中国大气细颗粒物的污染特征

贺克斌杨复沫段凤魁程远张强赵晴杜祯宇郑光洁马永亮清华大学环境学院第18届大气环境科学与技术大会2011.12.04杭州中国大气细颗粒物的污染特征提纲一、背景二、PM2.5浓度的时空变化三、PM2.5的化学组成特征四、政策启示一、背景二、PM2.5浓度的时空变化三、PM2.5的化学组成特征四、政策启示PM2.5：来源、形成与影响气候棕色云酸雨灰霾健康NO2NOHNO3OHRO2,HO2VOCsSO2H2SO4H2O2O3N2O5hvNH4+NO3-2SO4-NH3大气化学反应二次无机颗粒物SNA污染源排放二次有机颗粒物SOA…一次颗粒物(如BC）NH3BCNOxSO2VOCChinahasabundantemissionsoftheprimaryairpollutantsintheglobalscale全球PM2.5浓度分布:2001-2006vanDonkelaaretal.,EnvironmentalHealthPerspectives2010大部分城市的PM2.5浓度超过WHO-IT1北方城市南方城市Trendsofthevisibilityinthepast50yearsZhang,X.Yetal.,ACPD,2011中国城市灰霾天数提纲一、背景二、PM2.5浓度的时空变化三、PM2.5的化学组成特征四、政策启示Leietal.，ACP,2011SignificantincreasesofprimaryemissionsofaerosolsinEastofChinaduring1990-2005Airpollutantsmainlyconcentrateinthecity-clusters中国PM2.5/PM10浓度水平100µg/m3PM2.5浓度随地理位置变化较大，通常北方高于南方地区，西部高于东部；在各区域冬季浓度通常较高。PM2.5浓度普遍处于较高的水平，在一些城市甚至超过了PM10的年均浓度标准。在远离人为活动的森林和沿海地区PM2.5浓度相对较低。中国PM2.5浓度水平空间分布特征0501001502002503003504001999-9-241999-12-302000-4-62000-7-132000-10-192001-1-292001-6-282001-11-82002-2-222002-5-302002-9-122002-12-202003-4-112003-8-82003-11-152004-3-122004-6-182004-10-12005-1-72005-4-152005-7-222005-11-182006-3-312006-7-72006-10-132007-1-192007-4-272007-8-32007-11-92008-2-152008-5-232008-8-29采样(起始)日期(年-月-日)PM2.5浓度(µg/m3)THCGZCPMY199920012002200320042005200620072000200810m/sWHOPM2.5PM10北京PM2.5周均浓度的时间序列变化:1999-2008地面风场1月7月各观测点PM2.5的周均浓度均呈现较大幅度的波动，变化范围10.3~336µg/m3；清华和密云的峰谷浓度分别相差18和28倍，其平均值分别为116±50.7和68.9±33.37µg/m3。冬季PM2.5周均浓度及周际变化显著高于其它季节，春末至初秋其浓度及周际变化幅度较小；与季节性变化的源排放和气象有关。020406080100120140160180200020012002200320042005200620072008年度浓度(µg/m3)0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00PM2.5/PM10浓度比CGZTHMYPM2.5/PM10PM10Concentrations(µgm-3)PM2.5/PM10YearPM2.5/PM10浓度的上升表明细粒子在可吸入颗粒物中的贡献在增加细粒子的富集反映北京颗粒物污染的区域性与复合型特征在增强北京PM2.5/PM10浓度及其比值的年际变化：2000-2008中纬度地PM2.5浓度周期性变化规律02004006008001234567891011日期（2004年10月）浓度（μgm-3）SNAPM10010020030040050045464748495051日期（2004年2月）PM2.5（μgm-3）日变化：局地周变化：区域AEDCBJIHGF14151617181920K锯齿形污染过程基本特征化学组成定量新方法为期一周、慢升突降二次无机成分是锯齿型基线的主导成分区域源贡献0100200300400500600700312315318321324327330333336339DOY浓度(μgm-3)PM2.5PM10IIIIIIIVV（2003年）0100200300400500600700312315318321324327330333336339DOY浓度(μgm-3)PM2.5PM10IIIIIIIVV（2003年）发现中纬度地区大气颗粒物质量浓度变化的周期性规律；提出大气颗粒物“锯齿形污染过程”新概念，锯齿型基线是二次无机成分建立基于积分面积比的定量识别区域来源的新方法。J.Geophy.Res.-Atmosphere,2008:D21309,2009:D09212SNAPM10日变化局地周变化区域提纲一、背景二、PM2.5浓度的时空变化三、PM2.5的化学组成特征四、政策启示PM2.5speciationacrossChinaAtmos.Chem.Phys.,2011,11,5207-5219有机物是中国PM2.5中的重要化学物种；SNA是中国东部地区PM2.5中最主要的化学物种；土壤尘的高含量是中国PM2.5的一个特征，在受沙尘影响的地区和季节尤甚。