我国大气污染特征与PM2.5 源解析

Days (Su时m间mer of 1999)
1999年夏季能见度和PM2.5质量浓度趋势图
Visibility has drastically reduced in China
Zhang X Y et al., Atmos. Chem. Phys., 12, 779–799,
Complex air pollution causes haze around 100 days in BTH, YRD and PRD regions
In Beijing PM2.5/PM10=1/10，PM2.5 reached to 1mg/m3, PM2.5 ranged 66-120μg/m3
Blue line China NAQS Green line PM10 hourly mass concentration
3/
3/
3/
27
28
29
70
250
60
能V见is度ibility
200
细P粒M子2质Biblioteka 5量浓度50150 40
Visi能bil见it度y（km） 质M量P2浓.5度（ug/m3）
30 100
20 50
10
0
0
99-6-20 99-6-21 99-6-22 99-6-23 99-6-24 99-6-25 99-6-26 99-6-27 99-6-28 99-6-29
2006
2013
Acid rain area of 30% to 10%
pH was still less than 4.5
Acid rain occurred in some Northern cities
Mainly caused by sulfuric acid, but also
Anti-correlation between PM2.5 and visibility
North America
Europe (EMEP) Asia (EANET)
Global distribution of annual SO42- wet deposition in 2000 (Dentener et al., 2006)
1998年1月国务院批复两控区划分方案
两控区：酸雨控制区：降雨pH值≤4.5；SO2污染控制区：近 三年年均SO2浓度超过国家二级标准。 两控区总面积约为109万Km2，占国土面积11.4%，酸雨控制 区80万Km2，占8.4%，SO2污染控制区29万Km2，占3%。 两控区控制目标：
– SOA/SOC二次有机物：VOCs的二次转化 • VOCs又分为生物源和人为源 • VOCs种类繁多，来源复杂
Hazardous 301-500
Pollution episode in the BTH region on Feb 15, 2015
PM2.5 and PM10in Beijing over 300 μg/m3 and 350 μg/m3, PM2.5/PM10=86%
Dust Storm covered North China and YRD on March 28, 2015
15:00
18:00
21:00
24:00
Beijing Time
O3 concentrations in Beijing area
（June 21 –July 3, 2000）
0.5
定陵
车公庄
前门
东四六条
0.4
天坛
奥体中心
农展馆
石景山
0.3
望京
东坝
市委党校
玉泉路
CA采A育QS
0.2
1h Ave.
8h Ave.
我国大气污染特征与
PM2.5 源解析
胡敏
北京大学环境科学与工程学院
Haze day on January 13, 2013
污染范围广、持续时间长、 污染程度严重、污染物浓 度累积迅速等特点，污染 过程中首要污染物PM2.5
PM2.5 和O3在全球的高值区
卫星反演 PM2.5浓度分布
Van Donkelaar et al. (2010)
Precursor emissions disperse in the atmosphere, convert into secondary particles
through complex atmospheric chemical reactions, then travel long distances to
Top 10 best and worst cities in 74 cities of China in 2013-2014
Air quality for 3 key regions in 2013－2014
• CO日均值第95百分位浓度；O3日最大8小时均值第90百分位浓度； 其他均为年均浓度
2014年第二阶段监测实施城市，地级及以上 城市161个，87个新增
161个城市中，145个城市空气质量超标，占 90.1%；16个城市空气质量达标（好于国家二 级标准），占9.9%；舟山、福州、深圳、珠 海、惠州、海口、昆明、拉萨、泉州、湛江 、汕尾、云浮、北海、三亚、曲靖和玉溪
Number of Cities exceeding the NAQS for 3 key regions in 2013－2014
2002年国务院批复“两控区酸雨和SO2污染防治“十五”计划”国函［2002］84号
1998
In 2006 the region with over 5% occurrence frequency of acid rain accounted for 32.6% of China land area
24h variation of NO2, O3, PM2.5, PM10 at Haidianwanliu close to PKU
2014年新标准第一、二阶段监测实施 城市各指标不同浓度区间城市比例
Air Quality
2012年2月29日颁布新标准
2013年第一阶段监测实施城市，地级及以上 城市74个
挥发性有机物VOCs组分、来源、化学反应复杂 Ozone (O3)
SOA
烷烃
NOx OH
O3 NOx
烯烃
HO2
芳香烃
羰基化合物
OH NOx
活 性 组 分
NOx
汽车尾气
涂料
燃煤 油品挥发
清洗
生物质燃烧 天然源
PM2.5化学组成特征
颗粒有机物成为重要的组成部分
– POA/POC/POM一次有机物：一次来源，主要是各种 燃烧过程
沉降
烟 雾
光 化 学
灰雾 霾
酸 雨
多种污染物以高浓度同时存在 形成机制复杂、过程呈非线性 区域性成为大气污染的显著特征
Elevated O3 concentration, enhanced atmospheric oxidizing capacity
300
Apr-June,1982 (ZGC)
250
15 17 19 21 23 01 03 05 07 09 1112 14 16 18 20 22 24 02 04 06 08 10 12
Dream came true on June 11, 2015
Dream came true on June 11, 2015
2 week Beijing AQI & 24h variation of SO2, CO at Haidianwanliu close to PKU
PM2.5
臭氧（O3）
模拟O3浓度分布
Lelieveld, J., and F. J. Dentener (2000)
大气复合污染特征
细粒子，O3 上风向输送
天然源
大气氧化剂
(O3, OH)
多相反应
hv
HC、 NOx
SO2, NOx等
细粒子
(SO42-,NO3-)
PM10、 PM2.5
通
人为源
量
更高浓度的细 粒子，O3 输送，影响
0.1
O3, mg/m3
0.0 00-6-21
00-6-23
00-6-25
00-6-27 00-6-29
Da日y期s
00-7-1
00-7-3
History Trend of O3 in the PRD
过去15年间， 香港的大气氧 化剂水平快速 上升
O3: 1ppb/yr
Three major acid rain regions in the world
June,1987(city average)
June,1993(ZGC)
200
June,1997(ZGC)
June,2000(ZGC)
150
Aug 10-24,2003(Olympic
site)
100
CAAQS 1h Ave.
