中国地区大气汞化学和沉降的数值模拟研究

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汞是一种有毒的重金属元素,大气中高浓度的汞通过多种途径进入生态系统,并影响人体内酶的正常功能(零价汞)和毒害脑中枢神经和末梢神经(二价汞),对人体健康产生重要影响。本文首先对中国地区燃煤排放的汞进行估算,其次借助箱模式对汞的气、液相化学和汞的干沉降过程进行敏感性分析,然后将大气汞化学反应机制和干沉降模型引入区域大气环境模式系统RegAEMS中,并结合汞的源排放清单,对中国地区大气汞化物浓度和干沉降通量的时空分布特征进行模拟研究。  研究结果表明中国地区燃煤汞排放488 t/yr,其中火电燃煤排放量为175.7 t/yr,占36%。对汞的气相、液相化学反应进行敏感性分析发现,在中等大气污染条件下,气态零价汞Hg0(g)的平均转化率为2.91%/h。云量、光解率、温度、O3和Hg0(g)的初始体积分数对不同形态汞的影响较为显著。云量增加、光解率增加、臭氧初始体积分数的升高,各形态汞的平衡时间缩短,除气态氧化汞和一价汞离子外,其他形态汞的平衡浓度均会降低,Hg0(g)的转化率增加。温度增加将抑制Hg0(g)的转化。Hg0(g)的初始体积分数增加,各形态汞的浓度升高,但其平均转化率没有显著变化。  对汞的干沉降速度计算表明,森林下垫面下三类汞(气态零价汞、氧化汞和颗粒态汞)的干沉降速度较大(0.13、4.5和0.45 cm s-1),水体表面上的相对较小(0.0012,0.5和0.11 cm s-1)。敏感性分析发现,在多数下垫面下,随着近地层风速的增加,三类汞的干沉降速度均增加。在有降水或者地面湿度较小的情况下,多数下垫面下零价汞和氧化汞于沉降速度增加,而颗粒态汞的变化不大。雪盖厚度对气态零价汞的干沉降速度有削弱作用,对氧化汞的干沉降速度则有促进作用。零价汞的干沉降速度在水面上对风速不敏感。  三类汞的干沉降速度在区域上分布类似,高值区主要集中在东北以及南部地区,分别超过0.27、4.5和0.6 cm s-1。华东地区汞的年均干沉降速度最小,分别小于0.06、1.5和0.24 cm s-1。零价汞的干沉降速度在海上最小。季节变化上,夏季气态零价汞的干沉降速度最大,如在常绿针叶林上达到0.16 cm s-1;其次是秋季,除落叶针叶林和沼泽外,干沉降速度最小出现在冬季。对氧化汞,除落叶针叶林、沼泽和沙漠地表外,其干沉降速度最大出现在夏季,如在常绿阔叶灌木林其速度高达2.2 cm s-1左右,多数地表(落叶针叶林、苔原、沼泽和沙漠等除外)上氧化汞干沉降速度在冬季最小。颗粒态汞在各下垫面干沉降速度的季节变化与零价汞和氧化汞相比不显著,多数下垫面下颗粒态汞的最大干沉降速度出现在冬季,如水面、常绿阔叶林、落叶针叶林、沼泽和沙漠等。常绿灌木林、长草和水稻表面的干沉降速度表现为夏季最大。  利用包含汞化学和干沉降过程的区域大气环境模式系统RegAEMS进行全年模拟,结果表明年均气态零价汞Hg0、氧化汞HgO、氢氧化汞Hg(OH)2、氯化汞HgCl2和颗粒态汞HgP在区域内的分布类似,主要集中在排放源附近,如在四川和贵州省交界处、河南和河北省、长三角和珠三角地区。除西部、西北部地区汞的浓度较低外(小于0.5 ngm-3),其他地区Hg0的浓度均高于全球背景浓度,最大达11 ng m-3。各类汞化物浓度的季节变化明显,8月的浓度最低,2、3月浓度最高。分析不同点上零价汞、二价汞和颗粒态汞的年均垂直廓线表明,对于一次汞(直接以排放为主),源区附近其浓度随高度递减,而在离源较远的地区,高层汞的浓度较高。活性二价汞(氧化汞和氢氧化汞)的高浓度中心位于边界层以上,且随着站点离源的距离越远,峰值出现的高度越高。  气态零价汞、氧化汞和颗粒汞的年均干沉降通量与其在近地面浓度和干沉降速度密切相关,在浓度相对较低而干沉降速度较大的地区(如云南省),干沉降通量也相对较大。模拟的三类汞的最大年均干沉降通量分别达到10、0.7和1.6μg m-2。另外,由于气态零价汞的干沉降速度的季节变化最明显,其干沉降通量在夏季较之其他季节高。区域尺度上,气态零价汞、氧化汞和颗粒态汞的年干沉降量分别为163.9、7.43和32.2吨,分别占其源排放量的59.9%、95.1%、54.9%。
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