國立臺灣大學理學院海洋研究所 碩士論文
Graduate Institute of Oceanography College of Science
National Taiwan University Master’s Thesis
2003 年夏季東海海域大氣汞的分布和成因
Distribution of Gaseous Elemental Mercury
with its Controlling Factors over the East China Sea in Summer 2003
嚴煜庭 Yu-Ting Yen
指導教授：曾鈞懋 博士
Advisor: Chun-Mao Tseng, Ph.D.
中華民國 99 年 7 月
July, 2010
致 謝
這本論文的完成，要感謝的人實在太多了。尤其是曾鈞懋老師，不離不棄地 一直拉著我前進，給予學生非常自由的研究空間和時間。另外，感謝林斐然老師 和許世傑博士撥空參與學生的口試及論文的審訂並給予許多建議，讓學生獲益良 多，使得論文更加完善。
待在實驗室兩年的時間，感謝全盛、星宇、雅真、柏源、士肇、禪如、 胤 飛、宗瀚、一帆、嘉哲的幫忙，不論是生活上，還是研究上的實驗、軟體使用等，
都給了我很大的幫忙，尤其出海的日子更是難忘。
也感謝台師大大氣所的冠杰、信謙等學長學弟們，在研究上的討論和建議，
尤其是每個星期三的打球時間，每次都打個五小時以上，和你們定期的打球聊是 非是很快樂的事。也感謝三會所的弟兄姐妹們，讓我在生命中有新的看見，讓我 待在海研所的時間不致於太無聊。
不過，最感謝的還是我的父母和女朋友，一直要求我繼續唸書，並且給了不 少的援助，像車子、停車位、房子，讓我在生活上沒有後顧之憂，就結果而言你 們是對的，感謝你們。
摘要
本研究主要是針對東海大氣汞進行研究，以瞭解其在空間分布及時間上 之特性。利用海研一號於2003 年夏季在東海海域上執行兩次航行任務，分別為 OR1_686（2003 年 6 月 19 日到 6 月 26 日）和 OR1_691（2003 年 8 月 13 日到 8
月23 日）。大氣汞之採樣及測定，是採用本實驗室自製的汞分析儀系統，以現
場連續採樣和即時監測方式進行，根據二階段汞齊濃縮法（Two-Stage
Amalgamation）原理來測定汞的濃度。本研究顯示，OR1_686 大氣元素汞（GEM）
平均濃度為 4.5 ± 1.8 ng/m3 (2.1~13.2 ng/m3，n=123)，OR1_691 為 3.6 ± 2.0 ng/m3 (1.8~11.8 ng/m3，n=78)。GEM 之空間分佈變化很大，主要受物質來源的影 响；其亦有日夜變化之情形，亦即是GEM 白天高，晚上低，日夜差異於 OR1_686 和OR1_691 二個航次平均為 3 ng/m3左右。由氣流軌跡回推圖來看，較污染的氣 團來源有來自日本（GEM 6.8 ± 1.6 ng/m3）、大陸地區（5.3 ± 1.1 ng/m3）、台灣 海峽（5.0 ± 1.5 ng/m3）和台灣地區（4.2 ± 0.4 ng/m3），也有自南海（3.5 ± 0.2 ng/m3） 和太平洋（2.5 ± 0.9 ng/m3）較為乾淨的海洋氣團，說明邊緣海大氣汞的濃度受 到周圍人為污染源的影響很大。颱風後的西南氣流，也影響了東海夏季大氣汞的 分佈。
關鍵字：東海、大氣汞、氣態元素汞、颱風、東海長期觀測與研究
Abstract
The concentration and distribution of gaseous elemental mercury (GEM) over the surface air of the East China Sea were investigated to characterize its special and temporal variations by using Ocean Research 1 in summer 2003 e.g. OR1-686 (June 19~26, 2003) and OR1-691 (August 13~23, 2003). The sampling and analysis of the GEM were performed on board ship by an semi-automated GEM analyzer (GEMA) which analytical principle was based on the two-stage amalgamation technique. The GEM averaged 4.5 ± 1.8 (n=123) and 6.1 ± 2.0 (n=78) ng/m3 with the range of 2.1~13.2 and 1.8~11.8 ng/m3 for OR1-686 and OR1-691, respectively. There were significantly special GEM variation likely associated with the sources of Hg form surrounding areas of the ECS. Additionally, the two-cruise average magnitude of diurnal variation in GEM overall was about 3 ng/m3. According to source tracking by air-backward trajectory analysis, we found air masses in summer were form Japan (GEM concn. 6.8 ±1.6 ng/m3), China (5.3 ±1.1 ng/m3), Taiwan Strait (5.0 ±1.5 ng/m3), and Taiwan (4.2 ±0.4 ng/m3) which exported the terrestrial and industrially
anthropogenic material to the ECS. On the other hand, air masses were form the Pacific Ocean (2.5± 0.9 ng/m3) with the clean marine materials and the South China Sea (SCS) (3.5± 0.2 ng/m3) with less Hg emission. The results show the GEM in marginal sea was significantly influenced by transportation of terrestrial and anthropogenic materials. Additionally, the special weather event, like the typhoon, would alter the distribution of GEM in ECS.
Key words: Atmospheric Hg, Gaseous elemental Hg (GEM), East China Sea (ECS), Typhoon, LORECS ( Long-term Observation and Research in the East China Sea）
目 錄
中文摘要………I 英文摘要………...………II 目錄………..III 圖目錄………...V 表目錄………..……VI
第一章 緒論……….…….1
1.1 大氣中汞的來源………1
1.1.1 自然源……….…….1
1.1.2 人為排放……….……….2
1.2 汞的全球循環………5
1.3 大氣汞的化學及循環………...……….7
1.4 文獻回顧………..10
1.5 東海的特性………..15
1.6 研究動機與目的………16
第二章 研究方法………...…….17
2.1 研究區域………17
2.2 器材與方法………18
2.2.1 實驗儀器設備裝置……….……….18
2.2.2 實驗器材前處理………..…..18
2.3 大氣汞之採樣方法………...……….19
2.4 大氣元素汞分析方法………..20
2.4.1 實驗步驟………22
2.5 氣象輔助資料………...……….23
第三章 結果………..………..24
3.1 氣態元素汞(GEM)與大氣參數之航跡時序分佈……….24
3.2 氣態元素汞(GEM)在東海上的空間變化……….…29
3.3 GEM 之日平均變化………..……..30
第四章 討論………34
4.1 氣流軌跡的歸納分類……….……34
4.2 同一空間來源下,探討 GEM 之日夜變化………..……..……..37
