近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院谢周清教授、刘诚教授团队在大气形态汞的观测研究中取得重要进展，相关研究结果于11月8日发表在大气环境权威刊物Atmospheric Chemistry and Physics上。该文首次揭示了中国城市大气中各种形态的汞(包括气态元素汞、气态氧化汞和颗粒态汞，以下分别简称GEM、GOM 和PBM)在灰霾与非灰霾天气条件下的分布特征和排放源地差异以及潜在的大气汞氧化机制。
汞，俗称“水银”，是一种有毒有害的重金属元素，在大气中通常以气态元素汞形式存在。气态元素汞在大气中停留时间长，可进行长距离传输，因而被视为一种全球性的污染物，引起了国际社会的广泛关注。由于大量使用煤炭等化石燃料，我国成为汞的排放大国。了解大气汞的迁移和转化是汞污染控制的关键步骤。近年来，我国广大地区灰霾频发，大气能见度、空气质量以及气象条件等均与国际上其它地区有明显不同。这种范围广、持续时间长的灰霾环境是如何影响汞的循环，成为大家关注的焦点。从2013年开始，研究团队在合肥(我国中东部内陆城市)地区开展了长期的大气形态汞及其它各种大气化学成分和气象要素的在线观测，旨在研究灰霾天气对大气汞形态的分布特征和化学行为的影响，为建立我国大气汞污染和预测模型提供理论基础和数据支撑。
观测结果发现，非霾天大气中GEM、GOM和PBM的年平均浓度(±标准差)分别是3.95±1.93 ng m-3、2.49±2.41 pg m-3和23.3±90.8 pg m-3，GEM比北半球背景浓度高大约2倍，灰霾天大气GEM、GOM和PBM的平均浓度(±标准差)均有所增加，分别是4.74±1.62 ng m-3 、4.32±8.36 pg m-3和 60.2±131.4 pg m-3，其中PBM增加最明显，大约增长了2.6倍。进一步的分析发现，造成灰霾天大气汞浓度增高的主要原因是排放源和气象条件的改变。灰霾频发的秋冬季，大气汞污染主要是来自于当地汞的排放，而灰霾天较差的扩散条件使得大气汞积聚。PBM显著增长主要是由于颗粒物浓度增多，吸附气态汞造成。由于PBM的大气停留时间远低于气态元素汞，长距离输送减弱，导致局部沉降增多，增加了当地的生态暴露风险。
图1.合肥秋冬季霾天和非霾天大气汞的来源
对GEM和GOM的日变化特征分析发现，灰霾和非灰霾天夜间GOM的浓度都相对稳定，但在日出前迅速增加。GOM的这种变化可能是由于边界层和自由对流层(FT)之间的昼夜气体交换引起的。然而在白天，非霾天和灰霾天表现出不同的GEM和GOM浓度变化趋势。对于非霾天，GEM和GOM在下午同步下降，这可能是由于大气边界层抬高，导致浓度被稀释。而对于灰霾天，下午GEM和GOM呈现出相反的变化趋势，高GOM浓度恰好对应着GEM浓度最低值，仅由自由对流层GOM的输送本身并不足以解释白天GOM浓度的增加，霾天应该也有光化学氧化的贡献。模型模拟结果证实，NO2与HgOH中间体的聚合反应可能是白天GOM浓度增加的一种潜在氧化机制。随着NO2浓度的增加，NO2HgOH对于GOM的贡献也在增加。由于灰霾天NO2的浓度高于非霾天，NO2促进大气汞氧化的过程犹如霾天下汞雨，增加了人群的健康暴露风险。
图2. 灰霾(右)和非灰霾(左)天气下GEM和GOM及O3和CO的日变化
该项研究工作得到科技部973项目和国家自然科学基金等项目资助。谢周清课题组开展了汞浓度、形态及痕量成分的观测与分析，刘诚课题组开展了NOx垂直廓线和边界层的观测与分析。
原标题：大气环境观测研究揭示灰霾天气下汞的迁移和转化
