGM日变化分析.12月15日至12月17日,五指山地区TGM显著处于高值; 10月4日至10月6日,台风“尼格”登陆影响海南.如图 6所示,在典型的污染日和气象条件(台风日)下观测到TGM的日变化差异较大,如12月15日,受东北风的持续影响,五指山地区TGM浓度一直上 升,表现为一个显著的污染迁移过程,12月16日表现为显著的积累过程,而12月17日,TGM浓度一直下降,日变化表现为一个显著的污染清除过程.类似的,台风登陆后前两天,TGM日变化很小,但在10月6日,TGM也表现为与12月17日类似的污染清除过程.这说明本地TGM日变化也受到了汞的长距离输送的影响.通过对比发现,无污染时期3 d内的TGM日变化趋势与全年日变化趋势较为一致,这段时间当地的气象条件(太阳辐射、 气温、 边界层高度等)可能起到主要作用.

图 6 典型污染日和台风日大气气态总汞的日变化 Fig. 6 Daily variation of TGM concentration at WZ mountain during the typical pollution and stormy weather days
2.4 典型污染过程汞来源分析

由图 2 可以看出,整个监测期间,TGM浓度在部分时段处于高值,为了弄清楚出现高值的原因并判断其来源,利用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)大气资源实验室(ARL)的HYSPLIT后向轨迹模型对典型污染过程进行了分析.

以2011年5月一次典型污染过程为例.风向频率玫瑰图(图 7)和后向轨迹模型分析结果(图 8)显示,5月22日之前气团主要来自于西南海面[图 7(a)和8(a)],这段时间TGM含量处于较低水平(日均值为1.68 ng ·m-3),而从22日19:00时直至28日TGM都维持高浓度(日均值达4.38 ng ·m-3),这段时间气团主要来自珠三角方向[图 7(b)和8(b)],此时气团携带了高含量汞[12],导致高值产生.自5月28日22:00开始,至5月30日TGM浓度有所降低(小时均值3.95 ng ·m-3),气团主要来自珠三角、 海南东北海面方向[图 8(c)]. 5月30日17:00开始,TGM含量有明显的下降(小时均值2.89 ng ·m-3),且维持到6月2日05:00,这段气团主要来自于西南方向,并在海面转变方向,从西南面进入五指山地区[图 8(d)],到6月3日06:00,TGM浓度恢复到正常值(小时均值1.52 ng ·m-3).另外8月28日至9月01日、 9月19日至9月30日、 11月09日至11月16日、 12月8日至12月17日高汞含量气团主要来自广东方向,而广西以及福建沿海方向气团对五指山的TGM也有一定的贡献.已有研究也表明,南海TGM浓度受到了气团的长距离迁移影响[18].

图 7 监测期间风向频率玫瑰图 Fig. 7 Frequency distribution of wind directions at WZS mountain during the monitoring period

图 8 五指山地区后向轨迹分析结果 Fig. 8 HYSPLIT analysis results for WZ mountain
3 结论

(1)总体来说,五指山的年均TGM含量与全球大气汞背景值相当,表明五指山地区还未受到明显的汞污染,能较好监测区域汞的长距离迁移.

(2)五指山地区TGM具有明显的月变化特征.9月至次年1月TGM含量较高,其他月份TGM处于较低水平,热带季风是影响TGM月变化的主要因素.

(3)五指山TGM具有明显的日变化特征,晚上TGM含量较高.日变化主要受到汞的长距离输送的影响,本地太阳辐射、 气温、 边界层高度、 风速以及Br对大气汞的氧化都会TGM日变化过程有一定的贡献.

(4)典型污染过程期间的后向轨迹分析表明,五指山地区高含量TGM明显是受大气汞的长距离迁移影响,广东地区方向气团贡献最大.

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