1、PM2.5、霾污染及危害 报 告 人：王跃思 博 士 研 究员 中国科学院大气物理研究所 大气边界层物理和大气化学国家重点实验室 北京 2015.05 北京生态学学会报告1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 501、PM2.5是什么？大气细粒子PM2.5 定义 空气动力学直径小于或者等于2.5微米的 大气颗粒物(气溶胶)的总称。 小知识：空气动力学直径与研究粒
2、子具有相同终 端沉降速率的、密度为1g/cm 3 )的球体直径。 与人的发丝相比，细粒子的直径大小不到发丝的二 十五分之一。 机动车 (VOCs、NO2、PM) 电厂、工厂等 (SO2、NO2、PM) 加油站、干洗店等 (VOCs) 森林火灾、火山等 (PM) 来源 移动源 固定源 点源 自然源采样膜上的PM 2.5 PM 2.5 : 微观形貌PM 2.5 :单颗粒微观组图 2012年冬季采于北京PM 2.5 ：小粒子大世界 直接排放少，二次生成为主 组成极其复杂：化合物30,000种以 上，几乎包含元素周期表所有元素 比表面积大：几十平方米/克 形态结构复杂、时空差异大 可渗透到气管-肺胞血
3、管 PM 10 PM 2.5 致霾粒子 PM 1.0 纳米粒子 100nm 1 m 200 nm2、霾是什么？ 霾与PM 2.5 的关系？ 大气细粒子引起的消光现象 定义：大量极细微干尘粒子均匀地浮游在空中，使水平能 见度10km的空气普遍混浊现象。 判据：能见度小于10km，相对湿度小于80；而相对湿度80-95 时，则需要根据大气成分进行甄别。 与雾区别：组成霾的粒子极小，不能用肉眼分辨。霾与晴空区之 间不能像雾一样形成明显的边界。 中华人民共和国气象行业标准 QX/T 113-2010 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 轻微 轻度 中 度 重度 霾的分级 km3、PM 2.5
4、 与霾的作用与危害？ 飞PM2.5的影响 气候：影响大气辐射平衡，严重影响区域和全球气候变化 环境：大气能见度下降，阻碍空中、水面和陆面交通; 人体健康：呼吸道、肺心病；癌症等；Science, 2009, 323, 1468-1470 洛杉矶 中国 环境效应-引起消光现象-大气能见度下降-雾霾 全球 南亚 北亚 北美 欧洲 非洲 澳洲 南美 细粒子 细粒子污染是全球性重要环境问题之一。 污染是全球性重要环境问题之一。 伊斯兰堡 吉隆坡 1975-2007年间区域和全球大气气溶胶光学厚度变化趋势霾粒子消 光系数 (10 年平均） 肺癌年致 死率 (1/1000,000) 吸烟率 ( 数量 /1
5、0/ 人年） 考虑 考虑7 7年滞后期后，广州市 年滞后期后，广州市肺 肺 癌致死率 癌致死率和 和霾粒子浓度 霾粒子浓度( (消光系 消光系 数 数) )的 的相关 相关性高达 性高达0.97 0.97。 。 国内： 国内：民生 民生问题。 问题。 霾粒子消光系数(10年平均） 肺癌年致 死率 (1/1000,000) 广州市1954-2006年期间肺癌癌症致死率与霾的关系 Tie, X., D. Wu, and G. Brasseur, Atmos. Environ, 43, 23752377, 2009. PM2.5 工业排放和矿物尘的贡献在非霾天高于霾污染天。 3、粒径差异(来源变化依
6、赖于粒径尺寸和气团方位)： 源的贡献随着粒径增加而降低趋势(除了矿物尘和工业源); 粗、细粒径段各出现一个污染源相对贡献的高峰。 52周9级30 + 理化参数300 250 200 150 100 50 0 g / m 3 2010-12-15 2010-12-17 2010-12-19 2010-12-21 2010-12-23 Dt/ dOrgNO 3SO 4NH 4Cl 北京2010冬季霾过程观测 Org 65% Cl 8% NH 4 8% NO 3 8% SO 4 11% 有机物 65% g/m 3 3 2 1 0 6 8 100 2 4 6 8 1000 2 0.6 0.4 0.2
