大陸近年來亞洲沙塵暴發生頻仍，據估計亞洲沙塵暴每年向大氣輸送的沙塵量約高達8億公噸，沙塵暴侵襲期間除會產生大量沙塵沉降，並導致空氣品質劣化及能見度降低外，更會對民眾健康造成影響。
為瞭解沙塵暴期間之物化特徵及其與沙源地之關聯性，本研究特於2002~2006年間在澎湖地區進行亞洲沙塵微粒之採集，另於內蒙古自治區採集沙源區表土進行再懸浮採樣，用以分析沙源地及澎湖懸浮微粒之化學成份，並以富集因子分析、灰關連分析判斷沙源地，再以逆軌跡將沙塵暴傳輸至台灣之軌跡做分類，並將軌跡線與化學成份推得之結果做驗證。
本研究發現沙塵暴來臨期間澎湖地區大氣懸浮微粒濃度(PM10)明顯增加，約為非沙塵暴期間PM10濃度之3~6倍，其中又以PM2.5-10之濃度增加最為明顯，可由10~30 μg/m3劇升至80~130 μg/m3，且粒徑分部亦由雙峰分佈變為以粗微粒為主之單峰分佈。
本研究進一步將懸浮微粒樣本進行化學成份分析，分析項目包括：水溶性離子成份、碳成份、金屬元素成份。本研究發現亞洲沙塵暴侵襲期間細微粒水溶性離子成份大致呈現SO42- > NH4+ > NO3- > Cl- > Ca2+ > Na+ > K+ > Mg2+ > F-之趨勢，碳成份亦主要分佈於細微粒之中。就粗微粒而言，懸浮微粒多呈現Cl- > SO42- > NO3- > Na+ > Ca2+ > NH4+ > Mg2+ > K+ > F-之趨勢，而粗細微粒之金屬元素成份皆以Al、Fe、Na、Mg、K、Ca、Sr等地殼元素為主。
除沙塵懸浮微粒之物化特徵分析外，本研究亦以HYSPLIT MODEL方式繪製其逆軌跡圖(backward trajectory)，將亞洲沙塵傳輸軌跡區分為東方折返型、東南迴轉型及東南直傳型等三類，分析沙塵暴發生之時空背景等變因，對於其傳輸路徑及物化特徵之影響。本研究發現相同軌跡類型之沙塵暴，其物化成份之指紋略有相似之處，經由逆軌跡圖可回推沙塵暴發生之沙塵源地。
本研究特於內蒙古自治區之沙源地採集土壤樣本於實驗室再懸浮後，採集粗、細微粒(PM2.5、PM2.5-10)並分析其化學成份，探討沙源地再懸浮沙塵之物化特徵，研究結果發現不同區域之再懸浮沙塵之物化特徵雖相似但仍具有可辨識性，並可供判斷再懸浮沙塵之沙源地區位。本研究將澎湖地區沙塵暴期間懸浮微粒與沙源地再懸浮沙塵之化學成份資料加以比較，並透過富集因子(enrichment factor, EF)及灰關聯(grey relational analysis)解析方法探討兩者間之相關性。
本研究將逆軌跡回推、富集因子解析、灰關聯解析沙塵暴沙源地之結果相比較，發現三者之相關性甚高，兩種參考元素計算所推得之沙源地相似度高達88%，而逆軌跡與灰關聯相似度亦高達83%，逆軌跡與富集因子相似度則達75%，灰關聯與富集因子相似度亦達69%。整體而言，三項方法分析之沙源地有兩種方法以上得到相同沙源地者高達94%，三項方法解析之沙源地皆相同者比例亦達56%，由此可見三種分析方法皆具可參考性，可做為推斷沙塵暴沙源地之方法。

In recent years, the Asian dust storms occurred frequently. It was estimated that approximately eight hundred million metric tons of Asian dusts transported to the atmosphere yearly. During the dust storm period, Asian dusts not only induce poor air quality, but also reduce atmospheric visibility and influence human health.
In order to investigate the physicochemical characteristics and source allocation of Asian dusts, this study collect the Asian dusts in the Pescadores Islands during the years of 2002~2006. In addition, this study collected top soils in three regions of Inner Mongolia and resuspended the soil samples in a resuspension chamber to analyze their chemical composition. Moreover, this study applied enrichment factor analysis (EF) and grey relational analysis to allocate the potential sources of Asian dusts and compare them with the transportation routes obtained from backward trajectory.
During Asian dust storm periods, the concentration of atmospheric particulate matter (PM10) in the Pescadores Islands increased significantly, probably is 3~6 times of PM10 during non-dust storm periods. Among them, coarse particles (PM2.5-10) particularly rose from 10~30 μg/m3 to 80~130 μg/m3 and the size distribution changed from bi-modal distribution to single modal distribution of coarse particles during Asian dust storm periods.