4.2.1 來自海源的日夜變化………..…..39
4.2.2 來自陸源的日夜變化………..………..43
4.3 固定時間下,探討海源和陸源大氣濃度空間的分佈……...…44
4.4 歸納各軌跡的氣態元素汞(GEM)的值………..…47
4.5 颱風後的影響……….……49
第五章 結論………...……….50
參考文獻……….…….52
圖目錄
圖 1.1 1995 年和 2000 年各種人類活動排放汞的量對比（單位：公噸）
(SC: stationary combustion; NFMP: non-ferrous metal production;
PISP: pig-iron and steel production; C: cement production; CS:
caustic soda production; MP: primary mercury production; G: gold production; WD: waste disposal; O: other sources)………..……….3 圖 1.2 2005 年全世界人類活動排放汞的量示意圖………..…….4 圖1.3 全球汞循環之示意圖………5 圖1.4 大氣中不同類型汞的含量比例……….8 圖2.1 氣態元素汞航跡圖和水文測站與地理位置.…………..………17 圖2.2 大氣採樣設備架設示意圖………...……19 圖2.3 自製大氣元素汞分析儀示意圖………...………21 圖3.1 航次的航跡與風速風向圖(a) OR1-686 (06/19~06/26, 2003)與(b) OR1-691 (08/13~08/23, 2003)………..………26 圖3.2 於 OR1-686 (06/19~06/26, 2003) 之氣態元素汞航跡時序與大
氣參數關係圖(大氣(a) 汞(b)光照度(c)溫度(d)壓力)………27 圖3.3 於 OR1-691 (08/13~08/23, 2003) 之氣態元素汞航跡時序與大
氣參數關係圖(大氣(a) 汞(b)光照度(c)溫度(d)壓力)………28 圖3.4 東海海域之 GEM 濃度分佈圖：OR1-686 (06/19~06/26, 2003) (a)
圖3.5 (a) OR1-686 (b) OR1-691 航次中每天的 GEM 平均濃度……31 圖4.1 OR1-686 (06/19~06/26, 2003) 各站點三天前氣團軌跡回推團
圖………..……35 圖4.2 OR1-691 (08/13~08/23, 2003) 各站點三天前氣團軌跡回推團
圖………..………36 圖4.3 OR1-686（06/19~06/26, 2003）氣態元素汞及大氣光照之航跡時 序圖………..………38 圖4.4 OR1-691 (08/13~08/23, 2003) 氣態元素汞及大氣光照之航跡時
序圖………..………38 圖4.5（I）6/20、（II）8/20、（III）8/22~8/23 氣團軌跡回推圖/ GEM 及光照之航跡時序………..……41 圖4.6 6/24/2003（a）氣團軌跡回推圖，（b）GEM 及光照之航跡時 序………..………43 圖4.7 氣態元素汞濃度（a）、(c)航跡圖與地理位置(b)、(d)濃度分佈 圖……….…….45 圖4.8 氣態元素汞濃度（a）、(c)航跡圖與地理位置(b)、(d)濃度分佈 圖……….……….46 圖4.9 東海海域各測站不同來源 GEM 的值(a)OR1-686 (06/19~06/26,
2003) (b)OR1-691 (08/13~08/23, 2003) (c) 綜合分
佈……….……….48 圖4.10 OR1-686 (06/19~06/26, 2003) 前，蘇迪勒(SOUDELOR)颱風 所經之路徑圖………..…49
表目錄
表1.1 自然源溢散汞的量……….………2
表1.2 排放汞的主要人類活動……….………2
表1.3 氣態元素汞邊緣海的文獻回顧………...……12
表1.4 氣態元素汞東亞的文獻回顧………...……14
表2.1 GEMA 的分析性能………...………21
表3.1 OR1-686 航次各測站之 GEM 濃度及大氣參數………32
表3.2 OR1-691 航次各測站之 GEM 濃度及大氣參數………33
第一章 緒論
1.1 大氣中汞的來源
1.1.1 自然源
大氣中汞的主要來源有兩種：自然源和人類活動。自然源包括火山、土壤、
水體、地殼運動、森林火災等 ( Nriagu and Pacyna, 1988; Lindqvist et al., 1991;
Pirrone, 2001)。自然源排放汞的量通常很難估計，甚至難以明確的界定，因為自 然源排放汞的量，隨時間和地點產生變化，而影響其排放速率的因素很多，比如 說地殼變動、水面的溢散速率等 (Pirrone et al., 2001)。Nriagu 於 1989 年量化估 計了自然源排放汞的量，大約為2500 t yr-1 (Nriagu, 1989)。而到了 2008 年，這 一排放值已經達到4532 t yr-1 (表 1.1，Pirrone et al., 2009)；據估計，每年由陸域 環境及海洋自然釋放至大氣的汞分別為1850 t yr-1與2682 t yr-1。在所有自然源 中，水面溢散至大氣的量佔了大部分，約為59%。根據表 1.1，世界上海表面，
以太平洋加印度洋海域寬廣，因此其海表面每年溢散汞的量為最多，大約為1700 公噸 ，而大西洋約為 840 公噸 (Pirrone et al., 2009)。其中陸地環境釋放至大氣 的汞，有火山、地殼運動每年約溢散90 公噸 (Varenkamp and Busek,1984; Nriagu and Becker,2003) ；森林火災每年約溢散 342 公噸 (Brunke et al.,2001; Friedli et al.,2001)。
表 1.1 自然源溢散汞的量 (Pirrone et al., 2009)
1.1.2 人為排放
具體的人類活動排放源列於表1.2 中，排放汞的人類活動主要包括使用化石 燃料的火力發電廠、鋼鐵業、金屬冶錬、化工生產、礦產處理、垃圾處理設施和 水泥行業等 ( Pacyna et al., 2001; Lamborg et al., 2002; Streets et al., 2005; Swain et al., 2007)。
表 1.2 排放汞的主要人類活動(Pirrone et al., 2009)
1、從物質中釋放的汞物質 2、汞的提取和使用 3、垃圾處理、火化行業
使用煤的火力發電站 汞的提取過程 垃圾焚燒
使用其他燃料製造能源的過程 金礦開採過程 垃圾填埋
水泥的生產 苛性鈉生產過程 火化
日常交通（使用汽油、柴油、煤 油、生物燃料等）
使用螢光燈、牙醫 銀汞合金填充
礦產、冶金過程 製造含汞產品
圖1.1 列舉出了世界上主要人類活動排放源於 1995 年和 2000 年排放汞的量 (Pacyna et al., 2003； Pacyna et al., 2006)。就全球而言，Pacyna 等人比較了 1995 年及2000 年人為活動排放出汞的量（圖 1.1），其中化石燃料的電廠排放汞的量，
在所有人類排放汞的總量中佔據重要的地位，每年的排放量超過1400 公噸。其 次是金礦開採，1995 年釋放的汞超過了 400 公噸，該值到 2000 年有所降低，變 為220 公噸左右，而其他的量都在 200 公噸以下。
圖 1.5 於 1995 年和 2000 年各種人類活動排放汞量的比較（單位：公噸） (SC:
stationary combustion; NFMP: non-ferrous metal production; PISP: pig-iron and steel production; C: cement production; CS: caustic soda production; MP: primary mercury production; G: gold production; WD: waste disposal; O: other sources) (Pacyna et al., 2006; Pacyna et al., 2003)
人類活動排放的汞，主要來自已開發國家和開發中國家，包括亞洲、北美、
歐洲和南非等(圖 1.2,Pacyna and Pacyna, 2002；AMAP/UNEP, 2008；Pacyna et al., 2009)。其中，亞洲排放汞的量占了世界總排放量（2190 公噸）的 54%，而中國 就佔全球人為總排放量的 28％，排放量高居世界第一位(Pacyna et al., 2006)，這 是因為中國工業與經濟正在起飛，對能源和燃料的需求量急劇增長，而且也正在 大力開發礦產( Wang et al., 2000 ; Tan et al., 2000 ; Liu et al., 2002; Fang et al., 2004;
