大气颗粒物特性及其环境影响-胡敏教授..
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污染城区，工业烟羽，对流云附近，暴露潮汐
区…
• 改变颗粒物粒径谱分布：是大气颗粒物的重要来 源之一 • 影响CCN：影响云的光学性质从而影响全球辐射 平衡
• 潜在的健康效应
(Biswas&Wu,2005)
超细颗粒物的健康效应
支气管 肺泡 巨噬 细胞 分泌物
上皮细胞
淋巴
纤维原细胞
分泌物
分泌物
(1)肺部沉降量：（Total Deposition Fraction）TDF 100nm(0.26), 80nm(0.3), 60nm(0.35), 40nm(0.44); (2)超细粒子与其他污染物（如NOx, O3等）协同作用; (3)颗粒物的个数和表面积的影响可能大于质量浓度的影响
Beijing PM2.5, 105 ug/m3 Unknown 23% Organics 36%
Guangzhou PM2.5, 67.7 ug/m3
Trace 11% EC Unknown 17% O rganics 36%
Trace 4%
Crustal 12% Ammonium Sulfate 9% 5%
100
大气中各种颗粒物的粒径范围
1
可吸入颗粒物 PM2.5 纳米级超细粉
H2 O2 CO CO2 SO2等气体分子
风沙 地面扬尘
人呼吸道中沉积的颗粒 香烟等烟雾 内燃机烟炱
燃烧升华后的凝结微粒
面粉，煤粉等
静电除尘后的粉煤灰,冶炼灰等 海风携带盐
病毒
预混火焰的烟炱
0
细菌
0.01
0.1
1n m
10
100
PM2.5的环境行为及效应
o o o o 光的散射和吸收 云凝结核 干沉降 远距离输送 降低大气能见度 致酸物质 危害生态系统 区域性酸沉降 区域及全球气候变化 携带有害有毒污染物 影响人体健康 多相化学反应
o 污染物载体 o 进入呼吸道 o 化学反应床
小粒子，大问题
局地大气污染 负面的健康效应 城市能见度下降 区域大气污染 酸沉降，对湖泊、森林等生态系统造成危害
o 几乎涵盖了所有化学组成 o 浓度含量从g/m3-ng/m3 o 多种采样和分析方法结合 o 严格的QA/QC
NH4+ 7% SO4218% NO311% Cl 2% 2% 29% 地壳类 18% EC 3%
颗粒物的物理化学特性
o 物理特性
o 粒径分布 3nm – 100 m o 光学特性 削光（散射、吸收）与粒径大小和化学成 分有关 o 动力学性质 o 吸湿性 Hygroscopic growth factor o 电学性质
1000 10000 1E+05 1E+06 1E+07
PM2.5
PM10
100 m
1 m m 10 m m
细、超细颗粒物进入人体的部位 INHALATION PROPERTIES
120
Rest Normal Exercise
100
Deposition (Percent)
沉 降 80 量
60 40 20 0 0.01
MeanStd 900012500 159007800 78005400 79 3280015600 14001000 9070
m2cm-3
9070
Volume Conc. Coarse mode [cm ]
-3 N_total [cm 3 -3 m cm ] 3
PM10 Mass 3 V_totalConc. [m /cm ]
盐,EC/OC, mineral dust的辐射强迫，而不是PM2.5或
PM10，与健康效应相关的有毒有害组分
大气颗粒物污染与灰霾
• 灰霾反映在能见度下降，能见距降低； • 是由于颗粒物对光的散射和吸收造成的，与颗粒物
– 粒径大小有关，尺度参数，0.1-1m有效削光，Mie散射。 – 化学组成，不同化学组成折射率不同 – 吸湿性有关，硫酸盐、硝酸盐和铵盐等吸湿长大到有效 消光的粒径 – 混合态：内混和外混，内混消光消光增强
水体富营养化，影响水体质量
全球大气污染 影响地球辐射平衡，以及全球变化
气溶胶平流层臭氧损耗提供反应表面并催化，南极臭氧洞
我国大气颗粒物物理化学特性
Highlight 1:
来源复杂（人为一次，天然，二次）
• Mineral Dust:
– Dust storm – Road dust – Fugitive dust (unpaved road, construction, soil)
Concentration[ug/m^3]
•
两点PM2.5一致性较好
300
200
100
•
0
06.10-11
两点PM2.5质量浓度24小时均值
07.1-2
07.4
07.8
07.10-11
Highlight 4:有机颗粒物成为PM2.5主要组分
POC from combustion process and biogenic VOC, SOC has to be paid more attention
现有的空气质量监测网络不能很好地反映区域大气复 合污染的特征，准确地评价空气质量，难以为环境管 理和环境决策提供科学支持。 针对区域大气复合污染，建立科学合理的区域监测网 络迫在眉睫。需要解决区域复合污染监测网络的设计、 优化、监测技术配置、集成等关键技术。