7、0.0 m/z 44 m/z 55 m/z 57 m/z 60 (d)12月21日 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 6 8 100 2 4 6 8 1000 2 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 (c)12月16日 g/m 3 12月16日 12月16日 12月18日 化学成分北京冬季 数据来自北京及近周边区域大气符合污染形 成机制及防控措施研究示范项目 200nm 550nm100 80 60 40 20 0 g / m 3 2011-6-25 2011-6-27 2011-6-29 2011-7-1 2011-7-3 Dt/ dOrgNO 3SO 4NH 4Cl 粒
8、径增长 1000 800 600 400 200 60 50 40 30 20 10 相对湿度 (%) (e) 氯盐 1000 800 600 400 200 粒径(nm) 60 50 40 30 20 10 相对湿度 (%) (d) 硫酸盐 1000 800 600 400 200 60 50 40 30 20 10 (c) 硝酸盐 1000 800 600 400 200 粒径(nm) 60 50 40 30 20 10清洁期间污染期间污染期间线性拟合 (b) 有机组分 Org 37% Cl 1% NH 4 14% SO 4 29% NO 3 19% OM 北京2011夏季霾过程观测 -
9、数据来自北京及近周边区域大气符合污染形 成机制及防控措施研究示范项目 化学成分北京夏季2008.6.1-2008.9.15 北京大气不同粒径段颗粒物质量浓度谱 汽车数量减少，速度增加？小粒子容易蒸散、碰并，大粒子增长？ 0 50 100 150 200 250 300 350 0.1 1 10 100 粒径(m) dM/dlogD( g/m 3 ) 未限行 黄标车限行 奥运时段 黄标车+单双号限行 污染天份 The size of Particle (m) 0.43 0.65 1.1 um 控制的住吗？-北京奥运会9.北京地区重霾污染形 成机制 基本清楚典型霾过程-引发于周边输送，加强于本地排
10、放 风速风向： 弱偏南风：积累 强西北风：消散 大气颗粒物 “爆发式”引发 “渐进式”增强 风/雨清除 能见度 PM 2.5 在100微克/立方 米以上，能见度就在 2公里以下 北京地区2014年2月强霾过程 北京重霾成因科学假设：NOx中心说 NO NO 3 3 - - SO SO 4 4 = = VOCs VOCs SOA SOA NH NH 4 4 + + 二 二 次 次 粒 粒 子 子 动态源解析：基于在线测量数据 动态源解析：基于在线测量数据+ +有机标志物和 有机标志物和C C同位素 同位素 O O 3 3 SO2 SO2 二次颗粒物及其前体物敏感排 二次颗粒物及其前体物敏感排 放
11、源的排放系数、年度排放量 放源的排放系数、年度排放量 和位置 和位置( (形成清单 形成清单, ,问题 问题3 3协助 协助） ） 在线测量 在线测量 在线测量 在线测量 膜采样 膜采样 烟雾箱模拟 烟雾箱模拟 前体物 前体物 爆发增长 爆发增长 敏感性物种、动力学参数 敏感性物种、动力学参数 受体模型 数值模式 源解析 消减策略 消减策略 问题 问题1 1协助 协助 参数化 参数化 生物质燃烧、燃煤、机动车 生物质燃烧、燃煤、机动车 NH NH 3 3 哪一个更重要？ 哪一个更重要？ OH OH NO NO x x N N 2 2 O O 5 5 NO NO 3 3 NO NOy y HON
12、O HONO10.源解析 重点源清楚1.机动车(47%); 2.二次源(20%); 3.燃煤(11%) 1.燃煤(38%); 2.机动车(30%); 3.道路扬尘(14%) 155.4 g/m 3 78.4 g/m 3 2013年1月11日至1月21日解析结果 风大：周边、 扬尘影响大 化学成分与源解析 03 北京2013年冬季-PM1.0源解析-动态化学成分与源解析 02 北京及京津冀地区2012年平均 就北京而言，机动车为城市PM 2.5 的最大来源，约为四分之一；其次为燃煤和外来 输送，各占五分之一。餐饮近年来有快速上升趋势，应加紧控制，工业和地面扬 尘应进一步改善。 京津冀区域应重点控