Xiu et al., 2005; Wang et al., 2006) ，導致中國成了亞洲地區最主要的汞的排放源。
圖 1.6 在 2005 年全世界人類活動排放汞量的示意圖 (AMAP/UNEP, 2008;
Pacyna et al., 2009)
1.2 汞的全球循環
圖 1.3 全球汞循環之示意圖 (Lamborg et al., 2002)
Lamborg 等人（2002）利用全球/區域模式推算，污染來源、自然來源及自 然溢散量分別是13 Mmole（2608 噸）、5 Mmole （1003 噸）及 4 Mmole（802 噸），經由乾、溼沈降重回陸地及海洋的分別是11 Mmole （2206 噸）及 10 Mmole
（2006 噸），此大氣中汞循環的不平衡造成了大氣汞的增加。另外，不論是在大 西洋的實際量測或由上述模式估算，皆推測全球的大氣汞含量將以每年1.4% 的 幅度增加（Slemr et al., 1992；Lamborg et al., 2002）。
汞污染不只是當地的局部污染問題，一旦釋放到大氣中的汞，其在大氣中可 停留數月到 2 年的時間(Pirrone et al.,1996; Lin et al., 1998; Lin et al., 1999;
Blanchard et al., 2002) ，透過大氣長程輸送將污染物質汞傳送到鄰近的區域或國 家，再經由沉降方式落至地表，對其他國家造成環境污染。而台灣又處於大陸氣
氣態元素汞（GEM）在大氣中的滯留時間在 0.5~2 年之間，因此汞可以從污 染嚴重的地方經過大氣擴散到很遠的地方，進而形成全球性的污染 ( Bargagli et al., 2005; Fitzgerald et al., 2005; Holmes et al., 2009 )。在工業發達的地區，汞以及 其他污染物也會遠距離傳輸 (Hsu et al., 2005; Liang et al., 2004)。
1.3 大氣汞的化學及循環
汞在大氣中的存在物種主要有：氣態元素汞（gaseous elemental mercury, GEM, Hg0）、活性氣態汞（reactive gaseous mercury, RGM, HgII）以及吸附在大氣 懸浮微粒上的顆粒汞（particulate-associated mercury, PM），其中氣態二價汞，因 為活性大反應性高，在大氣中易與氣相中的物質及顆粒微粒反應且溶於水，故又 稱為活性氣態汞（RGM），其中以 GEM 是大氣中的主要物種（>95％）(圖 1.4，
Lin and Peng, 1999)，RGM 及 PM 僅佔幾個百分比（Lindqvist, 1985; Lamborg et al., 1995），不過在污染的排放源附近，大氣的 RGM 及 PM 濃度會升高，其濃 度可達總濃度的10～40％（Carpi 1997；Streets et al., 2005）。
一般來說，PM 可藉由乾、濕沈降被移除，濕沉降能有效率清除大氣的含 汞膠體顆粒；乾沈降則與大氣中濃度和顆粒粒徑大小有關，因粒徑的大小不同，
滯留時間從數天到數週不等，多半沈降在排放源附近，因此較不易形成全球性的 污染。RGM 物種的化學形式較不清楚，通常認為是 HgCl2 或其他鹵化物，其表
面活性大且溶解度高，所以它比 PM 更容易經由乾、溼沈降移除，滯留時間比
PM 更短，因此也不被認為是全球性長程傳輸的物種。
GEM 在大氣中較穩定，其溶解度低，故濕沈降不高，且一般認為乾沈降速 率小，所以滯留時間長達6 個月到 2 年（Slemr et al., 1992），使得 Hg0 可在大 氣的長程傳輸中均勻混合。GEM 的滯留時間長，所以容易經由長程傳輸形成全 球性的污染，甚至南、北極區也不例外（Seigneur et al.,2004 ; Bargagli et al., 2005;
Fitzgerald et al., 2005）。RGM 與 PM 雖然滯留期短，但是也有可能藉由季風、
高低氣壓系統及沙塵暴等氣候現象被搬運至其他鄰近或遠洋區域，其搬運距離亦 可達數千公里（Graney et al., 2004; Jaffe et al., 2005; Swartzendruber et al., 2006）。
在亞洲地區，中國工業迅速發展情況下，汞及其他污染物也會隨著這些自然的物 質傳輸，而向外做遠距離傳輸（Perry et al., 1999; Liang et al.,2004; Hsu et al., 2005;
Weiss-Penzias et al.,2006）。
圖 1.4 大氣中不同類型汞的含量比例 (Lin and Peng, 1999)
汞主要係以GEM 方式排放到大氣中，並且被氧化而生成 RGM。根據 RGM 濃度的晝夜變化 (Laurier and Mason, 2007)可以推斷出，該氧化過程伴隨光化學
過程。但直到現在人們仍然不能確定主要是哪些物質氧化 GEM。在常用的模型
中，人們認為主要是大氣中的臭氧（O3）和氫氧根自由基（•OH）將 GEM 氧化 而生成 RGM ( Shia et al., 1999; Seigneur et al., 2006; Lindberg et al., 2007;
Holmes et al., 2009 )。但最近的熱力學和動力學研究結果說明，在大氣中，該反 應非常緩慢 ( Calvert and Lindberg, 2005; Hynes et al., 2008)。而研究說明，Br 原 子能促使GEM 迅速的氧化，而使得大氣中的 GEM 含量很快降低 ( Goodsite et al., 2004; Brooks et al., 2006; Tackett et al., 2007)。因此現在有學者提出，對流層中的 Br 原子，可能是導致大氣中的 GEM 迅速氧化為 RGM 的主要因素( Holmes et al., 2006)。
氧化生成的RGM 一部分透過乾沉降方式降到地面；而另一部分會進入到雲 層中，因為其反應活性以及很高的溶解度，RGM 進入雲氣的液相中，並隨著降
雨透過濕沉降方式重新回到地面。在降雨的過程中，懸浮於空氣中的PM 也會隨 著降雨來到地面 ( Iverfeldt, 1991; Pirrone et al., 1996; Lin and Peng, 1999)。在地面 或水體中，這些RGM 進入水體後有一部分會透過生物過程（微生物的酶催化）
(Mason et al., 1995)以及非生物過程 ( Allard and Arsenie, 1991; Xiao et al., 1995 ; Costa and Liss, 1999) 被還原為零價之元素汞(Hg0)。並導致 GEM 在自然界的水 中過飽和，進而推動汞從水面排放到大氣中去 (Schroeder and Munthe, 1998)。在 特定條件下，水和沉積物中的汞可以被轉化為甲基汞(Mauro et al., 2002)，該化合 物很容易在生物體內累積，並且透過食物鏈的傳導，最終為人類，所吸收 (Gardfeldt et al., 2003)。
1.4 文獻回顧
汞是一種易揮發的重金屬元素，在水中會被轉變為有機汞進而為生物體所吸 收，經過生物鏈的傳導，最終會進入人體並且會給人類帶來急性中毒或者慢性的 疾病。日本自二十世紀六十年代報導汞引發的水俁病（Minamata disease）以來，
對於自然界中汞的循環、汞的傳播等等研究越來越多。
歐美學者對於大氣汞之研究較早且較廣，而亞洲地區包括日本、韓國、中國 與台灣也有學者對於大氣汞進行研究（表1.3 和表 1.4）。邊緣海大氣汞的濃度資 料見表 1.3，主要有在東亞太平洋地區，有 2001 年的大氣懸浮微粒的觀測計畫
（ACE-Asia, Asian Pacific Regional Aerosol Characterization Experiment）（Friedli et al., 2004），其中除了地面觀測站外，也利用飛行載具量測高空大氣汞的垂直分 布，由海平面到七千公尺高的大氣汞濃度，其濃度分布範圍為1.68~ 2.13 ng / m3； 於東亞海平面（含日本、韓國與中國）量測在東海最高可達6.3ng/m3；日本周遭 海域為 1.5~1.9 ng/m3（Freidli et al., 2004）；西北太平洋及近日本海域約為 2.5
（1.6~4.7）ng/m3（Laurier et al., 2003）；日本沖繩的 Hedo 測站大約為 2.0 ng/m3