8h Ave.
O3, ug/m3
50
0
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
+
挥发性碳氢 化合物
VOC
臭氧 O3
OH自由基 OH radicals
Photochemical Smog
Haze, Human Health, Climate Change
二氧化硫 SO2
氮氧化物 NOx
有机物 VOC
细颗粒物 Fine
Particle
H2SO4, SO42-
HNO3, NO3-
Acid Rain
http://113.108.142.147:20035/emcpublish/
AQI categories
Good 0-50
Moderate 51-100
Unhealthy for Sensitive Groups 101-150
Unhealthy 151-200
Very Unhealthy 201-300
Primary emissions and Secondary formation
Natural vs Anthropogenic; Primary vs Secondary; Local vs Regional
SO2
NOx PM2.5/PM10 VOCs
O3 PM2.5
颗粒物二次化学转化与输送
deposit in remote areas far from their source.
16
重污染来源分析-区域内传输
由北向南：嘉兴-舟山-宁波-温岭
Urban air quality release platform
2013年1月1日，74个城市按空气质 量新标准开展监测并实时发布6项基 本项目的实时监测数据和AQI指数等 信息。
30 C和50 C除湿条件下PM2.5质量浓度，两者差值主要是硝酸盐等挥发造成的
强氧化性下二次转化迅速
Total=55.0 g m-3
1.8%
14.9% 17.8%
41.3%
24.2%
Total=104.2 g m-3
1.9%
15.1% 18.9%
40.7%
23.5%
Total=128.8 g m-3
• 单位：除CO为mg/m3外，其他为 μg/m3
2014年新标准第一阶段监测实施城市 平均浓度和达标城市比例年际比较
2014年降水中主要离子当量浓度 比年际比较
2014年全国降水pH年均值等值线 分布
光化学烟雾-强氧化性（高O3和NO2）
PM2.5重污染过程颗粒物散射和吸收造成能见度下降
到2000年，排放SO2工业污染源达标排放，并实行SO2排放 总量控制；有关直辖市、省会城市、经济特区城市、沿海开
放城市及重点旅游城市SO2浓度达到国家环境质量标准，酸 雨控制区酸雨恶化的趋势得到缓解。
到2010年，SO2排放总量控制在2000年排放水平以内；城市 环境空气SO2浓度达到国家环境质量标准，酸雨控制区降水 pH值小于4.5的面积比2000年有明显减少。
1.5%
15.4% 17.0%
39.7%
26.4%
Total=5.1 g m-3
5.2% 2.4%
7.9% 7.6%
76.9%
Total=7.7 g m-3
1.7%
8.6%
11.6%
12.7%
65.4%
我国环境空气质量标准
PM2.5主要化学组成及其来源
一次源排放
各种尘（沙尘、风扬尘、建筑、道路） 地壳元素
各种燃烧过程和工业过程等
金属元素
碳黑/黑碳/元素碳
BC/EC
碳 质
二次转化
一次有机物
POA
OM
气
颗粒
溶
有机
胶
VOCs 二次有机颗粒物
SOA 物
SO2 NOx NH3
硫酸盐颗粒物 硝酸盐颗粒物 铵盐颗粒物
SO42-, Sulfate
SNA
NO3-, Nitrate
二次 无机
NH4+, Ammonium 离子
中国气象局基于能见度的观测结果表明，2013年全国 平均霾日数为35.9天，比上年增加18.3天，为1961年以 来最多。中东部地区雾和霾天气多发，华北中南部至 江南北部的大部分地区雾和霾日数范围为50～100天， 部分地区超过100天。
“一个大气”下的多种污染 协同控制 区域内联防联控 CCN
氮氧化物 NOx