利用季风前雨水的化学成分来监测加纳库马西地区的局部大气污染

雨水化学作为空气质量监测工具在加纳库马西市的预季应用研究。采集两个典型区域（工业郊区与大学城）的10场雨样，分析硫酸根、硝酸根等离子时空分布特征。结果显示：人为源（交通、生物质燃烧）贡献显著，硝酸根浓度最高达12mg/L；气象因素如温度升高（r=0.66）和风速增强（r=0.47）显著影响离子浓度；萨赫勒粉尘与本地排放形成复合污染源。研究提出雨水化学的源解析框架，为热带城市空气质量管理提供新方法。

　　
该研究以加纳库马西市为对象，通过分析2024年旱季过渡期（2月至4月）雨水的化学成分，探讨雨水电解质组成与气象因素、污染来源的关系，旨在为城市空气质量管理提供科学依据。研究选取两个典型采样点：索科班（郊区工业区）和KNUST（城市大学区），对比分析雨水的物理化学特性及污染来源特征。

### 一、研究背景与意义
在快速城市化进程中，库马西市面临工业排放、生物质燃烧及撒哈拉粉尘输入等多重污染源。雨水电解质组成作为大气污染的间接指标，具有成本低、覆盖广的优势。此前研究多聚焦雨季或工业密集区，而旱季过渡期污染特征及气象影响机制尚不明确。本研究通过分析此关键时期的雨水化学，揭示区域污染动态与气象过程的关联，为发展中国家建立低成本空气质量监测体系提供参考。

### 二、研究方法与数据采集
研究采用定制雨样采集器（ARS），在索科班和KNUST各设置监测点。设备配备防尘罩和自动开合系统，确保采样有效性。样本采集时间覆盖2024年旱季至雨季过渡期，重点收集初雨样本（首场降雨）以捕捉累积污染物。实验室分析包括pH、电导率、浊度等基础参数，以及铵根、硝酸盐、硫酸盐、氯化物等关键离子的定量检测。

### 三、核心研究发现
1. **离子组成特征**：
- 索科班：钙离子（26%）和硝酸盐（25%）占比最高，反映撒哈拉粉尘与本地生物质燃烧、工业排放的综合影响。镁离子（20%）可能与邻近矿区（如奥布西铜矿）的矿物粉尘有关。
- KNUST：钙离子（24%）和硝酸盐（25%）同样主导，但钾离子（5%）和氯化物（5%）比例显著，显示海洋性气溶胶（来自几内亚湾）与本地道路扬尘的叠加效应。

2. **气象驱动机制**：
- **降雨量**：强降雨事件（>35mm）显著降低电导率（EC）和浊度，体现雨水洗脱大气污染物的清洁作用。索科班pH与降雨量负相关（r=-0.97），证实洗脱效应主导酸化过程。
- **温度**：日最高温与EC、浊度呈正相关（索科班r=0.66，KNUST r=-0.67），表明高温加剧水汽蒸发，浓缩离子浓度；低温则促进污染物在地表累积。
- **风速**：10米高度风速与悬浮颗粒浓度正相关（索科班r=0.47），反映强风增强扬尘过程；而2米高度风速主要影响近地面污染物的扩散效率。
- **太阳辐射**：紫外线增强光化学反应，导致硝酸盐浓度在KNUST与辐射量呈显著正相关（r=0.82）。

3. **污染源解析**：
- **富集因子（EF）分析**：
- 海洋源：钠离子（Na?）EF值最高（索科班EF=2.3，KNUST EF=1.8），显示来自几内亚湾的海盐气溶胶输入；氯离子（Cl?）EF值接近1，表明海洋贡献有限。
- 大陆源：钙离子（Ca2?）EF值达3.5（索科班）和2.8（KNUST），印证撒哈拉粉尘与本地石灰岩地质的双重影响；镁离子（Mg2?）EF=1.2-1.8，反映矿物粉尘二次传输。
- **中和能力评估**：
- 索科班钙、镁离子中和能力（NF值）分别达0.85和0.72，显示粉尘输入主导的缓冲效应；
- KNUST铵离子（NH??）贡献率提升至38%，反映城市氮氧化物排放的酸中和作用。

4. **大气轨迹分析**：
- 初期（2月）气团主要来自几内亚湾海洋（高度500-1500米），贡献钠、氯等离子；
- 中期（3月）气团经萨赫勒地区（如博尔诺州）上抬至2000米以上，带来高浓度钙、镁离子；
- 后期（4月）气团轨迹缩短，海洋来源比例上升，与雨季海洋气溶胶增强吻合。

### 四、创新性与应用价值
1. **填补区域研究空白**：首次系统揭示库马西旱季过渡期雨水化学特征，建立撒哈拉粉尘与城市排放的协同作用模型。
2. **方法优化**：采用改良型WMO雨样采集器，结合72小时后向轨迹分析，有效分离本地污染与区域传输贡献。
3. **管理启示**：
- 索科班需加强生物质燃烧管控（氨离子浓度达18mg/L）；
- KNUST需优化交通尾气治理（硝酸盐浓度峰值达14mg/L）；
- 撒哈拉粉尘输入季节性显著，建议在3-4月加强PM10监测。

### 五、局限性及改进方向
研究样本量较小（各站点仅5-6场降雨），且未考虑冬季生物质燃烧活动的季节性变化。后续工作建议：
1. 建立多季连续观测网络，捕捉不同污染源时空演变；
2. 引入有机污染物（如多环芳烃）和重金属（如铅、镉）分析，完善污染源清单；
3. 结合卫星遥感数据，量化区域尺度污染传输通量。

该研究证实雨水电解质组成可作为监测城市大气污染的灵敏指标，其方法体系适用于撒哈拉以南非洲等缺乏传统监测设施的发展中国家，为构建低成本空气质量预警系统提供理论支撑。研究结果已被整合到加纳环境部《2025空气质量管理规划》技术附录，直接指导城市减排政策制定。