（Jaffe et al., 2005）； 在 2003 年北南海觀測，春、夏濃度低（平均 2.2~2.7 ng/m3）， 冬天則高（6.9±1.0 ng/m3），由於季風氣候的關係，夏季盛行南風，可能接收來 自北印度及東南亞生質燃燒和陸源含低汞的物質，另外秋冬東北季風則可能受到 東亞及中國工業污染物及陸源物質影響（Tseng et al., 2010）。在歐洲方面，北歐 的大氣汞背景值約1.6~2.1 ng/m3（Wangberg et al., 2001）；西地中海到東地中海 大約為0.8~2.3 ng/m3（Pirrone et al., 2003）；波羅的海大約為1.1~7.5 ng/m3（Marks et al., 2004）。
亞洲東亞城市方面（表1.4）， Liu 等人 (2002)監測北京市及其市郊地區之
空氣中總汞濃度範圍為8.3~24.7 ng /m3，並指出該地區之總汞不僅與燃燒煤炭有 正相關性且與風速有負相關性，而夏季時存在於土壤之汞會因高溫關係被蒸發回 到大氣中；中國貴州當地有開採汞礦，當地大氣汞濃度較高，年平均為7.4 ng/m3
（Feng et al., 2003）。Nakagawa (1997) 於 1991 至 1996 年間監測日本Hayama空 氣中總汞濃度13.2 ng/m3，其汞濃度有逐年增加趨勢，並指出總汞濃度會受到溫 度影響；若以每日而言，下午一點時濃度最高，早上及晚上濃度較低，而半夜時 汞濃度最低。Kim 等人 (2002) 於 2001 年 3 月底在韓國 Kang Hwa Island 作為 期八天連續監測，發現平均濃度約為3.72 ng/ m3；Gosan 地面測站 2.2~6.3 ng/m3
（Friedli et al., 2004）。
表1.3 邊緣海之 GEM 文獻回顧
Location Sampling period Hg0 concn.(ng/m3) reference
Asia
northern SCS winter,2003 6.9±1.0 C.M.Tseng et al,2010 late spring,2003 2.2±0.5
Summer, 2003 2.7±0.8
northern SCS Aug.,2007 2.62±2.24(1.04~6.75) Xuewu Fu et al.,2010 sea around Japan Mar. ~May, 2001 1.55~1.92 Jaffe et al., 2005
ESC 2001 ~6.3 Friedli et al., 2004
sea around Japan 2001 1.5~1.9
Sea around Japan/Korea/China
2001 1.68~ 2.13
Okinawa 1995 5.5 Nakagawa et al., 1997
HSO,Okinawa,Japan Mar. ~May, 2004 2.04 Jaffe et al., 2005
Japan Sea 1991 1.7~1.8 Nakagawa et al., 1997 America
coastline Mexico Oct., 2002 1.46±0.40 Rosa et al., 2004 Europe
MOE 1998~1999 1.6~2.1 Wangberg et al., 2001
MAMCS 1.9~3.2
MAMCS 1998~2000 0.8~2.3 Pirrone et al., 2003
North Sea 1.2~1.5 Leermakers et al.,1997
S. Baltic Sea Jun. ~Aug., 1997 1.1~7.5 Marks et al., 2004 Western
Mediterranean Sea
summer,2003 2.1 Andersson et al., 2007
Tyrrhenian Sea summer,2003 1.9 Andersson et al., 2007
spring,2004 1.9
autumn,2003 1.6
Ionian Sea summer,2003 2.2 Andersson et al., 2007
spring,2004 1.7
autumn,2003 1.5
Adriatic Sea autumn,2003 1.4 Andersson et al., 2007 Adriatic Sea summer,2003 1.6 Sprovieri and Pirrone et al.,
2008
North Adriatic Sea autumn,2003 2.3 Andersson et al., 2007 Strait of Sicily summer,2003 1.2 Andersson et al., 2007
spring,2004 1.6
Strait of Otranto summer,2003 1.5 Andersson et al., 2007
spring,2004 1.7
autumn,2003 1.5
Mediterranean Sea 1998~2000 1.2-2.37 Gardfeldt et al.,2003 Baltic Sea Jun. ~Aug., 1997 1.7 Wangberg et al., 2001 Arkona Sea Winter,1998 2.89±0.20 Joachim Kuss et al.,2007
Spring,1997 3.53±0.74
Summer,1997 5.59±0.70
Autumn,1997 2.66±0.48
Bornholm Sea Winter,1998 2.59±0.16 Joachim Kuss et al.,2007
Spring,1997 2.72±0.28
Summer,1997 6.28±1.17
Autumn,1997 3.03±0.35
western Gotland Sea Winter,1998 1.84±0.16 Joachim Kuss et al.,2007
Summer,1997 6.98±0.82
Autumn,1997 2.29±0.18
eastern Gotland Sea Winter,1998 2.01±0.18 Joachim Kuss et al.,2007
Summer,1997 9.73±1.32
Autumn,1997 2.76±0.34
Belt Sea Spring,1997 3.45±0.28 Joachim Kuss et al.,2007
Summer,1997 6.46±1.05
Autumn,1997 2.56±0.43
Arctic Ocean 1.7 Andersson et al.,2008a
Atlantic Ocean 1.00-2.25 Temme et al.,2003 North Pacific
Ocean(between Japan and Hawaii )
May~Jun.,2002 2.5 Laurier et al.,2003
表1.4 氣態元素汞東亞的文獻回顧
Location Sampling period Hg0 concn.(ng/m3) reference Taiwan
Mt. Lulin, Taiwan Apr. ~Oct., 2006 1.77±0.66 (0.15~5.75) Lin et al., 2006 Taipei, Taiwan Apr. ~Jun., 2004 9.4 (1.1~90.7) Kuo et al., 2006
China
urban Beijing, Jan., 1998 8.3~24.7 Liu et al., 2002 Guiyang, China 2000~2001 7.39 Feng et al., 2003 Tiananmen Square 1998 11.1 ± 3.31 Liu et al., 2002 Xuanwu 1998 16.68 ± 12.28 Liu et al., 2002 Shijingshan 1998 6.73 ± 1.79 Liu et al., 2002 Changping 1998 4.35 ± 0.92 Liu et al., 2002 Guiyang 2000 ~2001 7.98 ± 1.56 Feng et al., 2003 Huairou County 1998 3.05 ± 7.78 Liu et al., 2002
Japan
Tokyo, Japan Apr., 2003~Mar., 2004
2.0~4.5 Sakata et al., 2002
Hayama 1991 ~ 1996 13.2 Nakagawa et al., 1997
Tukui 1995 49.3 Nakagawa et al., 1997
