八年期间的辐射雾化学成分及其时间趋势外文翻译资料

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《大气环境》

八年期间的辐射雾化学成分及其时间趋势

Derek J. Straub

Department of Earth and Environmental Sciences, Susquehanna University, 514 University Avenue, Selinsgrove, PA 17870, USA

摘要：

辐射雾样品从2007到2015年收集。

对pH、无机离子、有机酸、TOC、TN.等样品进行了分析。

总溶质质量上，有机和无机物贡献几乎均匀。

硫酸盐、铵态氮、氯化物和硝酸盐均呈下降趋势。

氨的相态组成被发现显著偏离平衡。

文章信息：

历史：

2016年7月27日收到

2016年10月14日收到修改后的表格

于2016年10月18日接受

网上2016年10月18日可用

关键词：

辐射雾化学、有机酸、总有机碳、总氮、多年趋势、氨分配

简介

在2007至2015年间，在宾夕法尼亚中部的一个农村地区收集了辐射雾样品，以记录化学成分，评估随时间变化的浓度变化，并提供对影响该区域的排放源的观点。多年来的样品收集使几个长期辐射雾研究之一完成。在研究过程中，获得了146个样品，并对pH、主要无机离子、低分子量有机酸、总有机碳（TOC）和总氮（TN）进行了分析。铵（中值浓度为209mu;n ）、硫酸盐（69mu;n ）、钙（51mu;n）和硝酸盐（31mu;n）是最丰富的无机离子，尽管这些浓度比在其他位置进行的辐射雾研究低得多。有机酸，其中甲酸（20mu;m）和乙酸乙酯（21mu;m）是最丰富的，这与以前的研究中所作的测量更接近。有机酸占TOC的15%，中位数浓度为6.6 mgC/L。TN的中浓度为3.6 mgN/L，其中1, 18为有机氮。对硫酸盐、铵态氮、氯化物和硝酸盐的统计中2007至2015年有显著下降趋势。同一时期，观察到pH增加。也确定了一些季节性趋势。对氨在气相和水相之间的组成分配也进行了研究，发现明显偏离平衡。

1.背景介绍

在美国东北部，当夜间变长、天空晴朗、风平静时，辐射雾的形成是比较常见的。这些条件倾向于促进在表面上的强辐射冷却，这可能导致表面层的饱和和雾滴形成。热和水蒸气的湍流转移也是辐射雾形成和维持的关键因素。(Degefie et al., 2015; Liu et al., 2011; Gultepe et al., 2007). 地形可增强雾的发展并影响其空间范围，例如当辐射冷却的空气聚集在河谷底部时。空气排水雾这个术语已经被用来对辐射雾这一子类别进行分类。 (George, 1951). 这经常发生在美国东北部，当辐射雾优先形成在更深的河谷，在可见的卫星图像上产生树突外观。在一个大的高压系统的存在下，在从西弗吉尼亚延伸到新罕布什尔州的河谷中可以观察到辐射雾，包括宾夕法尼亚脊和山谷地区的许多山谷。

人们早已认识到雾滴与大气中的气溶胶粒子和可溶气体相互作用。雾滴清除，即通过化学和物理过程的变化后大气组分再分配，并从大气中除去颗粒和气体。由于雾影响污染物的形成、转化和去除，多年来它们一直是野外和实验室研究的主题。基于场的辐射雾研究的最新实例包括雾成分的记录和污染源的识别 (Li et al., 2011; Błas et al., 2010; Raja et al., 2008), 液滴大小对组成和无机气溶胶质量的影响 (Fahey et al., 2005; Moore et al., 2004a, 2004b; Reilly et al., 2001), 从大气中去除痕量SPECES (Herckes et al., 2007; Burkard et al., 2003; Collett et al., 2001), 清除效率 (Gilardoni et al., 2014), 有机氮形态和加工 (Wang et al., 2015; Zhang and Anastasio, 2003a; 2003b; McGregor and Anastasio, 2001), 有机碳形态和加工 (Herckes et al., 2013; Ervens et al., 2013; Ehrenhauser et al., 2012; Raja et al., 2009; Collett et al., 2008; Fuzzi et al., 2002), 和次级部分形成 (Kaul et al., 2011; DallOsto et al., 2009). 几乎所有的辐射雾场运动是短期的，密集的研究，在有限数量的事件中获得的样本。

由于雾滴已被证明是气溶胶粒子和痕量气体的有效清除剂，它们可以提供局部或区域空气质量的指示，并且如果采样在较长时间内发生，则可以随时间揭示变化。在高海拔地区已经进行了多年的云水研究，以编制长期云水成分数据或量化月、季节或年趋势。 (Yamaguchi et al., 2015; Deguillaume et al., 2014; Gioda et al., 2013; Murray et al., 2013; Vaiuml;tilingom et al., 2012; Aleksic et al., 2009; Aikawa et al., 2007; Anderson et al., 2006; Tago et al., 2006; Baumgardner et al., 2003; Anderson et al., 1999; Acker et al., 1995; Schemenauer et al., 1995; Mohnen and Kadlecek, 1989). 在大多数这些研究中，层云、锋面或地形增强的云是有针对性的。与云研究相比，辐射雾的长期采样仅限于几个位置。有足够长的数据集来评估趋势的研究只在斯特拉斯堡、法国、意大利的波谷和加利福尼亚的中央谷地。在斯特拉斯堡中获得了十年的辐射雾成分记录，以检验主要离子和痕量金属的时间趋势。 (Herckes et al., 2002). 在波谷，辐射雾的短期研究始于1980年初，在圣彼得洛卡波菲现场1989开始有更系统的取样。无机离子、有机酸和水溶性有机碳的趋势在20年时间内已被观测到。 (Giulianelli et al., 2014). 加利福尼亚中部山谷的辐射雾取样采取了个别密集的野外运动形式，但自1982以来，这些现象在山谷的各个地点都相当频繁地发生。. (Herckes et al. 2015) 公布了30年期间的研究结果汇编，重点讨论了雾的发生和组成的空间变化和时间趋势。