全国尚未有真正意义的超级站（Supersites）。
-3
103-3
Min. 97 614 206 0.1 1900 50
25% 2600 10600 3300 2 22900 540 30
Median 4800 14800 7100 4 30300 1170 70
75% 9400 20200 11200 8 39700 1900 120
Max. 196100 102100 38400 140 248700 7000 1200
• Combustion process
– Stationary like power plant, industry – Vehicle – Biomass burning
• • • •
Industry Cooking emission Natural sources: sea salt, biogenic Secondary process: sulfate, nitrate, ammonium, secondary organic aerosol (SOA)
二次颗粒物组成的二次转化
二次颗粒物组成的重要性
• 从气态前提物经过核化成新生成的粒子（纳米级 粒子）和非均相转化成积聚模态粒子，二次颗粒 物在大气中存在寿命长，可以传输几百和上千公 里。 • 将局地问题演变为区域问题；城市和周边联系起 来；
• 二次组分所在的粒径及其吸湿性，对能见度的下 降贡献大，造成区域性灰霾；
化学特性
• 化学成分-大气化学过程：二次组分的转化机制。尤其
是细和超细粒子中的二次组分
– PM2.5/PM10 = 40%-70%; – (NH4++SO42-+NO3-+SOC)/PM2.5 = 40-70%
• 化学成分-大气环境质量：PM2.5或PM10的化学组成，进 而弄清来源(CMB源解析） • 化学成分-粒径：谱分布，不同模态颗粒物行为和来源 • 化学成分-效应：气候变化IPCC报告中给出硫酸
Lung 肺部
Nose 鼻腔
Mouth (ISO) 口腔
%
支气管 Trachea
0.1
1
Hale Waihona Puke Baidu10
100
Particle Aerodynamic Diameter (microns) 颗粒物空气动力学直径
颗粒物化学组成
大气颗粒物几乎包含了自然界存在的所有元素
• 海洋上空的气溶胶的化学元素组成与海 水的元素组成相似； • 干净大陆气溶胶的元素组成与地壳物质 的元素组成相似； • 城市大气气溶胶则不但包含了地壳中丰 度很高的元素，还包括了各种各样的工 业污染元素。
• 给城市和区域大气污染监测、预报和控制带来新 的挑战。
Highlight 2: 各种浓度水平高（数浓度、表面积浓度、 质量浓度和化学组成浓度）
Number Conc.
31041.6 104 cm-3
Surface Conc.
1.41031.0
Nuc. Mode [cm ] Ait. Mode [cm-3] Acc. Mode [cm-3]
3
燃煤飞灰（PM2.5） coal-burning flyash
燃重油颗粒物 diesel engine combustion
冶金粉尘（PM1） metal smelter
内燃机排放颗粒物 gasoline engine combustion
气溶胶粒径－浓度/化学组成－性质－影响
o 气溶胶粒子无处不在，无时不在。 o 在大气中的浓度： o 质量浓度：TSP, PM10, PM2.5。集中在积聚模和粗模态 o 数浓度：污染城市高达105个/cm3。集中在核模和积聚模 o 表面积浓度 o 体积浓度 o 粒径：跨4－5个数量级，从几个nm－100m。 未知 有机物 其它 o 化学组成： 10%
10
TSP
PM 10
Relative Concentration
8
PM 2.5
Condensation
PM 0.1
6
4
硫酸盐 硝酸盐 铵盐 有机碳化物 元素碳 重金属 土壤元素 扬尘 花粉
2
碳
Ultrafine
Accumulation
Droplet
Coarse
0 0.01
超细粒子 0.1
细粒子 1
粗粒子 10
目前我国城市空气质量监测主要问题
• 覆盖面和代表性差：监测点位集中于城市地区，原有的清 洁对照点由于快速的城市化，其所代表的大气环境功能已 经发生变化，失去了应有的意义。 监测指标偏少：主要监测SO2、NO2、CO和PM10，监测的 项目不能满足具有区域影响的特征污染物如大气臭氧和 PM2.5及相关组分（如VOC）的需要。 监测手段单一：主要集中监测近地面大气，缺乏流动观测 和立体观测的技术手段。 监测数据质量不高：质量控制质量保证体系不够完善，实 施手段不多，机制不够健全。
颗粒物形貌和来源
2
颗粒物形貌和来源
一次来源 天然源 生物源：细菌、花粉、植物 蜡 森林大火、火山爆发、海盐 沙尘、风扬尘 人为源 道路尘、建筑尘 各种燃烧过程 工业锅炉、机动车排放、餐 饮、生物质燃烧 二次来源 SO2 SO42NOx NO3NH3 NH4+ VOC挥发性 有机物 SOA 二次有机颗粒物