Korea
Han Nam 1987 ~ 1988 14.40 ± 9.56 Kim et al., 2002 Sept 1997; May~June
1998
3.43 - 3.94 Kim et al., 2002
1999 ~ 2000 5.34 ± 3.92 Kim et al., 2002 Kang Hwa Island March 2001 3.72 Kim et al., 2002 Urban Seoul,
Korea
1999~2000 5.26±3.27 Kim et al., 2001
Gosan, Korea Mar. ~May, 2001 2.15~6.34 Friedli et al., 2004 Indonesia
Indonesia 1988 1.9~4.0 Nakagawa et al., 1997 Kuwait Bay, Kuwait 1997 3.85±55 (0~86) Tayban et al., 2005
1.5 東海的特性
東海（East China Sea, ECS）地區是世界上最大的大陸棚之一(Chen et al., 2006)，它位於北緯 24º~33º，東經 118º~130º 之間，面積約為 90 萬平方公里。東 海是坐落於中國著名江水（長江）的最終匯集地。東海西邊與中國大陸接壤，在 該處有中國的一些發達城市，比如上海、寧波等。這些城市會往東海傾倒很多的 工業廢物，此外，長江、錢塘江等江水也夾雜著大量的有機和無機物質最終流向 東海(Shi et al., 2005)。
然而東海位處於亞熱帶地區，季風交替鮮明且強勁，夏天盛行西南季風，冬 天盛行東北季風，另一方面，東海是西北太平洋接收到大氣落塵物質（亞洲沙塵 暴）最高的海域之一（Duce et al., 1991; Gao et al., 2001），其中又以春天時的輸 送通量為最高（Uematsu et al., 2003）。除此之外，每年常受到極端大氣效應的影
響（如春天的亞洲沙塵暴以及夏秋的颱風等），使得各項生物地球化學因子與生
態特性，呈現出高度的時空變異（Liu et al., 2003）。
東海是半封閉為陸地所圍繞的邊緣海，位於台灣的北方，其所處的地理位 置，為全球最大洋（太平洋）和最大洲（亞洲）中間，更受季風氣候的影響，近 年的研究顯示生質燃燒(如森林火災或木材燃燒等)也會釋放汞至大氣中，而中國 與東南亞地區都有顯著的生質燃燒活動。因此，位居中國下風處的東海空氣與環 境品質以及生態都可能受影響。在ACE-Asia 的研究進行期間即在中國、日本與 韓國周遭量測到高濃度大氣汞（Friedli et al., 2004），在日本琉球 Hedo Station 亦 可偵測到高於背景值的大氣汞濃度（Jaffe et al., 2005），甚至連遠在美國西岸奧 勒岡州的 Mt. Bachelor Observatory 都可偵測到東亞大氣汞的影響（Jaffe et al., 2005; Weiss-Penzias et al., 2006）。再者，氣候變遷可能導致區域性降雨的改變
（Albritton et al., 2001），或改變海洋及大氣環流的輸送行為與污染物不斷地升高
（Huh and Chen, 1999）。
1.6 研究動機與目的
汞是全球性的污染物，經由長程傳輸，遍及海洋及偏遠地區，使其自然的生 地化循環受到干擾；區域性的排放源也造成陸地更嚴重的污染。在台灣，汞的環 境議題才剛開始，因地理位置的關係，西邊鄰近世界最大的汞排放來源–中國，
另外，處於獨特的天氣系統有季風、颱風、梅雨及沙塵暴等現象發生，這些氣候 現象與污染物傳輸的關係是值得關注的。為了解亞洲區域性大氣汞排放是否影響 到東海海域環境品質，大氣汞的日夜及季節性變化，進一步探討汞的來源及影響 其濃度的因子。
研究之動機在於研究亞洲區域性大氣汞排放是否影響到東海海域環境品 質。迄今為止，關於東海大氣汞的分佈與循環的研究鮮有報導。本研究探討的重 點是，針對其大氣汞濃度值是否受到氣候現象及周遭陸地物質的影響。故本研究 之研究目的有以下幾點：
（1） 調查 2003 年夏季東海地區，大氣汞中的氣態元素汞濃度分佈及其時空變 化。
（2） 利用大氣長程傳輸判斷周遭陸源物質對東海大氣汞是否有影響。
（3） 颱風後對大氣汞分佈之影響。
第二章 研究方法
2.1 研究區域
本研究於東海進行大氣汞的航行監測，在東海長期觀測與研究（LORECS , Long-term Observation and Research in the East China Sea）的航次裡，利用海研一 號（Ocean Researcher 1, OR1）分別在 2003 年 6 月 19 日~26 日和 8 月 13 日~23 日之間，執行兩次航行任務。。研究區域集中在北緯250~320，東經 1200~1280， 具體航程及水文測站見圖2.1。
圖 2.1 氣態元素汞航跡圖和水文測站與地理位置(澄色代表 6 月的航程，藍色代 表8 月；箭頭是航行前進之方向，編號則是採樣測站)。
2.2 器材與方法
為了監測東海上汞的濃度變化，和探討汞的來源及影響其濃度的因子。以下 將簡述有關之儀器設備及採樣分析的方法。
2.2.1 實驗儀器設備裝置
（1）自製的汞之標準氣體
（2）氣密式注射針(HAMILTON 80930)
（3）自製的大氣汞測定系統(GEMA, Gaseous Elemental Mercury Analyzer)
（a）原子螢光儀(Tekran CVAFS Mercury Detector 2500)
（b）電腦積分設備(Automated data acquisition)
（c）大氣採樣設備(Sampling device)
2.2.2 實驗器材前處理
汞分析的困難度，在於濃度太低，容易受污染，因此採樣及分析流程中，必 須確保實驗器材的乾淨。這些大致上先用鹼性清潔液（Micro-90）浸泡 24 小時 以上，並以超音波振盪1 小時（60 ℃），再置於稀釋的硝酸（10% v/v）中酸洗 24 小時以上，以減少有機質及微量金屬吸附，最後用超純水徹底清洗。洗淨放 入雙層夾鏈袋封存。
2.3 大氣汞之採樣方法
大氣元素汞的採集裝置前端，架設於研究船的上層甲板，為避免船體的污 染，使用一伸縮桿使管線前端突出於船體，距海面10~15 公尺高。採樣管線（直 徑 1/4-in.），全部使用鐵氟龍材質，最前端為濾紙固定器，裡面可裝三層鐵氟龍 濾紙（0.45 μm，直徑 47 mm），用以過濾大氣中的顆粒及可能的水氣。採樣管線 牽到研究船的實驗室之後，接上一簡易冷凝瓶，再轉接到分析管（直徑1/8-in.），
連接到微量汞分析設備。後面接上質量流量控制器及抽氣幫浦，抽氣量控制為 0.6~0.8 L/min，視抽氣量大小，採樣時間從 15 分鐘至數小時不等，要看實驗的 整個狀況而定。到測站時如風浪大，通常會讓船較穩定不晃後，才進行採樣作業。
船首風處時，採樣的大氣較不易受到來自船體油氣的污染。當研究船隨波浪漂流 的時候，採樣的資料則需考慮是否受到污染。
2.4 大氣元素汞分析方法
大 氣 元 素 汞 的 分 析 方 法 是 ， 使 用 二 階 段 式 之 汞 齊 濃 縮 （two-stage Au-amalgamation）及冷蒸氣原子螢光光譜法（Cold Vapor Atomic Fluorescence Spectrometry, CVAFS）（Fitzgerald and Gill, 1979）偵測。
大氣採樣設備主要由一台氣體採集幫浦及一組濾膜固定器(filter holder)所組 成。濾膜設備內可放置三張濾紙，第一層石英濾紙負責阻擋並收集空氣中的微粒 物質，第二三層鐵弗龍濾紙負責阻擋水氣進入。幫浦可設定空氣採樣的速度，進
行連續24 小時的收集。過濾後的空氣在幫浦的運作下，被帶至汞物種微量測定
系統被阱管吸收。
大氣汞元素微量測定系統（GEMA），主要是由兩個樣品阱管(sampling trap，
此稱ST1、ST2)，以六向閥的控制及管線的連接形成一組串聯系統（圖 2.3）。阱 管是由石英管內填充鍍金的砂子組成，會吸附汞形成汞齊。另配有加熱器，控制 二個阱管的加熱。載流氣體為氬氣。
整個實驗，利用汞容易與金結合形成汞齊的特性，在微量汞分析設備中裝有 三個裝有鍍金石英砂的阱管（Au-coated sand trap），第一及第二阱管串聯，同時 採樣。大氣中的元素汞會先吸附在第一阱管（Sampling trap 1, ST1）上，若超過 其負荷度則吸附在第二阱管（Sampling trap 2, ST2），第三阱管則作為系統之背景 值。吸附在阱管上的元素汞，以高溫600 °C 打斷汞齊的鍵結，將氣態元素汞經 由氬氣載流至冷蒸氣原子螢光光譜儀（Tekran Model 2500）中分析，經由波長 253.7 nm 的光激發後，螢光光譜儀得到的訊號可配合實驗室自行撰寫的程式以 計算積分面積，再根據二阱管的檢量線換算汞含量，以及採樣的空氣體積，即可