This study further analyzed the chemical composition of Asian dusts, including water-soluble ionic species, carbon contents, and metallic contents. For fine particles (PM2.5), the order of water-soluble ionic species was SO42- > NH4+ > NO3- > Cl- > Ca2+ > Na+ > K+ > Mg2+ > F-. For coarse particles (PM2.5-10), the order of water-soluble ionic species was Cl- > SO42- > NO3- > Na+ > Ca2+ > NH4+ > Mg2+ > K+ > F-. The carbon contents distributes mainly in fine particles. The major contents of both fine and coarse particles were crustal elements (i.e. Al, Fe, Na, Mg, K, Ca, and Sr).
In addition to the analysis of physicochemical characteristics of Asian dusts, this study applied HYSPLIT MODEL to figure out their transportation routes by backward trajectory. According to the backward trajectories, this study compartmentalized Asian dusts storm transportation routes into three categories: Eastward Transportation and Retraced (ETR), Southeasterly Transportation and Circumrotated (STC), and Straight Southeasterly Transportation (SST). Analyzing the spatial and temporary background variables to investigate the influence of transportation routes on Asian dusts’ physicochemical characteristic. This study revealed that the physicochemical characteristics were very similar for same category of Asian dust storms, which can be used to allocate the source regions of Asian dust storms.
This study resuspended the soil samples collected in Inner Mongolia inside a resuspension chamber and collected the suspended particles (PM2.5, PM2.5-10) for chemical analysis. Chemical analysis results indicated that the fingerprints of chemical composition for different regions were similar but still distinguishable, which can be used to identify the source areas of Asian dusts. This study further compare and correlate the Asian dusts collected at the Pescadores Islands during Asian dust storm periods with the soils collected in Inner Mongolia chemically by enrichment factor and grey relational analysis.
This study further compared the source allocation of Asian dust storms obtained from enrichment factor, grey relational analysis, and backward trajectory and found the results of these three methods were quite similar. For enrichment factor analysis, 88% of similarity was obtained by using two separate reference elements (Al and Fe). The similarity of backward trajectory and grey relational analysis reached as high as 83%. Moreover, the backward trajectory and enrichment factor were similar up to 75%, while the grey relational analysis and enrichment factor were similar up to 69%.
Overall, two out of three aforementioned methods can effectively allocate the source regions of Asian dusts by 94%, while all three methods can successfully allocate the source regions of Asian dusts by 56%. Comparison of three aforementioned methods showed that they can be applied to allocate the source regions of Asian dusts.

目 錄
中文摘要……………………………………………………………. I
英文摘要…………………………………………………………….. III
目錄………………………………………………………….………. V
表目錄……………………………………………………….………. X
圖目錄……………………………………………………………….. XII
第一章 前言……………………………………………………..… 1-1
1.1 研究背景……………………………………………….…. 1-1
1.2 研究目的……………………………………………….…. 1-2
1.3 研究範圍及架構………………………………………….. 1.3