13、制工业和燃煤过程，重点在于燃烧过程的脱硫、脱硝和除 尘；同时要高度关注柴油车排放和油品质量。11.控制方法 源头控制 燃煤脱硫除尘？ 脱硝！河北工业区大气污染排放（上图：唐山；下图：秦皇岛）气态污染物 北京 天津 石家庄 兴隆 气态污染物浓度与颗粒物浓度变化趋势一致，明显高于平时浓度强霾污染成因-03-气-粒转化（非均相）-硫酸盐 二氧化硫向硫酸盐转化爆发式 以河北燃煤排放为主的SO 2 传输到北京，造成北京上空SO 2 浓度总是高于地 面，白天对流输送将高空SO 2 传输到地面，造成北京空气SO 2 浓度升高；夜 间对流终止，SO 2 形成酸雾，并被其中的氧化剂（H 2 O 2 、NO 3
14、等）转化为硫酸 盐颗粒！强霾污染成因-02-超细粒子增长 100 1000 0 20 40 60 80 100Org SO 4NO 3NH 4Chl 粒径(nm) 百分比(%) 100 1000 0 20 40 60 80 100Org SO 4NO 3NH 4Chl 粒径(nm) 百分比(%) (1) 超细粒子增长6小时 50-100纳米的超细粒子，主要是化石燃料燃烧排放的含碳粒子，一旦增长 到400纳米（可见光波长为400-700nm）以上，粒子中吸水性很强的硫酸盐 等从原来的20%增长到60%（图11右图）。疏水的碳粒子在吸水的硫酸盐包 裹下，迅速吸湿膨胀，从“不可见”到“可见”，就是我
15、们看到的“霾”。机动车？（油）油品质量必须升级！ 不能拿人民群众的身体健康换经济利益 （路）建立京津冀区域轨道交通铁路网， 减轻公路交通压力 东京模式，上下班主要靠有轨运输，私人汽车主要用于休闲 （车）尾气净化处理装置补贴更换 政府要建立相关产业链，要向检查酒驾一样检查汽车尾气，不合格的要坚决处理！-日本模式1/1 1/6 1/11 1/16 1/21 1/26 1/31 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 甲酰胺 苯胺 乙酰胺 C 2 H 4 NO +( g m -3 ) CH 4 N +, CHNO +( g m -3 ) C 6 H 6 N +( g m -3 )N
16、OA 甲胺 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5C 6 H 6 N + 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0CH 4 N +CHNO + 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 NOA ( g m -3 )C 2 H 4 NO + 相关系数R 2 =0.550.65，各物质平均浓度分别为: 苯胺：0.24g/m 3 ，甲胺： 0.08g/m 3 ，甲酰胺：0.03g/m 3 ，乙酰胺0.007g/m 3 含氮有机化合物是否来自油中的“？胺”？ 我不希望这是真的10.8 油品质量 97#和93#汽油 挥发蒸汽中含有大量C4-C5烯 烃类化合物。 燃烧过程中产生缩合积
17、碳， 降低发动机效率，产生大量 超细粒子排入大气； 促进臭氧的生成，增加大气 氧化性； 在大气中易形成二次有机气 溶胶（SOA），促进霾产生。 （霾中的OC成分之一）10.7 超细粒子PM 0.1 超过发达国家10倍！原油 加氢裂化 加氢裂化 重整 重整 汽柴煤油 70% 炼油工艺 催化裂化 催化裂化 不饱和烃多 不饱和烃多 辛烷值高 辛烷值高 添加抗爆剂少 添加抗爆剂少 BC、OC、VOCs 和CO排放量高 BC、OC、VOCs 和CO排放量高 饱和烃多 饱和烃多 辛烷值低 辛烷值低 添加抗爆剂多 添加抗爆剂多 BC、OC、VOCs 和CO排放量低 BC、OC、VOCs 和CO排放量低 苯胺
18、类物质占5% 车架实验确定我国机动车排放因子12、客观要素： 气象条件？ 地形？ 城市布局？ 三圈环流？外因天气与气候 赤道和极地温差下的单圈环流 赤道和极地温差 温差下的单圈环流 温差+地球自转下的三圈环流 温差+地球自转下的三圈环流 再叠加海陆差异下的季风 再叠加海陆差异下的季风 全球变暖、北极冰化、城市热岛，导致高纬度及陆地升温显著，经向和海陆温差降低， 季风减弱，经向（北风）风减少，弱气压场和静稳天气频次增多， 而强冷空气活动减少，不利于污染的清除。 全球变暖、北极冰化、城市热岛，导致高纬度及陆地升温显著，经向和海陆温差降低， 季风减弱，经向（北风）风减少，弱气压场和静稳天气频次增多，