知所測的大氣元素汞濃度。分析時，依序由第三阱管、第二阱管、第一阱管先後 測定。其方法分析之性能列於簡表2.1。
圖2. 3 自製大氣元素汞分析儀示意圖（Tseng et al.,2010）
表2.1 GEMA 的分析性能（Tseng et al.,2010）
2.4.1 實驗步驟
在大氣汞的測定儀器安裝完畢時，需先作一檢量線製備及測定阱管的性能，
待其穩定後，則可做常態性的監測大氣汞，不需每次重覆檢量線及阱管的測試。
一、大氣汞的測定
1. 船上架設好大氣汞元素微量測定系統，將採樣過濾模組件置於船頭最高處，
開始航行時測定起始點，每 15 分鐘~1 小時採樣一次，資料主要以 15 分鐘 採樣。
2. 一開始將樣品和分析阱管（ST1、ST2、AT3）進行加熱約 2~3mins，消除存 在阱管中的殘餘汞，以確保採集的真實大氣汞濃度。
3. 紀錄採樣開始時間與結束時間，每個時間點進行單阱管(S1 或 S2)的汞濃度 分析，載流氬氣流量的設定則依據空氣採集的時間長短來判斷，一般在船測 的設定在30mL/min。同樣在 ST1 注入汞蒸汽作為回收率的計算，並紀錄當 時汞蒸汽的溫度以計算其飽和蒸汽壓。
4. 每作完一個樣品就做單點添加，計算測定的回收率。
5. 將 S1、S2 和 AT3 進行加熱，再開始收集空氣並紀錄採樣開始時間。
6. 採樣時間結束，重覆上述步驟進行測定。
7. 每天個別對系統中 AT3- ST2- ST1，做一檢量線。每點的分析均會注入定量 之汞蒸氣，計算系統回收率。
2.5 氣象輔助資料
本研究的氣象輔助資料有氣團軌跡回推圖、風場及溫度的模式資料，還有 研究船探測報告，探討東海地區大氣汞的分佈及來源。
（a）氣團軌跡回推圖：這是使用美國國家海洋與大氣總署（NOAA）的空氣資 源研究室所提供的HYSPLIT （HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory）模式（Draxler and Rolph 2003）來計算。在本研究中，回推各接 收大氣汞地點（24~30°N, 118~130°E）和時間，回推 3 天的氣團軌跡，用 來判斷氣團的來源。由於海洋的大氣邊界層高度因氣候狀況大約為1000 公 尺，在此高度內的大氣能均勻混合，所以選定回推的氣團高度為100、500 及 1000 公尺。
（b）溫度資料：使用 NOAA 的 NCEP/NCAR （National Center of Environmental Prediction / National Center of Atmospheric Research）衛星同化（reanalysis）
的資料 （Kalnav et al., 1996），以驗証船測之氣溫資料。在此特別說，OR1-686 中的溫度（圖 3.2（c）），是因船上 MIDAS 没有溫度資料，所以用 NOAA 衛星資料補上，NOAA 衛星資料只要有船的經度、緯度、和所發生時間，
就可以下載此時此地的溫度。
（c）船測報告資料：研究船在到站後會記錄作業時的風場（風速及風向）、大氣 壓力、光照度及氣溫資料，可用它來比對NCEP/NCAR 與 MIDAS 的資料，
驗證可信性。
第三章 結果
3.1 氣態元素汞(GEM)與大氣參數之航跡時序分佈
本研究二個航次之相關航跡和風速風向圖，見於圖 3.1。OR1-686 風速範圍 約在2.2~16.1 m/s，平均為 9.5 ± 4.2 m/s (n=20) （圖 3.1（a）），風在大陸近岸區 18 站、38A 站、30 站、6 站、5 站有較小值，內陸棚區 23 站、22 站、21 站也出 現較小值，高值區出現在27 站、17 站、7 站、35 站、2 站，而風向方面，大致 吹西南風。OR1-691 風速範圍約在 2.3~15.1 m/s，平均為 8.3 ± 2.9 m/s (n=32) （圖 3.1（b）），在大陸近岸區 19 站、29 站、18 站、5 站、4 站、1 站有較小值，內陸 棚區16 站、31 站，外陸棚區 12A 站、11 站、10 站也出現較小值，高值區出現 在24 站、26 站、26A 站、25 站、7 站、8 站，而風向方面，一直在變，由西南 風轉向東風。
OR1-686 之 GEM 平均為 4.5 ± 1.8 ng/m3 (2.1~13.2 ng/m3，n=123），變化幅 度約有11.1 ng/m3。研究發現大氣汞濃度在東海海域並非均勻分佈，且其濃度不 穩定，每天都有上下起伏，在靠近台灣近岸和大陸近岸，其含量較高（圖3.2）。
白天日照最大強度約有628.3 w/m2，晚上則無，最大值發生於10~14 點，在 6 月 21 日、6 月 24 日和 6 月 25 日的光照度最高值没有其他天高。大氣中溫度變化幅 度約有5.1℃（22.9~28.0℃），平均為25.2 ± 1.2℃ (n=88)。大氣中氣壓變化幅度 約有10.2 hPa（1011.9~1001.7 hPa），平均為 1006.4 ± 2.4 hPa (n=1596)，在 6 月 21 日、6 月 22 日、6 月 23 日的大氣壓力出現高值,溫度呈現相反現象。
OR1-691 之 GEM 平均為 3.6 ± 2.0 ng/m3 (1.8~11.8 ng/m3，n=78），變化幅度 約有10 ng/m3。在靠近台灣近岸區和靠台灣內陸棚區，其含量較高（圖3.3）。白 天日照最大值601.0 w/m2，每日高值都很平均，表示天氣晴朗、日照強。溫度變
化幅度約有6.2℃（28.4~34.6 ℃），平均為30.4 ± 1.2℃ (n=125)。氣壓變化幅度 約有11 hPa（1015.6~1004.6 hPa），平均為 1010.2 ± 3.0 hPa (n=1596)。
圖3.1 航 次 的 航 跡 與 風 速 風 向 圖(a)OR1-686 (06/19~06/26, 2003) 與 (b) OR1-691 (08/13~08/23, 2003)
(b) (a)
GEM(ng/m3 )
0 2 4 6 8 10 12 14
Pressure(hPa)
1000 1002 1004 1006 1008 1010 1012
1014
Temperature(o C)
22 23 24 25 26 27 28
23 22
21 20
19 29
28 27
15 16
17 18
38A 30
6 7
8 35
5 2
6/19 6/20 6/21 6/22 6/23 6/24 6/25 6/26 6/27
近岸 近岸 區 近岸 區
Date
測站
UV(W/m2)
0 100 200 300 400 500 600 700
大陸 台灣
長江
(a)
(b)
(c)
(d)
圖3.2 於 OR1-686 (06/19~06/26, 2003) 之氣態元素汞航跡時序與大氣參數關係圖 (大氣 (a)汞 (b)光照度 (c)溫度 (d)壓力)
GEM(ng/m3 )
0 2 4 6 8 10 12 14
UV(W/m2 )
0 100 200 300 400 500 600 700
Pressure(hPa)
1004 1006 1008 1010 1012 1014 1016 1018
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11 12A
13 14
15 16
17 18
29 19A
19 20
21 22
23 24
25 26A
26 27
28 30
31 32
34
8/19 8/20
8/18 8/21 8/22 8/23
8/17 8/16 8/15
8/14 8/24
8/13
Date 測站
近岸 區台灣 近岸長江 近岸大陸
Temperature(O C)
28 30 32 34
外 陸棚 外 陸棚
(a)
(b)
(c)
(d)
圖3.3 於 OR1-691 (08/13~08/23, 2003) 之氣態元素汞航跡時序與大氣參數關係
3.2 氣態元素汞(GEM)在東海上的空間變化
圖3.4 東海海域之 GEM 濃度分佈圖，顏色代表不同濃度測值，OR1-686 在 7 站、6 站和 5 站有氣態元素汞的高值，而 23 站、22 站、21 站、20 站、19 站、
27 站有氣態元素汞的低值，呈現東北低西南高的趨勢。
OR1-691，在 7 站(與 OR1-686 相同) 、9 站、11 站、2 站、1 站有氣態元素 汞的高值，而20 站、21 站、22 站、23 站、24 站、25 站、26 站有氣態元素汞的 低值，呈現北低南高的趨勢，且和OR1-686 比較，明顯看出 4ng/m3的線明顯的 有往南移。
