京津冀地区霾污染过程大气PM2

-1-京津冀地区霾污染过程大气PM2.5及前体物变化特征研究摘要：近年来京津冀频发的重霾污染过程警示着人们，该地区大气污染进入了一个新的历史阶段。然而，与国外研究相比，国内关于霾的研究仍显不足。因此，开展京津冀地区大气霾污染及气态污染物特征的观测研究有助于对该地区污染现状的认知，对于治理这一区域的霾污染具有重要意义。本文使用美国热电公司生产的系列环境监测仪器对北京、天津两大超级城市及河北兴隆大气本底区域观测站的大气PM2.5及前体物(SO2、NOX、O3)浓度进行了为期一年的观测研究，结果表明:(1)2012年北京和天津出现霾污染天的次数分别达99和84次;霾天分布冬季秋季夏季春季;霾污染主要表现在PM2.5等细粒子污染。大气中PM2.5浓度变化表现出秋冬季高，春夏季低的变化趋势;日变化呈早晚双峰型，冬季变化幅度最大。2012年北京大气PM2.5超标169天，.年均值为83ug/m3;天津大气PM2.5超标111天，年均值为66ug/m3;兴隆大气PM2.5超标54天，年均值为36ug/m3.。(3)北京、天津和兴隆的一次污染物NOX和SO2与PM2.5具有相似的季节变化和日变化。2012年，三个监测站大气NO、节变化和日变化。2012年，三个监测站大气NOX年均值分别为104ug/m3,83ug/m3和18ug/m3;SO2年均值分别为21ug/m3,61ug/m3和26ug/m3;二次污染物O3日变化为单峰型，小时均值最大值分别为266ug/m3,257ug/m3和336ug/m3，出现在夏季午后15:00左右。(4)PM2.5的浓度与气体污染物浓度存在密切关系，夏季PM2.5与O3的相关系数高，表明活跃的光化学反应是造成这个时期霾天的主要原因;冬季PM2.5与SO2、NOX的相关系数非常高，表明冬季的霾天与化石燃料使用量的增加密切相关。(5)高相对湿度和静风天气是造成京津冀地区霾污染形成的主要客观条件，而大风和降水对该地区大气污染起到很好的清除作用。(6)后向轨迹聚类分析结果发现:到达京津冀地区的气团主要可以分来自内蒙古西北高空方向气团;来自西南方向的气团和局地输送气团三类。影响京津冀地区霾污染形成的气团主要是西南方向和局地输送气团，而西北气团则能对该地区的污染物起到很好的清除作用。关键词：京津冀地区，霾污染，颗粒物，气体前体物，后向轨迹，气象条件CharacteristicsofPM2.5anditsprecursorpollutantsduringhazepollutioninBeijing-Tianjin-HebeiRegionAbstract：Inrecentyears,heavyhazepollutionhappenedinBeijing-Tianjin-Hebeiregionremindpeoplethatatmosphericpollutioninthisregionhasenteredanewera.However,comparedwithabroad,researchonhaze-2-pollutioninChinaisstillinsufficient,andmuchmoreresearchisneeded.Therefore,studyabouthazepollution.andcharacteristicsofgaseouspollutantsiscontributetocognitiveaboutthepresentsituationofpollutioninthisregion,andhavegreatsignificancetocontrolhazepollutioninthisarea.Inordertostudytherelationshipbetweenhazepollutionanditsgaseousprecursorinthisregion,continuousmeasurementsofNOX，03,S02andPM2.5wereconductedduring2012.Theresultsshowasfollow:(1)In2012,hazepollutionappeared99and84timesinBeijingTianjin,respectively.Anditmostlyappearedinwinterandfall.PM2.5wasthemainpollutantduringhazedays.(2)PM2.5washighinfallandwinter,lowinspringandsummer.ThediurnalvariationofPM2.5peakinginthemorningandeveningwiththelargestdiurnalamplitudeinwinter.PM2.5accountedfor60%to80%ofPM10inhazedays,whichmeansfineparticleisthemainpollutant.In2012,PM2.5inBeijing,TianjinandXinglongexceedtheClassIIstandardfor169,111and54days;andtheirannualaverageconcentrationswere83ug/m3,66ug/m3and36ug/m3,respectively.ItshowedthatanthropogenicemisionswerethemainsourcesofPM2.5inBeijingandTianjin.