(Gilmour, Ziesenis et al. 2004)
大气细粒子PM2.5作为区域大气
复合污染的核心污染物， 对大气污染监测的要求和挑战
反映区域复合污染现状的监测能力严重滞后
环保系统监测站大多设于城区，主要监测常规一次污 染物：SO2、NO2和PM10。 不具备区域复合污染监测能力，未能形成真正意义的 监测网络和实时监测与监控。
600
300
200
PKIU 北大 115 YF g/m3 榆垡 127 g/m3
100
0
400
06.10-11
07.1-2
07.4
07.8
07.10-11
•
两点二次组分NO3- 、SO42-、NH4+ 相关性较好(0.84-0.88) ，区域二次 污染的特征
夏季浓度低，波动小，07年秋季浓 度高、波动最大
3
S_total [m2/cm3]
153g/m3
PV1/PV10: 75%
Highlight 3: Regional pollution (regional hazy, PM2.5 and secondary composition elevated)
700
concentration[ug/m^3]
5% Nitrate 5% Chloride 1%
Crustal 12% Ammonium 3% Sulfate 14% Nitrate 2% EC 4% Chloride 1%
Data of Beijing and Guangzhou, 2000
新粒子研究意义
• 新粒子生成普遍存在：自由对流层，大陆边界层，
o 化学组成
o 无机组成：离子 元素 o 有机组成：EC OC WSOC Organic Speciation SOA, POA, POM, OM
大气颗粒物已成为我国城市大气的首要污染物 随着大气污染控制和能源结构的改变，颗粒物污染越来越表现 为细粒子和超细粒子的污染;空气质量标准TSPPM10PM2.5。
• 目前仅有的PM10不足以说明灰霾的成因，需要对 细和超细颗粒物物理、化学和光学特性多种参数的 同时测定。
二次颗粒物的生成与区域灰霾
Precursor emissions disperse in the atmosphere, convert into secondary particles through complex atmospheric chemical reactions, then travel long distances to deposit in remote areas far from their source.
区…
• 改变颗粒物粒径谱分布：是大气颗粒物的重要来 源之一 • 影响CCN：影响云的光学性质从而影响全球辐射 平衡
• 潜在的健康效应
(Biswas&Wu,2005)
超细颗粒物的健康效应
支气管 肺泡 巨噬 细胞 分泌物
上皮细胞
淋巴
纤维原细胞
分泌物
分泌物
(1)肺部沉降量：（Total Deposition Fraction）TDF 100nm(0.26), 80nm(0.3), 60nm(0.35), 40nm(0.44); (2)超细粒子与其他污染物（如NOx, O3等）协同作用; (3)颗粒物的个数和表面积的影响可能大于质量浓度的影响
Beijing PM2.5, 105 ug/m3 Unknown 23% Organics 36%
Guangzhou PM2.5, 67.7 ug/m3
Trace 11% EC Unknown 17% O rganics 36%
Trace 4%
Crustal 12% Ammonium Sulfate 9% 5%
100
大气中各种颗粒物的粒径范围
1
可吸入颗粒物 PM2.5 纳米级超细粉
H2 O2 CO CO2 SO2等气体分子
风沙 地面扬尘
人呼吸道中沉积的颗粒 香烟等烟雾 内燃机烟炱
燃烧升华后的凝结微粒
面粉，煤粉等
静电除尘后的粉煤灰,冶炼灰等 海风携带盐
病毒
预混火焰的烟炱
0
细菌
0.01
0.1
1n m
10
100
PM2.5的环境行为及效应
o o o o 光的散射和吸收 云凝结核 干沉降 远距离输送 降低大气能见度 致酸物质 危害生态系统 区域性酸沉降 区域及全球气候变化 携带有害有毒污染物 影响人体健康 多相化学反应
o 污染物载体 o 进入呼吸道 o 化学反应床
小粒子，大问题
局地大气污染 负面的健康效应 城市能见度下降 区域大气污染 酸沉降，对湖泊、森林等生态系统造成危害
o 几乎涵盖了所有化学组成 o 浓度含量从g/m3-ng/m3 o 多种采样和分析方法结合 o 严格的QA/QC
NH4+ 7% SO4218% NO311% Cl 2% 2% 29% 地壳类 18% EC 3%
颗粒物的物理化学特性
o 物理特性
o 粒径分布 3nm – 100 m o 光学特性 削光（散射、吸收）与粒径大小和化学成 分有关 o 动力学性质 o 吸湿性 Hygroscopic growth factor o 电学性质
1000 10000 1E+05 1E+06 1E+07
PM2.5
PM10
100 m
1 m m 10 m m
细、超细颗粒物进入人体的部位 INHALATION PROPERTIES