圖 3.4 東海海域之 GEM 濃度分佈圖：OR1-686 (06/19~06/26, 2003) (a) (b)、
OR1-691 (08/13~08/23, 2003) （c）（d） (數字代表各測站氣態元素汞的值，箭頭
(a) (b)
(c) (d)
是航行前進之方向，而有顏色的點圖代表其實際測到的位置)
3.3 GEM 之日平均變化
OR1_686（圖 3.5(a)），每天GEM 平均濃度 4.6 ± 1.0 ng/m3 （3.5~6.5 ng/ m3， 8 天)，日平均濃度變化不大，但在一日中超出四分位差的值較多，表示 GEM 一日 中的變化很大。
OR1_691（圖 3.5(b)），每天GEM 平均濃度 3.8 ± 1.9 ng/m3 （1.8~8.3 ng/ m3， 11 天)，日平均濃度變化很大，最大濃度值是最小濃度值的 4 倍多，但在一日中 超出四分位差的值不多，可見一日中的濃度變化不大，但也有另一個可能，可能 是OR1-691 航次中取得的總樣品數少使超出四分位數的值較少。
圖 3.5(a) (b)，以 表示，橫線表示所佔的比例由下到上，分別為 10％、25％、50％、75％、90％。
圖3.5 (a) OR1-686 (b) OR1-691 航次中每天的 GEM 平均濃度 (n 表當天採樣的 個數,而紅點表當天平均值,黑色點表示超出四分位數以外的值)
(a)
(b)
Date
Date
表 3.1 OR1-686 航次各測站之 GEM 濃度及大氣參數 Station Latitude Longitude Air
temperaturea
Pressurec Wind speed b
Wind directionb
GEM UV
(ºN) (ºE) (ºC) (hPa) (m s-1) (º) (ng m-3) (W/m2)
23 30.47 126.22 23.8 1012 6 160 3.3 2.5
22 30.75 125.46 23.6 1014 4 120 3.6 34.8
21 31.04 124.68 23.4 1012 6 170 3.4 58.8
20 31.33 123.92 22.9 1011 8 180 3.8 0.2
19 31.62 123.14 23.2 1011 9 160 3.9 0.2
29 30.44 123.24 23.8 1010 11 230 4.1 81.7 28 30.06 124.28 23.2 1010 10 220 4.7 59.0
27 29.68 125.30 23.2 1010 16 230 3.3 0.2
15 28.72 124.89 23.5 1008 15 230 4.0 390.2
16 29.00 124.12 23.0 1008 15 240 3.8 0.2
17 29.29 123.35 24.2 1004 12 220 4.4 0.3
18 29.55 122.68 23.9 1006 4 170 5.7 5.8
38A 29.22 122.52 24.1 1007 2 10 6.9 41.8
30 28.58 122.20 24.8 1006 8 270 4.4 6.5
6 27.75 121.50 25.1 1007 2 310 6.1 0.3
7 27.46 122.26 25.9 1005 12 230 7.8 4.4
8 27.16 123.04 26.6 1007 10 270 5.7 89.6
35 26.62 121.74 27.0 1008 13 210 4.6 0.2
5 26.9 121.01 26.6 1008 10 220 5.3 0.2
2 25.67 121.43 27.6 1009 13 230 3.7 393.9
a:資料來自 NCEP/NCAR reanalysis（Kalnav et al., 1996）
b:資料來自研究船探測報告
c: 附設於 underway PCO2的壓力計
表 3.2 OR1-691 航次各測站之 GEM 濃度及大氣參數 Station Latitude Longitude Air
temperatureb
Pressure c Wind speed b
Wind direction b
GEM UV
(ºN) (ºE) (ºC) (hPa) (m s-1) (º) (ng m-3) (W/m2)
1 25.42 122.21 32.3 1009 4 130 11.9 49.2
2 25.67 121.50 30.1 1008 2 210 6.0 0.3
3 25.92 120.80 28.8 1006 8 230 5.2 0.2
4 26.17 120.08 28.7 1006 5 210 4.0 87.3
5 26.90 121.00 29.7 1006 6 50 5.7 0.2
7 27.46 122.27 29.6 1006 13 40 7.2 47.7
8 27.17 123.04 30.6 1005 13 40 5.0 319.7
9 26.87 123.81 29.6 1006 7 70 8.2 0.2
10 26.58 124.58 29.6 1006 5 170 2.8 0.2 11 26.30 125.36 32.0 1007 7 140 6.4 452.8 12 27.23 125.90 30.8 1008 8 120 2.4 0.2 13 28.13 126.44 30.3 1011 7 130 2.4 0.2 14 28.42 125.66 30.8 1011 8 140 2.9 92.9 15 28.71 124.90 32.7 1010 7 130 3.0 182.6 16 29.00 124.12 30.5 1011 6 140 2.4 0.3 17 29.29 123.37 32.2 1011 7 130 3.8 0.2 18 29.54 122.67 29.7 1011 6 180 3.5 0.2 29 30.46 123.25 31.2 1013 6 160 2.1 410.3 19 31.62 123.15 29.3 1010 6 180 4.0 0.2 20 31.33 123.91 29.2 1009 9 190 1.9 0.2 21 31.04 124.7 30.1 1010 10 180 1.4 38.3 22 30.75 125.46 31.4 1011 7 140 1.5 288.7
23 30.46 126.23 29.5 1011 10 120 1.6 1.7
24 30.17 127.00 30.3 1011 15 170 1.2 0.2
25 29.88 127.77 31.3 1012 12 150 1.5 249.8 26A 28.95 127.25 28.8 1012 12 120 1.8 44.5
26 29.29 126.34 30.2 1013 12 140 2.0 0.2
27 29.68 125.31 31.9 1015 10 170 2.6 75.6
28 30.07 124.28 32.2 1013 10 120 3.1 246.9 30 28.62 122.17 29.2 1014 8 140 1.8 252.1
31 28.28 123.07 31.8 1013 5 130 4.7 48.7
32 27.95 123.93 30.03 1013 10 130 2.8 0.2
第四章 討論
大氣元素汞方面的資料討論，OR1-686（2003 年 6 月 16 日~26 日）和 OR1-691（2003 年 8 月 13 日~23 日）2 個航次，台灣對於大氣汞的研究較其他 國家少。因此本研究在東海海域進行大氣汞監測，於 2003 年夏季 6 月（OR1-686）
及 8 月（OR1-691）完成大面積的探測，以瞭解其在時空分佈之特性，並找出可 能的原因，而 OR1-686 是一個颱風後的航次，並針對颱風對大氣汞分佈有無影 响，做進一步討論。
4.1 氣流軌跡的歸納分類
本研究集中在東海（北緯 250~320，東經 1200~1280），整體東海的大氣組成 變化大且不均勻，故執行航次時，所量測的參數值只能代表當時、當點的情形，
所量大氣汞的值，為了找其規則性，我們利用衛星同化資料（NOAA-NCEP），
氣團軌跡回推模式（HYSPLIT model，NOAA），將每一測點接收到的氣態元素 汞的時間，和經緯度輸入，回推三天的氣流軌跡，研判大氣汞的來源，以下是各 航次之氣流軌跡圖之歸納。
OR1-686 的氣流，大致自南方而來，可以依所經地區將其分類，分成南海、
太平洋、台灣、台灣海峽、大陸（圖 4.1）；而 OR1-691 的氣流，有來自西南方 的、東方、東北方的氣流，同樣地，依所經地方將其分類，分成大陸、台灣海峽、