(3)NOxandSO2performedsimilarseasonalanddiurnalvariationsasPM2.5.AnnualaverageconcentrationofN02inBeijing,TianjinandXinglongwere104ug/m3,83ug/m3and18ug/m3.AnnualaverageconcentrationofSO2inBeijing,TianjinandXinglongare21ug/m3,61ug/m3and26ug/m3.Seasonalanddiurnalvariationsof03weresimilaratthreesites,themaximumhourlyconcentrationof03appearedinsummerafternoonaround15:00,theywere66ug/m3,257ug/m3and336ug/m3inBeijing,TianjinandXinglong.(4)TherewasacloserelationshipbetweenPM2.5andgaspollutants.ThecorrelationcoefficientofPM2.5to03insummerwashigherthanothers,indicatedthatactivephotochemicalreactionwasthemaincause.ThecorrelationcoefficientsofPM2.5toNOX,S02inwinteralsowereveryhigh,indicatedthathazedaysinwinterwerecloselyrelatedtotheincreaseofburningfossilfuels.(5)MeteorologicalconditionsplayedanimportantroleintheconcentrationofPM2.5anditsgaseousprecursors.Thehazepollutioneasilyhappenedindayswithhighrelativehumidityandlowwindspeed,whilehighwindspeedandrainconducedtoremoveairpollutants.(6)ThecontributionofatmosphericpollutantsinsurroundingareastofineparticlesinBeijing-Tianjin-HebeiregionwasinvestigatedbyusingclusteranalysiswithHysplit-4model.TheresultsshowedthattheairmassarrivinginBeijing-Tianjin-Hebeiregionmainlycanbedividedintothreeparts:airmassfromthenorthwestofInnerMongoliahighaltitude,airmassfromthesouthwestandlocaltransport.ThefirstoneconducedtotheremovalofpollutantsinBeijing-Tianjin-Hebeiregion,whiletheotherswerefavoroftheformationofhaze-3-pollution.KeyWords:Beijing-Tianjin-Hebeiregion,hazepollution,particle,precursorgaspollutants,backwardtrajectory,Meteorologicalconditions1前言京津冀地处东北亚核心地理位置，千百年来一直是区域政治、文化中心。近30年来，随着经济的快速发展，越来越受到国内外的瞩目。然而，随着该地区城市膨胀、工业繁荣和人口增长，建筑面积不断增加，机动车保有量一路攀升，随之而来的则是难以治理的大气污染。伴随着机动车保有量的不断上升，能源结构由过去单一以煤为主转变为以化石燃料为主，城市大气污染情况变得越来越严重。工业革命以后，快速的经济、城市、工业和交通发展离不开对化石燃料的需求，而不断增加化石燃料的燃烧、汽车尾气的排放和垃圾焚烧等直接排放的颗粒污染物以及气态污染物在不利气象条件下通过光化学反应的气一粒转化产生的二次颗粒污染物与日俱增，导致霾污染天气出现频繁，成为了目前该地区常见的灾害性天气。历史记录显示，目前我国存在四个霾污染严重地区:京津冀地区，长江三角洲地区，珠江三角地区和四川盆地。岳捷等人利用OMI卫星分析了1996年一2008年中国不同地区对流层中NO2的垂直柱浓度变化，发现对流层NO2浓度近年来一直在不断上升;Xu等人利用MODI5监测了中国华北地区的55Onm气溶胶厚度(AOD)、地面CO、边界层SO2和对流层N02浓度的分布，浓度数据显示京津冀区域是集中的污染高值区之一，该地区污染的区域性和严重性已不容忽视。北京及周边区域的霾污染也明显增加，日渐频繁的霾污染不仅给首都北京造成巨大的经济损失，严重危害着居民的健康生活，而且给首都的国际形象带来了极大的负面影响。国内外研究表明，霾的组成成分复杂，主要由大气中数百种高浓度的细颗粒物(包括PMT和PM2.5)组成。大量研究己表明可吸入颗粒物对人体的健康存在巨大的危害，尤其是粒径越小的颗粒物，危害越大。可吸入颗粒物的危害主要是通过呼吸沉积在人体的呼吸系统中，沉降在呼吸道内的颗粒物对人体的危害可分为物理性、化学性和生物性三种，其中对人体危害最大是生物性的，即颗粒物所携带的各种微生物如细菌、真菌、病毒能对人体健康造成严重的影响，相关统计资料表明高浓度的细粒子污染与呼吸道发病率和心肺疾病死亡率有很大的关系。有研究表明霾污染大气能见度下降的主要原因是大气中高浓度的PM2.5导致的,Kyung等人研究发现，细粒子之所以对能见度起到控制作用是因为它的粒径大小和可见光的波长相近，因此，PM2.5与大气的能见度有密切关系，PM2.5可以在空气中长期悬浮，在酸雨形成和大气辐射平衡中起着举足轻重的作用。此外，PM2.5还可被输送到对流层的中层形成深厚的气溶胶层，在稳定天气下形成城市区域气溶胶“盖”，它还能水平传输上万公里。在传输过程中PM