Atmos.Chem.Phys.,2011,11,5207-5219北京PM2.5化学组成的季节/年际变化0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋FractionsinidentifiedPM2.5massEC有机物ClK微量元素矿物组分NH4+NO3-SO42-199920002001200220032004200520072008NH4+NO3-SO42-矿物尘2006OMTraceCrustalSFSFSFSFSFSFSFSFSFSFSNA与EC在北京PM2.5中的份额在持续增加；其消光效率最高，因而对能见度降低的贡献相应在增加。过去10年间，北京PM2.5中硝酸盐与硫酸盐的浓度比迅速增加。NOx与SO2的排放量比值、降水中二者的比值也表现出一致的规律。AE,ACP,underreview北京PM2.5中SO42-/NO3-变化特征SNAvs.NH3Atmos.Chem.Phys.2009:5131-5153，2010:2615-2630；Sci.TotalEnviron.2006：264-275PM2.5含水量-400-300-200-1000100200300400500050100150200250300350400450500重庆Y=0.65X+9.9R2=0.70富NH4+江北大渡口北碚清华密云NO3-/nmolm-3(NH4+)Excess/nmolm-31:1贫NH4+北京Y=0.95X+4.9R2=0.70贫NH4+富NH4+高酸度低酸度高酸度低酸度Chemosphere2005;Wangetal.,2003,Atmos.Environ.SOA/OA：冬季高达~40%；冬季天然源排放和温湿度等因素均不利于SOA生成，北方冬季如此高比例的SOA说明人为源排放的前体物已形成相当大的反应驱动力人为源天然源051015202530123456OC/ECFrequencyNovember051015202530123456OC/ECFrequencySeptember&OctoberOC/EC秋季OC/EC冬季北京PM2.5中的SOAVOC（人为）+VOC（天然）+OH---OrgainicPMSOA北京PM2.5中的WSOCWSOC与估算的SOA表现出较强的相关性，说明WSOC的来源以二次为主。WSOC的吸收光谱呈现棕色碳的特征。Atmos.Environ.,2011,2060-2066.Atmos.Chem.Phys.,2011,11479-11510.北京WSOC的吸收效率(0.7~1.8m2/g)远高于美国的观测结果(0.3~0.7m2/g)。全球不同地区的观测都发现大气颗粒物中二次有机组分远高于一次有机组分Zhangetal,GRL,2007二次有机颗粒物vs.一次有机颗粒物有机气溶胶的模拟值和观测值还有数量级的差别烟雾箱模拟Volkameretal,2006,GRLRobinsonetal,2007,Science环境观测SOA的估算方法都还存在局限性，不同方法的估算结果尚有较大差距（1）OC/EC比值法结果受OC、EC测定方法的影响大，难以确定一次排放源OC/EC特征比值（2）WSOC法难以扣除生物质燃烧对WSOC的贡献（3）CMB源解析模型结果受源谱选取的影响大（4）AMS法OOA实际上仅代表含氧的有机颗粒物，并不完全等同于SOADochertyetal.,2008,ES&TSOA形成机制的研究刚刚起步010020030040020002001200220032004200520062007200820092010SOA、棕色碳和生物质燃烧040080012001600颗粒物和气溶胶系列2系列1SOA010020030040020002001200220032004200520062007200820092010SOA、棕色碳和生物质燃烧040080012001600颗粒物和气溶胶系列2系列1颗粒物和气溶胶统计范围：ACP、JGR、EST、AE、GRL作者研究对象刊物Odum等人为源SOA生成机制Science，1997Lewis等SOA前体物识别Nature，2000Jang等酸度对SOA形成的促进作用Science，2002Claeys等天然源SOA生成机制Science，2004Kalberer等SOA化学组份（polymers）识别Science，2004Meskhidze和NenesSOA对CCN的影响Science，2006Robinson等SOA观测值与模拟值的显著差距Science，2007Paulot等天然源SOA生成路径Science，2009Jimenez等基于AMS的SOA观测Science，2009Pöschl等天然源SOA对CCN的贡献Science，2010Virtanen等SOA生成新机制Nature，2010deGouw等低挥发性VOCs对SOA生成的贡献Science，20110100200300200020022004200620082010SOA040080012001600颗粒物和气溶胶SOA的研究日趋活跃，其观测手段不断进步，对其前体物和生成路径的认识也不断深入。提纲一、背景二、PM2.5浓度的时空变化三、PM2.5的化学组成特征四、政策启示US:CAIREurope:CAFEThreeRegions+Ninecity-clustersRAQM:fromEU/UStoChina总量控制S与N在减少酸沉降的同时，有利于削减灰霾污染，在北方夏季尤为显著；政策启示102550751001251501752002256.247.17.87.157.227.298.58.128.198.269.29.99.169.239.30PM2.5浓度(µg/m3)密云清华白洋淀商都奥运前后北京城区、郊区及河北、