19、 而强冷空气活动减少，不利于污染的清除。Li, Lee, Wang, Xin et al., JGR, 2010 Xin, Wang, Li et al., AE, 2011 20 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 20 0.614 Observed AOD Jan Jan Jan Jan Jan Jan 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 0.578 (a) (e) Jiaozhou Bay 20 2005年气溶胶对大气短波辐射强迫 气候影响-地表降温/大气增温 气溶胶短波辐射强迫
20、2005年均（W/m 2 ） 大气层顶 地气系统 地表 春夏秋冬 胶州湾 气溶胶光学厚度 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 20 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 (b) Angstrom exponent ( ) Jan Jan Jan Jan Jan Jan 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 1.125 1.283 20 (f) Jiaozhou Bay 20 气溶胶波长指数 全国平均加热16W/m 2 ；京津冀35W/m 2 全球变暖，极地冰川融化，地球纬向风增强，经向风减弱。 -京津冀区域西北风减弱，污染物不
21、容易水平扩散？ 京津冀大气细模态气溶胶增加，天空变暗趋势；大气层加热& 地表冷却。 -京津冀区域易形成逆温，对流减弱，污染不容易垂直扩散？夏季典型局地风场 2012年6月29日20:00 从图中可以明显看出，京津冀区域2 km以上的高空为西风带，且风速较大。2 km以下为局地环流控制区域，旺盛山风和残余的海风在117E的经线位置相 遇，这个位置与前文讨论的风速辐合带的位置相吻合。强霾气象成因-03远程输送 卫星观测 本次污染席卷我国中东部地区和东北部分地区，太行山东麓、燕山北麓的 京津冀区域最为严重！13、控制政策-“国十条” 重在执行大气污染防治十条措施“国十条” 一、减少污染物排放。全面整
22、治燃煤小锅炉，加快重点行业脱硫脱硝除尘改造。整治城市扬尘。提升燃 油品质，限期淘汰黄标车。 二、严控高耗能、高污染行业新增产能，提前一年完成钢铁、水泥、电解铝、平板玻璃等重点行业“十二 五”落后产能淘汰任务。 三、大力推行清洁生产，重点行业主要大气污染物排放强度到2017年底下降30%以上。大力发展公共交通。 四、加快调整能源结构，加大天然气、煤制甲烷等清洁能源供应。 五、强化节能环保指标约束，对未通过能评、环评的项目，不得批准开工建设，不得提供土地，不得提 供贷款支持，不得供电供水。 六、推行激励与约束并举的节能减排新机制，加大排污费征收力度。加大对大气污染防治的信贷支持。 加强国际合作，大
23、力培育环保、新能源产业。 七、用法律、标准“倒逼”产业转型升级。制定、修订重点行业排放标准，建议修订大气污染防治法等法 律。强制公开重污染行业企业环境信息。公布重点城市空气质量排名。加大违法行为处罚力度。 八、建立环渤海包括京津冀、长三角、珠三角等区域联防联控机制，加强人口密集地区和重点大城市 PM2.5治理，构建对各省(区、市)的大气环境整治目标责任考核体系。 九、将重污染天气纳入地方政府突发事件应急管理，根据污染等级及时采取重污染企业限产限排、机动 车限行等措施。 十、树立全社会“同呼吸、共奋斗”的行为准则，地方政府对当地空气质量负总责，落实企业治污主体责 任，国务院有关部门协调联动，倡导
24、节约、绿色消费方式和生活习惯，动员全民参与环境保护和监督。污染源清单-北京市 参考北京工业大学程水源教授研究结果 小蝴蝶NOx (t/a) 17,700 to 58,900 4,200 to 17,700 2,600 to 4,200 1,900 to 2,600 1,600 to 1,900 1,400 to 1,600 1,300 to 1,400 1,200 to 1,300 1,100 to 1,200 1,000 to 1,100 900 to 1,000 700 to 900 500 to 700 400 to 500 200 to 400 0 to 200 SO2 (t/a) 8
