自由对流层大气汞的形态转化及传输规律研究

This proposed work aims to investigate the spatial and temporal distributions of atmospheric speciated mercury (Hg) and its chemical transformation and transport in a high elevation, background location in China . Distributions of speciated mercury will be characterized using measurements data at urban and mountain monitoring sites. Concurrent measurements of oxidizing gases, particulate matters and cloud water will be employed to understand chemical transformation of speciated mercury.Advanced near real-time measurement instrument and cloud sampling techniques will be used to obtain key measurement data. Complemented by the analysis of atmospheric physical parameters and meteorological satellite data, crucial factors influencing atmospheric mercury transformation and transport within the free troposphere will be diagnosed. Migration and transformation (e.g., redox and methylation) mechanisms of speciated atmospheric mercury in cloud processes will be a focus of this proposed investigation. With the application of a Lagrangian dispersion model Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory as well as source apportionment techniques, potential source regions and transport pathways of atmospheric mercury will be identified.This project will provide critical field measurement data and in-depth understanding of mechanisms controlling chemical transformation of speciated mercury and multi-scaled transport processes in the free troposphere. Results from this work will contribute to advancement of our understanding of mercury cycling.

为研究大气汞在自由对流层的污染特征及传输规律，本研究拟选择高山站-泰山，对大气汞、氧化性气体、痕量气体、颗粒物以及云雾水进行综合化学观测，结合大气物理参数和气象卫星资料，研究不同形态大气汞在大气边界层上下的分布特征和变化规律，分析影响自由对流层大气汞形态转化的关键因素，研究云雾过程中大气汞的迁移转化规律，探究云雾水中汞的液相氧化还原机制和汞的甲基化途径。运用拉格朗日后向轨迹及粒子扩散模式和源解析技术，阐明大气汞的潜在源区和传输路径，并通过对大气垂直结构的模拟，研究大气汞在边界层和自由对流层之间的传输规律。本项目的实施，将为研究我国大气汞的区域污染特征及多尺度输送提供基础数据，对揭示汞的全球大气循环过程具有一定的科学意义。

大气汞的对流层传输和气相/非均相化学反应深刻影响汞的地球化学循环。目前国内外对云雾水汞观测资料的缺乏制约了大气汞液相化学的发展。本项目于华北和香港地区开展了大气汞和云雾水汞的综合观测，对比了内陆和沿海站点各形态汞的时空分布、污染来源及大气传输过程，研究了大气汞的光化学氧化机制，揭示了云雾水汞的化学形态分布以及汞在云雾过程中的迁移转化过程。本研究取得的创新成果：1）人为排放和风矢量分别是城市和高山站点大气汞浓度分布的主要影响因素；边界层高度是控制内陆城市非雾霾期大气汞呈昼低夜高日变化特征的主因，而雾霾期则受采暖季燃煤排放影响，大气汞浓度呈昼高夜低的特征；污染边界层高度变化控制泰山大气汞日变化呈昼高夜低，相反，光化学损失驱动大帽山白天大气汞浓度明显下降。2）稳定的大气条件和高浓度NO2污染情况下，大帽山沿海站点多次出现大气汞的快速亏损现象，计算结果表明其很可能是夜间累积的大量活性溴引发汞的两步光化学氧化反应所导致。3）获得了云雾水中汞的浓度及化学形态分布等关键数据，发现云雾过程中液相汞的浓度和形态发生不可逆改变，云残留物颗粒类型显著影响汞的固-液分配能力，而大量溶解有机质的存在可能引起汞的液相光化学还原导致云雾期间大气汞浓度在白天偏高现象。4）在东亚冬季风驱动下，内陆地区排放的大量人为源汞可经长距离传输至东亚下游地区，造成亚洲大气汞外流。此外，改进开发了CMAQ-newHg-Br模型用于大气汞区域化学传输模拟。本项目研究结果为进一步研究汞的大气多相化学反应机制提供了宝贵的基础观测资料，对深入认识全球汞的地球化学循环有重要科学贡献。