120
Rest Normal Exercise
100
Deposition (Percent)
沉 降 80 量
60 40 20 0 0.01
MeanStd 900012500 159007800 78005400 79 3280015600 14001000 9070
m2cm-3
9070
Volume Conc. Coarse mode [cm ]
-3 N_total [cm 3 -3 m cm ] 3
PM10 Mass 3 V_totalConc. [m /cm ]
盐,EC/OC, mineral dust的辐射强迫，而不是PM2.5或
PM10，与健康效应相关的有毒有害组分
大气颗粒物污染与灰霾
• 灰霾反映在能见度下降，能见距降低； • 是由于颗粒物对光的散射和吸收造成的，与颗粒物
– 粒径大小有关，尺度参数，0.1-1m有效削光，Mie散射。 – 化学组成，不同化学组成折射率不同 – 吸湿性有关，硫酸盐、硝酸盐和铵盐等吸湿长大到有效 消光的粒径 – 混合态：内混和外混，内混消光消光增强
水体富营养化，影响水体质量
全球大气污染 影响地球辐射平衡，以及全球变化
气溶胶平流层臭氧损耗提供反应表面并催化，南极臭氧洞
我国大气颗粒物物理化学特性
Highlight 1:
来源复杂（人为一次，天然，二次）
• Mineral Dust:
– Dust storm – Road dust – Fugitive dust (unpaved road, construction, soil)
Concentration[ug/m^3]
•
两点PM2.5一致性较好
300
200
100
•
0
06.10-11
两点PM2.5质量浓度24小时均值
07.1-2
07.4
07.8
07.10-11
Highlight 4:有机颗粒物成为PM2.5主要组分
POC from combustion process and biogenic VOC, SOC has to be paid more attention
现有的空气质量监测网络不能很好地反映区域大气复 合污染的特征，准确地评价空气质量，难以为环境管 理和环境决策提供科学支持。 针对区域大气复合污染，建立科学合理的区域监测网 络迫在眉睫。需要解决区域复合污染监测网络的设计、 优化、监测技术配置、集成等关键技术。
全国尚未有真正意义的超级站（Supersites）。
-3
103-3
Min. 97 614 206 0.1 1900 50
25% 2600 10600 3300 2 22900 540 30
Median 4800 14800 7100 4 30300 1170 70
75% 9400 20200 11200 8 39700 1900 120
Max. 196100 102100 38400 140 248700 7000 1200
• Combustion process
– Stationary like power plant, industry – Vehicle – Biomass burning
• • • •
Industry Cooking emission Natural sources: sea salt, biogenic Secondary process: sulfate, nitrate, ammonium, secondary organic aerosol (SOA)
二次颗粒物组成的二次转化
二次颗粒物组成的重要性
• 从气态前提物经过核化成新生成的粒子（纳米级 粒子）和非均相转化成积聚模态粒子，二次颗粒 物在大气中存在寿命长，可以传输几百和上千公 里。 • 将局地问题演变为区域问题；城市和周边联系起 来；
• 二次组分所在的粒径及其吸湿性，对能见度的下 降贡献大，造成区域性灰霾；
化学特性
• 化学成分-大气化学过程：二次组分的转化机制。尤其
是细和超细粒子中的二次组分
– PM2.5/PM10 = 40%-70%; – (NH4++SO42-+NO3-+SOC)/PM2.5 = 40-70%
• 化学成分-大气环境质量：PM2.5或PM10的化学组成，进 而弄清来源(CMB源解析） • 化学成分-粒径：谱分布，不同模态颗粒物行为和来源 • 化学成分-效应：气候变化IPCC报告中给出硫酸
Lung 肺部
Nose 鼻腔
Mouth (ISO) 口腔
%
支气管 Trachea
0.1
1
Hale Waihona Puke Baidu10
100
Particle Aerodynamic Diameter (microns) 颗粒物空气动力学直径
颗粒物化学组成
大气颗粒物几乎包含了自然界存在的所有元素
• 海洋上空的气溶胶的化学元素组成与海 水的元素组成相似； • 干净大陆气溶胶的元素组成与地壳物质 的元素组成相似； • 城市大气气溶胶则不但包含了地壳中丰 度很高的元素，还包括了各种各样的工 业污染元素。
• 给城市和区域大气污染监测、预报和控制带来新 的挑战。
Highlight 2: 各种浓度水平高（数浓度、表面积浓度、 质量浓度和化学组成浓度）
Number Conc.