25、,480 to 21,490 3,150 to 8,480 990 to 3,150 690 to 990 540 to 690 450 to 540 430 to 450 420 to 430 390 to 420 320 to 390 210 to 320 150 to 210 110 to 150 50 to 110 0 to 50 SO 2 NO X PM 10 PM10 (t/a) 20,600 to 20,700 6,400 to 20,600 1,500 to 6,400 1,300 to 1,500 1,200 to 1,300 1,100 to 1,200 1,000 to
26、1,100 900 to 1,000 800 to 900 700 to 800 600 to 700 500 to 600 300 to 500 200 to 300 100 to 200 0 to 100 CO (t/a) 142,000 to 524,000 26,000 to 142,000 17,000 to 26,000 14,000 to 17,000 13,000 to 14,000 12,000 to 13,000 10,000 to 12,000 9,000 to 10,000 8,000 to 9,000 7,000 to 8,000 6,000 to 7,000 5,0
27、00 to 6,000 4,000 to 5,000 3,000 to 4,000 1,000 to 3,000 0 to 1,000 CO VOC (t/a) 51,700 to 51,800 12,400 to 51,700 5,300 to 12,400 3,000 to 5,300 2,300 to 3,000 1,900 to 2,300 1,300 to 1,900 1,000 to 1,300 900 to 1,000 800 to 900 700 to 800 600 to 700 500 to 600 200 to 500 100 to 200 0 to 100 VOC S
28、NH3 (t/a) 1,670 to 1,700 1,270 to 1,670 1,120 to 1,270 1,060 to 1,120 960 to 1,060 900 to 960 810 to 900 690 to 810 600 to 690 500 to 600 380 to 500 290 to 380 200 to 290 130 to 200 70 to 130 0 to 70 NH 3 动态污染源清单-天津市 参考北京工业大学程水源教授研究结果 小海马动态污染源清单-河北省 参考北京工业大学程水源教授研究结果 大老虎1、政治智慧。 2、管理创新。 3、科学先行。 4、公众参
29、与。 实施国十条需要 变革 14、潜在的生态效应阜康 阜康 鼎湖山 鼎湖山 兴隆 贡嘎山 贡嘎山 长白山 长白山 中国科学院区域大气 本底观测网 国家尺度联网观测研究 一、大气边界层物理和大气化学联网观测与集成研究 大气气溶胶化学成分 观测网 生态边界层气象辐射 观测网 总、反射、净、 紫外、光合有 效辐射 以及常规气象 要素 气溶胶光学厚度 观测网 温室气体 气态前体物+颗粒物 无机盐 八级采样 观测子站一、大气边界层物理和大气化学联网观测与集成研究 国家尺度联网观测研究 北京325米 气象塔 天津240米 气象塔 香河100米 气象塔 京津冀高塔联网 观测 京津冀环渤海大气污 染沉降通量观
30、测网 京津冀大气臭氧联网 观测 京津冀大气霾污染溯 源联网观测研究1、大气颗粒物的汇及其作用？ 1、华北已成为全球氮沉降最高区域； 2、硫沉降已经超过欧美历史高值； 大气边界层物理和化学过程 源 大气传输与沉降 干沉降 干沉降 湿沉降 湿沉降 PM 10 , SO 2 , NO x , NH 3 ,VOC, 汇？ 3、酸沉降已超过区域临界负荷； 4、重金属沉降从80年代-现在增加10倍， 是国外的几十倍！2 2 、降水有机碳 、降水有机碳 - - 被忽视的碳库 被忽视的碳库 碳沉降量 (kg C ha -1 yr -1 ) 有机碳沉降量 kg C ha -1 month -1 有机碳季节变化明