除了这三个地点，多年来测量的辐射雾成分现在可用于美国大西洋中部地区的一个地点。样品收集始于2007在萨斯克汉那大学校园，位于宾夕法尼亚中部的脊和山谷地区。通过对2015年的146个雾事件的采样和分析，记录了该地区的辐射雾成分并识别了随时间变化的趋势。本文提出的结果建立在该位置无机离子组成的初步发现(Straub et al., 2012), 现在包括低分子量有机酸、总有机碳（TOC）和总氮（TN）的测量。一个足够长的数据记录现在也可以用来呈现时间趋势。

2. 方法

2.1. 采样地点

在宾夕法尼亚中部萨斯克汉那大学的校园环境教育和研究中心（CEER）的2007年到2015年间，雾采样发生了八年。采样地点位于萨斯克汉那河3公里处，立即被用于农业用途的土地包围。当地的排放源包括两个UCON煤粉燃烧单元，一个400兆瓦的燃煤发电厂东北7公里和一个小得多的燃煤蒸汽厂1.3公里到东。这些设施都在2014年初退役。此外，该地区受来自化肥施用和牲畜的农业排放的影响。交通、家庭供暖和工业来源也存在于与农村地区一致的水平。

在气候上，采样地点每年经历25到30天，浓雾定义为能见度小于或等于0.25英里(NOAA, 2002)。绝大多数的雾事件是在5月至十一月之间的任何时候发生的辐射雾，但在秋季是最常见的。虽然很少，这一地区也经历偶尔的雾发展与降水有关，或由于暖气对流从南部当雪覆盖存在。对于本研究的目的，雾事件被归类为辐射雾，如果风速小于2.5米/秒，并且天空是清楚的或大部分在样品采集前的小时内是清晰的。在样品采集期间发生降雨的事件被认为是降水雾，并且不包括在本研究中。由于采样设备没有积极维护在冬季，没有对流雾样品收集。

2.2. 标本采集

在研究期间雾样品收集使用Caltech Heated Rod Cloud Collector（CHRCC）安装在地面上2米。CHRCC包含六列直径为3.2毫米的不锈钢棒，它们作为撞击表面。杆以垂直于35°的方向定向，并安装在底座上的特氟隆槽中。空气和雾滴被引入到集热器中，并通过位于收集器后部的风扇以5.6 msup3; /min 的流速流过收集棒。在撞击之后，聚合云滴通过棒，通过聚四氟乙烯槽，并进入收集瓶。液滴速度和冲击棒直径的组合产生了理论上的50%截止直径为9 mu;m (Demoz et al., 1996)。

该系统是自动与雾探测器和气动启动前后门。用科罗拉多州立大学光学雾探测器首次检测到雾的存在。(CSU-OFD; Carrillo et al., 2008)。 在2010，CSU-OFD被贝尔福特模型3100能见度监测器取代，这降低了对降水的敏感度和提高了可靠性。当CSU-OFD在使用中或在能见度传感器的500米时，阈值系统达到60毫克/msup3;时，收集系统被激活。在每一个雾事件期间获得一个单体样品。

当预期雾事件或每周至少一次时，用18MOmega;去离子水（DI）彻底清洗采样器，以确保在意外的雾形成的情况下收集器是干净的。洗涤后，通过将DI水喷入入口并允许其从收集棒中排出到样品瓶中获得空白样品。每一个空白样品，在雾霾事件之前立即与样品一起进行分析，以确认收集器未被污染。此外，空白样品用于检测极限的计算。通过2015, 146个雾事件进行采样。一个单一的辐射雾样品获得在2007时，程序首先开始。从2008到2010，平均每年采集12个样品。采样的雾事件的频率从2011到2015年平均每年增加22，主要是由于贝尔福特能见度监视器的可靠性的提高来检测雾和激活系统。

在2012，在收集器处发现了一个泄漏，在该位置，冲击棒穿透聚四氟乙烯槽，将雾滴累积到样品瓶中。冲击棒和聚四氟乙烯槽之间的接触随着时间的推移松动，或者从项目开始时可能没有完全密封。其结果是一些积聚的雾水在到达样品瓶之前就失去了。这种样品损失减少了整个收集的体积，但不应该影响测量的浓度。因为收集器是自动化的，无人值守，泄漏没有被提前发现。不幸的是，不可能确定泄漏发生的时间或丢失的样本量。故2013雾季之前已经泄漏。因此，液态水含量（LWC）数据仅在CSU-OFD用于直接LWC测量和校准后的2013至2015年期间可用，且可基于收集的样品体积、空气流量和CCRCC效率来估计2008和2009年(Demoz et al., 1996)。

2.3. 样品分析

在每次雾事件之后，对收集的样品称重，并使用Accumet AR50 pH计对pH 4和pH 7缓冲液校准其pH值。然后制备样品用于无机离子、有机酸、TOC和TN分析。主要离子和有机酸分析的样品被储存在4℃，而TOC和TN分析的样品被冷冻直到测量。通过添加氯仿保存有机酸分析样品以制备2.5%溶液。主要无机离子从2007年初的现场工程中获得，但2008年的样品中的一些被优先用于其他研究，无机离子在每一个样品中都未被测量。有机酸的分析始于2012，而TOC和TN的分析均始于2013年。每个物种分析的样本数量可以在 表 1看到.

表1.检测极限（DL）在95%置信区间和相对标准偏差（RSD）的雾水分析和统计总结的样品组成。