第二章 文獻回顧……………………………………………..…… 2-1
2.1懸浮微粒之來源及物化特性……..…………………….…. 2-1
2.1.1 懸浮微粒之來源……….…………………………. 2-1
2.1.2 懸浮微粒之生成機制 ………………………….…. 2-2
2.1.3 懸浮微粒之粒徑分佈…………………………….... 2-3
2.1.4懸浮微粒之化學成份………………………………. 2-4
2.1.4.1 水溶性離子成份…………………………... 2-6
2.1.4.2 碳成份……………………………………... 2-7
2.1.4.3 金屬元素成份……………………………... 2-9
2.2 亞洲沙塵暴之特性………………………………….….… 2-10
2.2.1 沙塵暴之定義………….…………………………... 2-10
2.2.2 沙塵暴之成因…………………………….………... 2-11
2.2.3 沙塵暴之特性……………………………………… 2-13
2.2.4 沙塵暴之影響……………………………………… 2-15
2.3沙塵暴之傳輸..…………………………………..………… 2-17
2.3.1亞洲沙塵暴之傳輸路徑……………………………. 2-17
2.3.2衛星影像圖(Artificial Satellite Photos)解析沙塵暴之傳輸……………………………………………… 2-18
2.3.3逆軌跡圖解析沙塵暴之傳輸……………………….. 2-20
2.4沙塵暴之源解析模式與應用……………………………… 2-21
2.4.1富集因子分析法(Enrichment Factor)………………. 2-21
2.4.2化學質量平衡受體模式(CMB Receptor Model)…... 2-23
2.4.3逆軌跡模式(Backward Trajectory)…………………. 2-25
2.4.4灰色理論模式(Gray System Theory)……………….. 2-26
第三章 研究方法……………………………………………….…. 3-1
3.1 採樣規劃…………………………………………….……. 3-1
3.1.1採樣地點規劃…………………………….……….… 3-1
3.1.2採樣時間規劃……………………………….……… 3-3
3.2 採樣方法…………………………………………….……. 3-3
3.2.1沙源地表土採樣方法…………………………..…… 3-3
3.2.2再懸浮室及噴粉設備……………………….………. 3-5
3.2.3高量採樣器………………………………….………. 3-6
3.2.4雙粒徑分道採樣器………………………….………. 3-7
3.2.5微孔均勻沉降衝擊器……………………….………. 3-10
3.3分析方法……….………………………………….……….. 3-11
3.3.1質量濃度分析………………………………….......... 3-12
3.3.2水溶性離子成份分析….…………………….…….... 3-13
3.3.3碳成份分析……………………………….…………. 3-14
3.3.4金屬元素成份分析……………………….…………. 3-15
3.4品保與品管作業流程……………………………..……. … 3-17
3.4.1採樣方法之品保與品管…………………..………… 3-17
3.4.1.1採樣地點選擇……………………………… 3-17
3.4.1.2採樣濾紙之選擇…………………………… 3-17
3.4.1.3採氣流量校正……………………………… 3-18
3.4.1.4採樣程序…………………………………… 3-19
3.4.1.5採樣濾紙之攜帶與保存…………………… 3-20
3.4.2分析方法之品保與品管…………………..………… 3-20
3.4.2.1質量濃度分析……………………………… 3-20
3.4.2.2化學成份分析……………………………… 3-21
3.5沙源地解析方法……………….…………………….. …… 3-24
3.5.1沙源地化學指紋特徵分析…………………..…….... 3-24
3.5.2富集因子分析…………………….……….……..….. 3-24
3.5.3逆軌跡模式分析……………………………..……… 3-25
3.5.4灰關聯分析………………………………..………… 3-26
第四章 結果與討論……………………………………..………… 4-1
4.1沙源地樣本之分析與探討……….…………...…………… 4-1
4.1.1粗細微粒比值(PM2.5-10/PM2.5)……………………… 4-2
4.1.2水溶性離子成份分析探討………………..…….…... 4-2
4.1.3碳成份分析探討………………………………..…… 4-9
4.1.4金屬元素成份分析探討…………………………….. 4-12
4.2沙塵暴期間懸浮微粒物化特性探討…………………..….. 4-17
4.2.1懸浮微粒質量濃度變化分析………………………. 4-17
4.2.2水溶性離子成份分析探討……………………….…. 4-20
4.2.3碳成份分析探討…………………………………….. 4-30
4.2.4金屬元素成份分析探討…………………………….. 4-34
4.3懸浮微粒之傳輸路徑及機制探討………………………… 4-49
4.3.1氣候背景對沙塵暴傳輸路徑探討……………….… 4-49
4.3.2沙塵暴之源地及傳輸來台路徑之探討……………. 4-51
4.3.2.1東方折返型傳輸路徑……………………… 4-51
4.3.2.2東南迴轉型傳輸路徑……………………… 4-52
4.3.2.3東南直傳型傳輸路徑……………………… 4-53
4.3.3傳輸路徑與化學成份之相關性分析……………….. 4-62
4.4沙塵暴之可能沙源地解析………………………………… 4-64
4.4.1以逆軌跡法解析沙塵暴之沙源地…………….…… 4-64
4.4.2以富集因子解析沙塵暴之沙源地…………………. 4-66
4.4.3以灰關聯分析解析沙塵暴之沙源地……….……… 4-81
4.4.4三種沙塵暴沙源地解析方式之異同性比較….…… 4-83
4.4.5沙塵暴及其沙源地解析結果之討論及比較……….. 4-91
第五章 結論與建議………………………...……….…………….. 5-1
5.1結論………………………………………………..……….. 5-1
5.2建議…………………………………………………..…….. 5-4
參考文獻……………………………………………………..……… R-1
附錄A澎湖地區懸浮微粒之質量濃度分析……………………….. A-1
附錄B澎湖地區PM2.5之水溶性離子成份濃度表………………… B-1
附錄C澎湖地區PM10之水溶性離子成份濃度表…………..……... C-1
附錄D澎湖地區PM2.5、PM10之碳成份成份濃度表………….……. D-1
附錄E澎湖地區PM2.5之金屬成份成份濃度表…………………… E-1
附錄F澎湖地區PM10之金屬成份成份濃度表…………………… F-1
附錄G沙源區採樣地理位置及再懸浮微粒質量濃度分析表…….. G-1
附錄H沙源區再懸浮微粒之水溶性離子成份濃度表…………… H-1
附錄I沙源區再懸浮微粒之碳成份成份濃度表…………………. I-1
附錄J沙源區再懸浮微粒之金屬成份成份濃度表………………. J-1
附錄K統計軟體數據資料………………………………………… K-1

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