中国大气细颗粒物的污染特征

SO2
NOx
VOC
NH3
BC
全球PM2.5浓度分布: 2001-2006
van Donkelaar et al., Environmental Health Perspectives 2010 /topics/earth/features/health-sapping.html
Frequency
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
Chemosphere 2005; Wang et al., 2003, Atmos. Environ.
北京PM2.5中的WSOC
Atmos. Chem. Phys., 2011, 11, 5207-5219
北京PM2.5 化学组成的季节/年际变化
100% 90% 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Fractions in identified PM 2.5 mass
Significant increases of primary emissions of aerosols in East of China during 1990-2005
Lei et al.，ACP, 2011
Air pollutants mainly concentrate in the city-clusters
WSOC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。
北京WSOC的吸收效 率 (0.7~1.8 m2/g) 远高于美国的观测结 果 (0.3~0.7 m2/g)。
Atmos. Environ., 2011, 2060-2066. Atmos. Chem. Phys., 2011, 11479-11510.
300
0 0
系列2 SOA 系列2 颗粒物和气溶胶 系列1 系列1
1600
Claeys 等 Kalberer 等
1200
颗粒物和气溶胶
200 800 100 400
SO A
0 0
Meskhidze和 Nenes
Robinson 等 Paulot 等 Jimenez等
Science， 2006
Science， 2007 Science， 2009
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
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
PM2.5：来源、形成与影响
大气化学反应
健康
NO hv
1月
7月
10 m/s
地面风场
北京PM2.5 /PM10浓度及其比值的年际变化：2000-2008
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
CGZ PM2.5/PM10 TH PM10 MY
1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00
刊物 Science， 1997 Nature， 2000
00 00
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。
颗粒物和气溶胶 颗粒物和气溶胶
Odum 等 Lewis 等 Jang 等
00 00
Science， 2002
Science， 2004 Science， 2004
PM2.5 /PM10浓度比 PM2.5/PM10
中纬度地PM2.5浓度周期性变化规律
锯齿形污染过程 基本特征
700 600 500
化学组成
800
定量新方法
500 400
PM2.5 （μg m-3）
I
II
III
IV
V
600
浓度( μg m-3)
400 300 200 100 0 312
PM2.5 PM10
北京PM2.5中的SOA
30
; October
人为源
天然源
Frequency
15 10 5 0 1 2 3 OC/EC
30
4
5
6
OC/EC冬季
25 20
November
15 10 5 0 1 2 3 OC/EC 4 5 6
VOC（人为） + VOC （天然）+ OH --->Orgainic PM SOA
富 NH 富NH44+
+
重庆
Y=0.65X+9.9 R =0.70
2
高酸度
低酸度
-
高酸度
低酸度
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
(NH4+)Excess/ nmol m-3
Atmos. Chem. Phys. 2009: 5131-5153，2010: 2615-2630； Sci.Total Environ. 2006：264-275
中国PM2.5 /PM10浓度水平
100 µg/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。
浓度（ μg m-3）
SNA SNA
PM10 PM10
日变化 日变化： 局地 局地
H
K
300 I
400
200 G 100 F E 0 B 46 15
200
周变化： 周变化区域 区域
0
315 318 321 324 327 330 333 336 339
J 50 19 51 20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
污 染 源 排 放
RO2, HO2 VOCs
OH
NO2 O3 SO2 H2SO4
H2O2
灰霾
N2O5
HNO3 NO3一次颗粒物
…
NH 3
二次有机颗粒物
酸雨
SO4 NH4
+
2
SOA
气候
二次无机颗粒物
(如BC）
SNA
棕色云
China has abundant emissions of the primary air pollutants in the global scale
11
DOY（2003年）
日期（2004年10月）
45 14
A
C D 47 16
48 17
49 18
日期（2004年2月）
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
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。
3 Concentrations (µ m-3 ) g/m 浓度 (µ ) g
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Year 年度 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
80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
S F 春 F S F 春 秋 春 F S F S F S F S F S F 春 秋 S 秋 春 秋 S F S 秋 春 秋 春 秋 春 秋 春 秋 春 秋
EC 有机物 OM Cl K 微量元素 Trace 矿物组分 Crustal 矿物尘 NH4+ NH4+ NO3 NO3SO42SO42-
PM10 WHO PM2.5
2001-1-29 2001-6-28 2001-11-8 2002-2-22 2002-5-30 2002-9-12 2003-4-11 2004-3-12 2004-6-18 2004-10-1 2005-4-15 2005-7-22 2006-3-31 2007-1-19 2007-4-27 2007-11-9 2008-2-15 2008-5-23 1999-12-30 2000-10-19 2002-12-20 2003-11-15 2005-11-18 2006-10-13 2008-8-29 2000-4-6 2003-8-8 2005-1-7 2006-7-7 2007-8-3
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。
Atmos. Chem. Phys., 2011, 11, 5207-5219
北京PM2.5中SO42-/NO3-变化特征
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。
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
Robinson et al, 2007, Science
环 境 观 测
Volkamer et al, 2006, GRL
作者
研究对象 人为源SOA生成机制 SOA前体物识别 酸度对SOA形成的促进作用 天然源SOA生成机制 SOA化学组份（polymers）识别 SOA对CCN的影响 SOA观测值与模拟值的显著差距 天然源SOA生成路径 基于AMS的SOA观测 天然源SOA对CCN的贡献 SOA生成新机制
大部分城市的PM2.5 浓度超过WHO-IT1
北方城市
南方城市
Trends of the visibility in the past 50 years
Zhang, X. Y et al., 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
二次有机颗粒物 vs. 一次有机颗粒物
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
Zhang et al, GRL, 2007
SOA形成机制的研究刚刚起步
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SOA Docherty et al., 2008, ES&T
采样(起始)日期 (年-月-日)
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10.3~336 µ 3 ；清华和 g/m 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±33.37 µ 3 。 g/m 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。
中国PM2.5 浓度水平空间分布特征
北京PM2.5 周均浓度的时间序列变化:1999-2008
400 350
1999
2000
TH CGZ CP MY
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
PM2.5 浓度 (µg/m3)
300 250 200 150 100 50 0
1999-9-24 2000-7-13
0 2000 2002 2004 2006 2008 2010
0
Science， 2009
Science， 2010 Nature， 2010
Pöschl 等 Virtanen 等 de Gouw 等
统计范围：ACP、JGR、EST、AE、GRL
AE, ACP, under review
SNA vs. NH3
500 450 400 350
-3
江北 大渡口 北碚 清华 密云 贫 贫NH4+NH4
+
1:1
北京
Y=0.95X+4.9 R =0.70
2
PM2.5含水量
NO 3 / nmol m
300 250 200 150 100 50 0 -400
J. Geophy.Res.-Atmosphere, 2008: D21309, 2009: D09212
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
PM2.5 speciation across China
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。