31041.6 104 cm-3
Surface Conc.
1.41031.0
Nuc. Mode [cm ] Ait. Mode [cm-3] Acc. Mode [cm-3]
3
燃煤飞灰（PM2.5） coal-burning flyash
燃重油颗粒物 diesel engine combustion
冶金粉尘（PM1） metal smelter
内燃机排放颗粒物 gasoline engine combustion
气溶胶粒径－浓度/化学组成－性质－影响
o 气溶胶粒子无处不在，无时不在。 o 在大气中的浓度： o 质量浓度：TSP, PM10, PM2.5。集中在积聚模和粗模态 o 数浓度：污染城市高达105个/cm3。集中在核模和积聚模 o 表面积浓度 o 体积浓度 o 粒径：跨4－5个数量级，从几个nm－100m。 未知 有机物 其它 o 化学组成： 10%
10
TSP
PM 10
Relative Concentration
8
PM 2.5
Condensation
PM 0.1
6
4
硫酸盐 硝酸盐 铵盐 有机碳化物 元素碳 重金属 土壤元素 扬尘 花粉
2
碳
Ultrafine
Accumulation
Droplet
Coarse
0 0.01
超细粒子 0.1
细粒子 1
粗粒子 10
目前我国城市空气质量监测主要问题
• 覆盖面和代表性差：监测点位集中于城市地区，原有的清 洁对照点由于快速的城市化，其所代表的大气环境功能已 经发生变化，失去了应有的意义。 监测指标偏少：主要监测SO2、NO2、CO和PM10，监测的 项目不能满足具有区域影响的特征污染物如大气臭氧和 PM2.5及相关组分（如VOC）的需要。 监测手段单一：主要集中监测近地面大气，缺乏流动观测 和立体观测的技术手段。 监测数据质量不高：质量控制质量保证体系不够完善，实 施手段不多，机制不够健全。
颗粒物形貌和来源
2
颗粒物形貌和来源
一次来源 天然源 生物源：细菌、花粉、植物 蜡 森林大火、火山爆发、海盐 沙尘、风扬尘 人为源 道路尘、建筑尘 各种燃烧过程 工业锅炉、机动车排放、餐 饮、生物质燃烧 二次来源 SO2 SO42NOx NO3NH3 NH4+ VOC挥发性 有机物 SOA 二次有机颗粒物
(Gilmour, Ziesenis et al. 2004)
大气细粒子PM2.5作为区域大气
复合污染的核心污染物， 对大气污染监测的要求和挑战
反映区域复合污染现状的监测能力严重滞后
环保系统监测站大多设于城区，主要监测常规一次污 染物：SO2、NO2和PM10。 不具备区域复合污染监测能力，未能形成真正意义的 监测网络和实时监测与监控。
600
300
200
PKIU 北大 115 YF g/m3 榆垡 127 g/m3
100
0
400
06.10-11
07.1-2
07.4
07.8
07.10-11
•
两点二次组分NO3- 、SO42-、NH4+ 相关性较好(0.84-0.88) ，区域二次 污染的特征
夏季浓度低，波动小，07年秋季浓 度高、波动最大
3
S_total [m2/cm3]
153g/m3
PV1/PV10: 75%
Highlight 3: Regional pollution (regional hazy, PM2.5 and secondary composition elevated)
700
concentration[ug/m^3]
5% Nitrate 5% Chloride 1%
Crustal 12% Ammonium 3% Sulfate 14% Nitrate 2% EC 4% Chloride 1%
Data of Beijing and Guangzhou, 2000
新粒子研究意义
• 新粒子生成普遍存在：自由对流层，大陆边界层，
o 化学组成
o 无机组成：离子 元素 o 有机组成：EC OC WSOC Organic Speciation SOA, POA, POM, OM
大气颗粒物已成为我国城市大气的首要污染物 随着大气污染控制和能源结构的改变，颗粒物污染越来越表现 为细粒子和超细粒子的污染;空气质量标准TSPPM10PM2.5。
• 目前仅有的PM10不足以说明灰霾的成因，需要对 细和超细颗粒物物理、化学和光学特性多种参数的 同时测定。
二次颗粒物的生成与区域灰霾
Precursor emissions disperse in the atmosphere, convert into secondary particles through complex atmospheric chemical reactions, then travel long distances to deposit in remote areas far from their source.