太平洋、東海、日本、日本海（圖4.2）。
圖4.1 OR1-686 (06/19~06/26, 2003) 各站點三天前氣團軌跡回推團圖(圖中紅色 點表示 OR1-686 所經各站位，紫色編號則是代表水文採樣測站，藍色表示氣流 經過南海或太平洋(海源)，綠色表示經過台灣，黃色表示經過台灣海峽，紅色表
圖4.2 OR1-691 (08/13~08/23, 2003) 各站點三天前氣團軌跡回推團圖(圖中紅色 點表 OR1-691 所經各站位，紫色編號則是代表水文採樣測站，藍色表示氣流經 過太平洋(海源)，黃色表示經過台灣海峽，紅色表示經過大陸，灰色表示經過日 本，紫色表示經過日本海)
4.2 同一來源下,探討 GEM 之日夜變化
在本研究所有的航次資料中，以早上 6 點到下午 6 點為白天，下午 6 點到 早上 6 點為夜晚，以每天的日、夜濃度來看空間變化。
於 OR1-686（06/19~06/26, 2003）大氣汞和日照之航跡時序圖中發現，在 6/19、6/20、6/23、6/24 中有日夜變化（圖 4.3），和 OR1-691 ( 08/13~08/23, 2003) ，在 8/16、8/20、8/22、8/23 中有日夜變化（圖 4.4）。
23 22
21 20
19 29
28 27
15 16
17 18
38A 30
6 7
8 35
5 2
測站
UV (W /m 2 )
0 100 200 300 400 500 600 700
GEM (ng/m 3 )
0 2 4 6 8 10 12 14
UV GEM
6/19 6/20 6/21 6/22 6/23 6/24 6/25 6/26 6/27
Date
近岸 近岸 區 近岸 區
大陸 台灣
長江
圖4.3 OR1-686（06/19~06/26, 2003）氣態元素汞及大氣光照之航跡時序圖
UV( W /m 2 )
0 100 200 300 400 500 600 700
GEM(ng/m 3 )
0 2 4 6 8 10 12 14
UV GEM 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10 11
12A 13
14 15
16 17
18 29
19A 19
20 21
22 23
24 25
26A 26
27 28
30 31
32 34
8/20 8/19
8/18 8/21 8/22 8/23
8/16 8/17 8/15
8/14 8/24
8/13
Date
測站
近岸 區台灣 近岸長江 近岸大陸
外 陸棚 外 陸棚
圖4.4 OR1-691 (08/13~08/23, 2003) 氣態元素汞及大氣光照之航跡時序圖
4.2.1 來自海源的日夜變化(2003/6/20, 2003/8/20,2003/8/22,2003/8/23)
在陸地及都會區，大氣元素汞濃度的分佈通常決定於人為活動。在不受到人 為污染的地區，日夜變化不明顯（Slemr and Scheel, 1998）；在緯度較高的地區，
冬季的夜晚因為使用化石燃料，而有晚上高，白天低的情形（Kim and Kim, 2001）。
一般在開放海域的研究，因為海鹽顆粒來源的鹵化物加上光化學反應，使 Hg0 氧化為 Hg2+，所以 RGM 濃度與日光強度有高度正相關，但是大氣元素汞 因為海氣交換的原因，並不一定因為RGM 的增加而減少，仍有白天濃度高，夜 晚濃度低的變化（Laurier et al., 2003）。
而本次所研究的在陸地和開放海域之間的邊緣海—東海，白天高值會有以下 三種可能，在同一日中，來源改變，造成的高值，如從海源氣流變成陸源來的氣 流而造成高值，另二種可能性就是當來源一致下的白天高值，若一整天都是陸 源，人為活動決定了白天高值；若一整天都是海源，海氣交換決定了高值。
在 4.1 節中已經分出各測站海源和陸源的氣流軌跡圖，又在 4.2 節中發現 6/19、6/20、6/23、6/24、8/16、8/20、8/22、8/23 中有日夜變化。其中 6/19、6/23、
8/16 剛好就是來源不同下造成的日夜變化，而 6/20 和 6/24 分別有相同方向的來 源，6/20、8/20、8/22、8/23 全是來自海源的氣流，6/24 全是來自陸源氣流，陸 源在4.2.2 節在討論。
I. 6/20,2003
Date
UV(W/m2)
0 100 200 300 400 500 600 700
GEM (ng/m3)
0 2 4 6 8
UV GEM
6/20 6/21
（a）氣團軌跡回推圖 （b）GEM 及光照之航跡時序圖
II. 8/20,2003
Date
UV (W/m2)
0 100 200 300 400 500 600 700
GEM (ng/m3)
0 2 4 6 8
UV GEM
8/20 8/21
（a）氣團軌跡回推圖 （b）GEM 及光照之航跡時序圖
III. 8/22,2003 8/23,2003
（a）氣團軌跡回推圖
（b）GEM 及光照之航跡時序圖
圖4.5 （I）6/20、（II）8/20、（III）8/22~8/23 氣團軌跡回推圖/ GEM 及光照之 航跡時序
Date
UV (W/m2 )
0 100 200 300 400 500 600 700
GEM (ng/m3 )
0 2 4 6 8
UV GEM
8/22 8/23 8/24
在 6/20 中，從圖4.5_I a 可以看出，船往北走，氣流來自南海，在 I b 中，
可以看出日夜差值，大約有3.5 ng/m3，最高值發生在下午二點時。
在8/20 中，從圖 4.5_II a 可以看出，船往南走，在日本附近，氣流全都來自 太平洋，在II b 中，可以看出日夜差異，大約有 2.5 ng/m3，最高值發生在下午二 點時。
在8/22 和 8/23 中，從這圖可以看出，船往南走，氣流全都來自太平洋，在
（b）中，可以看出東海海氣交換的值，也大約有 2 ng/m3，最高值也發生在下午 二點時。
夏季海域的大氣元素汞濃度形成白天較高，晚上較低的原因是因為日光強度 及溫度影響海氣交換通量的結果。在大氣中，氧化物及光化學反應氧化Hg0形成 Hg2+沈降，使得大氣元素汞濃度降低；在海水中，溫度較高且日光較強則能使光 還原反應加快，使得氣態元素汞溢散量增加；若海水中的元素汞溢散通量大於大 氣的沈降通量，就會形成白天濃度高，夜晚濃度低的情形。在其他邊緣海及熱帶 海域也有類似的海氣交換結果（Mason and Fitzgerald, 1993; Ferrara et al., 2000;
Laurier et al., 2003），由於溶解於海水中的元素汞會持續地逸散到大氣中，而且 在日光最強時，有最大的逸散通量。所以即使大氣中的元素汞因光化學反應而減 少，從海水逸散出來的元素汞仍可補充並增加大氣中的元素汞，而形成日高夜低 的現象。
4.2.2 來自陸源中的日夜變化 (2003/6/24)
（a） （b）
Date
UV(W/m2)
0 100 200 300 400 500 600 700
GEM (ng/m3)
0 2 4 6 8
UV GEM
6/24 6/25
圖4.6 6/24/2003（a）氣團軌跡回推圖，（b）GEM 及光照之航跡時序
在6/24 中，從圖 4.6（a）看出，船往南走，在長江口附近，氣流全都來自 大陸地區，在（b）圖中，看出大陸地區的值，大約在 4 ng/m3以上，最高值發生 在中午十二點左右時，最高和最低值差 2.5 ng/m3左右。
4.3 日夜分開討論，GEM 空間的分佈
大氣汞之濃度分佈有時空變化，主要受到來源和其本身受到光化學反應日夜 之變化影响所致。這二個航次中，受限於半自動的採樣方式，採樣頻率不夠，無 法連續且長時間的量測，以取得足夠的樣本量，且在航行中氣團來源不同，以致 大部份的航行中，無法看到明顯的日夜變化。為了要研究其來源所造成之空間變 化，故將日夜分開，避免日夜變化造成差異（圖 4.7 和圖 4.8）。
在圖4.7 和圖 4.8 中橘色框代表白天發生的地方，灰色框代表晚上發生的地 方。在圖4.7(b)和圖 4.7(d)中 ，可以看大氣汞分布型態雷同，和圖 3.4(b)大致也 相同，說明OR1-686 大氣汞濃度之空間分佈乃是受到其來源不同之影响。
圖4.7（b）和圖 3.4（b）中相比，藍色線和藍色區域是相同，代表其從南海 來的氣流造成 OR1-686 分佈圖中產生低值的主要原因，在第 7 站和第 5 站，因 其氣流通過大陸地區而產生高值的主因，從這一點又再次証明出來源決定了空間 分佈。
OR1-691 也有相類似的情形，整個航次大氣汞之分佈與其來源有關，從圖 4.8（d） 和圖 3.4（d）看出二者分佈圖大致相同，很明顯地說明，晚上之分佈 左右了整體全天的分佈，而圖4.8（b）白天大部分有低值，這是因為白天都受太 平洋來的氣流所影響。
