藏东南大气有机氯、多氯联苯和多环芳烃类污染物的季节变化和大气传输

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持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants,POPs)具有持久性、毒性和半挥发性,能够通过远距离大气传输(Long-Range Atmospheric Transport,LRAT)到达世界上的任何地区。青藏高原被认为是地球的“第三极”,海拔高,气温低,其周边围绕着南亚等POPs(有机氯农药、多氯联苯和多环芳烃等)排放较高的地区。为了探讨南亚POPs到达青藏高原的可能性,明晰季风、西风等气候系统对POPs向青藏高原大气传输的作用,本文在藏东南(鲁朗站)进行了为期3年的连续大气监测。  使用大气主动采样器每半月采集一个大气样品(空气体积500-700m3),用采样器中的PUF海绵吸附大气气态POPs,用玻璃纤维滤膜采集大气颗粒物及其吸附的POPs(颗粒态POPs)。气态和颗粒态样品分别进行实验室分析,测定了有机氯农药、多氯联苯和多环芳烃等污染物的含量。以此研究了藏东南地区大气与颗粒物中POPs的季节变化特征,分析了其大气传输过程,探讨了物质来源地。最后,取得了以下主要的研究成果:  1.明确了藏东南POPs的浓度。大气气态化合物浓度如下(pg m-3):滴滴涕类(DDTs),0.059-60.5;六六六类(HCHs),0.025-51.0;六氯苯(HCB),0.05-27.1;多氯联苯(PCBs),0.01-16.7。大气PCBs、HCHs的浓度与其它偏远地区的浓度相当,而DDTs的平均浓度显著高于南北极和其他高海拔山区。大气颗粒态多环芳烃(PAHs)总浓度为0.2-5.0 ng m-3,总悬浮颗粒物(TSP)的浓度为4.1-46.7μgm-3,两者浓度均高于其它偏远地区。  2.阐明了气态POPs的季节变化特征与印度季风活动的关系及可能机制。三年观测期内(2008-2011年),DDTs和PCBs的浓度具有显著的季节变化,较高浓度出现在季风期(5-9月),较低浓度出现在非季风期(12-3月)。通过使用对外长波辐射(OLR),获得了表征季风强度的印度季风指数(IMI),该指数在多年尺度上呈现正弦波动的特点。对污染物的季节波动同样使用正弦函数进行拟合,结果显示:DDTs和PCBs的波动与IMI具有“同频率、同相位”的特点。同频率表明:印度季风加强,DDTs和PCBs浓度增高,反之亦然。同相位表明:污染物浓度峰值出现的时间与印度季风的最盛期几乎一致。以上结果显示在印度季风的作用下,DDTs和PCBs污染物被很快地传输到藏东南地区。研究还发现α-和γ-HCH浓度的季节变化具有“双峰”的波动特点,较高浓度出现在每年的春(3-5月)、秋(9-11月)两季,较低浓度出现在夏(季风期)冬(非季风期)两季。孟加拉湾北部是季风期南亚次大陆降水集中的区域,将该区域季风降水的波动与HCHs类污染物的波动曲线进行对比,发现:降水的波峰恰好与季风期HCHs类污染物的波谷相对应。这说明季风期的湿沉降是导致HCH类污染物浓度下降的可能因素。  3.揭示了颗粒态POPs季节变化与西风活动的关系及可能机制。由南亚次大陆的化石燃料和生物质燃烧所形成的大气棕色云常年聚集在喜马拉雅山南麓。而不完全燃烧产物多环芳烃(PAHs)与大气棕色云同源,可以随大气环流传输到达青藏高原。本研究结果显示藏东南颗粒态大分子(5+6环)PAHs的浓度具有明显的冬春季(12-3月)高于夏季(5-9月)的季节变化特点,这种变化与TSP浓度的季节变化具有良好的一致性。鉴于颗粒物对大分子PAHs的强吸附能力和大分子PAHs自身的强抗降解能力,大分子PAHs极有可能完整地随颗粒物同步传输。通过分析卫星观测到的南亚大气气溶胶光学厚度(AOD)的逐月演化,发现每年的1-3月份,聚集于印度恒河平原的南亚大气棕色云逐步向东、向北推移,并在垂直高度上向高空弥散。这种变化特征与西风南支有关,西风南支可以将南亚大气棕色云中的颗粒物和大分子PAHs同步传输至藏东南地区。由夏季AOD的逐月演化可见,孟加拉湾北部的颗粒物在降水的作用下浓度急剧降低,这就减弱了颗粒物携带大分子PAHs的传输,从而导致大分子PAHs和TSP浓度在夏季出现低谷。  4.明确了藏东南大气POPs的来源地。结合污染物的浓度与气团轨迹的反演,使用潜在污染源贡献函数(PSCF)模型追溯污染物的来源。分析发现:藏东南大气气态DDTs和PCBs的主要源区为印度次大陆东海岸地区;TSP和颗粒态大分子PAHs源区为印度-恒河平原地区,这一地区也是南亚燃烧活动最为剧烈的地区。
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