31、显 有机碳季节变化明显 空间差异不显著 空间差异不显著 全球降水有机碳0.5Gt(Willey et al., 2000), 相当于 “碳失汇”的1/3,但缺乏亚洲数据支持。 60% 20% 20% 19.1 19.14.3(14.3-26.9) 降水有机碳在碳循环研究中不可被忽视，文献报道 全球降水有机碳库为0.5Gt，数量相当于碳失汇 1/3，但缺乏亚洲数据支持。我们在华北观测发现： 除了有机碳，降水中还有大量的无机碳和颗粒碳； 忽视它们将导致全球降水碳库被低估0.3Gt。国际 同行认为：该创新性发现丰富了碳循环的研究内 容，为气候模式研究提供了基础数据。 Pan, Y., Wang, Y
32、., Xin, J., Tang, G., Song, T., Wang, Y., Li, X., Wu, F., 2010. Study on dissolved organic carbon in precipitation in Northern China. Atmos Environ 44, 2350-2357.3 3 、酸雨及中和过程 、酸雨及中和过程 BD-2008 BD-2009 BD-2010 BJ-2008 BJ-2009 BJ-2010 CZ-2008 CZ-2009 CZ-2010 LC-2008 LC-2009 LC-2010 TG-2008 TG-2009 TG-2
33、010 TJ-2008 TJ-2009 TJ-2010 TS-2008 TS-2009 TS-2010 XL-2008 XL-2009 XL-2010 YC-2008 YC-2009 YC-2010 YF-2008 YF-2009 YF-2010 0 1 2 3 4 5 6 7 8pH估算结果 024681 01 21 4 0 10 20 30 40 50Frequency (%) 2008-2009 n=785 区域降水偏酸 硫酸贡献大， 是硝酸2倍。 2008-2010 n=1118 pH5.6 近1/3 出现频率（%） 化学平衡计算pH3.52 年均观测结果 pH 5.34 pH? pH
34、? 氨+钙！ + + + + + + + + + + NH 3 NH 4 NO 3 CaCO 3 CaSO 4 HNO 3 H 2 SO 4 酸度 碱度 H H + + pH pH 1. 华北降水1/3为酸雨(pH5.6)； 2. 降水酸度受H 2 SO 4 控制； 3. 酸度先被NH 3 中和，但它不足量， CaCO 3 进而起到缓冲作用；颗粒物 减排可能加剧酸雨形势。 Wang, Y., Yu, W., Pan*, Y., Wu, D., 2012. Acid Neutralization of precipitation in Northern China. Journal of the
35、 Air and Waste Management Association 62, 204-211. 氨和硝酸的作用正在加大4 4 、氮沉降 、氮沉降 1. 华北已成为全球氮沉降最高的区域，高于欧美目前沉降量5-10倍； 2. 农业施肥管理中需要考虑这部分“天然氮肥”的利用；但沉降量超出了自 然生态系统所能承受的临界负荷，也可能加剧水体的富营养化（美国五 大湖地区70%的污染来自大气沉降；我国仍是污水直排和径流）； 3. 揭示了氮以干沉降为主、主要为还原性氮。这为大气污染控制（农业源 NH 3 )提供了方向；为氮沉降生态效应评估提供了科学依据。 10% 40% 50% 氮沉降量 (kg N h
36、a -1 yr -1 ) 城市 工业区 郊区 农田 背景 氮沉降量 kg N ha -1 month -1 氮沉降季节变化明显 氮沉降季节变化明显 夏季最高 夏季最高( (农业活动 农业活动) ) 氮沉降通量 氮沉降通量 60.6 19.6 28.5-100.4 Pan, Y.P., Wang, Y.S., Tang, G.Q., Wu, D., 2012. Wet and dry deposition of atmospheric nitrogen at ten sites in Northern China. Atmos. Chem. Phys. Discuss. 12, 753-785.
