北京市空气质量时间变化特点分析

北京市空气质量时间变化特点分析 作 者 李佩悦 指导教师 王升堂 摘要：本文以北京市为例，对北京市 20002004 年的空气质量日报（包括首要污染物，污染指数，空气 质量级别以及空气质量状况等）进行分析研究，得出其年变化和月变化的特征以及中重度污染日的分布 特征，结果表明，从 2000 年到 2004 年中，北京市 2001 年和 2002 年的污染颇为严重，其平均的污染指 数为 113 和 112。北京市一年中，冬季污染较为严重，尤其是 12 和 1 月两个月份，这与北京市的能源结 构是密切相关的。2001 年是中重度污染日最多的年份，为 23 天；中重度污染日持续天数最多的是 8 天， 是在 2002 年 4 月份；中重度污染多发生在 3 月份、4 月份以及 11 月份，北京市的首要污染物是可吸入颗 粒物。 关键词：北京市 空气质量 时间变化 中重度污染日 首要污染物 Beijing air quality time variation characteristic analysis The author Peiyue Li Guides teachers Shengtang Wang Abstract : This paper in Beijing as an example. Beijing 2000 -2004, the air quality daily reports (including primary pollutants, pollution index, Air quality levels and the air quality status, etc.) for analysis and study, come to their change and changes on the characteristics of moderate to severe pollution day distribution, the results show that From 2000 to 2004, Beijing in 2001 and 2002, the pollution is quite serious. The average API of 113 and 112. Beijing year, the winter pollution is more serious, especially 12 and January 2 months This is Beijings energy structure is closely related. 2001 is heavily polluted days in the year up to 23 days; Moderate to severe pollution days sustained the maximum number of days is eight days. in April 2002; Heavy contamination occurred in March, April and November. Beijing is the primary pollutant PM10. Key word: Beijing city air quality time variation specific weight pollution date most important pollutant 1综述 上世纪中叶以来，北京市作为新中国的首都，成为国家重点扶持和发展的地区，工业、 能源、交通（特别是机动车保有量）等方面得到了飞速的发展，城市人口持续增加，建筑业 也蓬勃发展。但是，发展的同时，也造成了严重的大气污染问题，如工业污染、机动车污染、 煤烟污染、扬尘污染等等，可以说北京市的大气污染具有新老污染问题并存的特征，反映了 城市快速发展中面临的共同问题，随着社会工业化进程的加快，污染物排放总量在不断的加 2 大，污染范围在不断的扩大，人们的环境意识在不断的增强，对环境质量的要求在不断的加 强，因而就要求我们对于环境质量作出进一步的研究。 陈东升，程水源等利用 ARPS 与 Models/CMAQ 耦合模式模拟了 2002 年北京地区大气 PM10 的污染情况，模拟结果与监测值吻合较好，耦合模式较好的反映了北京市 PM10浓度的时空分 布特征，具有冬季多，夏季少的特点。马水亮，田中茂等分析了北京市大气颗粒物中多环芳 烃的污染特征，得出了影响 PAHs 浓度的气候条件主要有降水、气温和风速三项。降水可以 很大程度降低 PAHs 的浓度，非采暖期的 PAHs 浓度与温度有很好的相关性；杨复沫，余学春 等对北京市 PM2.5浓度的变化特征及其与 PM10、TSP 的关系进行了分析，得出了 PM2.5浓度的 周变化与季节变化规律、及其与 PM10、TSP 的比值在冬季最高，春季最低的结论，反映采暖 燃烧源对细颗粒物的贡献较大，而沙尘天气对组颗粒物的贡献较大。王玮，潘志等对北京市 春季沙尘暴天气大气气溶胶污染特征研究，其结果表明发生沙尘暴时大气气溶胶的污染水平 极高，这种情况在北京市只有发生沙尘暴时才可能出现，地表扬尘对大气气溶胶的贡献显著， 显示出沙尘暴时的污染特征。 本文以北京市为例，对北京市 20002004 年的空气质量日报（包括首要污染物，污染 指数，空气质量级别以及空气质量状况等）进行分析研究，得出其年变化和月变化的特征以 及中重度污染日的分布特征，从而找出北京市污染的主要原因，从而为北京市环境质量的改 善提供依据。 2研究区域概况 2.1 北京市地理位置和地形地貌 北京市位于北纬 39028-41 005 ，东经 115020-117 030，地处华北平原的西北端， 周围为河北省环绕，其中东部一小段与天津市接壤。北京地形大势为西北高，东南低，地貌 分为西部山地、北部山地和东南平原三大块。 北京处于半干旱、半湿润的地区，属于温带季风性气候，四季分明，春季干旱多风，夏 季炎热有雨，秋季天晴气爽，冬季寒冷干燥。年平均气温 11-12，1 月平均气温-7-4， 7 月平均气温 25-26；年降水量 640mm 左右，大都集中在夏季。全年以偏北风为主，年平 均风速 2.4 米/秒。北京冬春季节多风的特点，虽有利于采暖期大气污染物的扩散，但也加 重了地面扬尘污染。 。2006 年北京市气候变化见下表： 2006 年北京市气候要素变化表 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 平均气温 -3.7 -0.7 5.8 14.2 19.9 24.4 26.2 24.9 20.0 13.1 4.6 -1.5 皖西学院毕业论文（设计） 第 3 页 3 各月降水量 2.7 4.9 8.3 21.2 34.2 78.1185.2159.7 45.5 21.8 7.4 2.8 平均相对湿 度 44 44 46 46 53 61 75 77 68 61 57 49 日照百分率 65 65 63 64 64 59 47 52 63 65 62 62 极端最低气 温 -18.3-16.0-15.0 -3.2 2.6 10.5 16.6 11.4 4.3 -3.5-1.06-15.6 极端最高气 温 12.9 17.4 26.4 33.0 36.8 39.2 39.5 36.1 32.6 29.2 21.4 19.5 累年最多降 水量 21.0 26.3 40.5 79.0119.6236.3459.2297.7116.3132.5 43.4 16.3 累年最少降 水量 0 0 0 0.4 1.8 4.0 26.5 41.0 4.2 3 0 0 2.2 社会经济状况 北京面积 16808 平方千米，其中城区和郊区面积为 1369.9 平方千米，依据 2000 年第五 次人口普查数据，北京全市人口 1382 万，其中流动人口在 300 万左右。2005 年，北京市按 常住人口计算人均 GDP 达到 44969 元，折合美元为 5457 美元。2005 年北京市城市居民人 均可支配收入达到 17653 元。其中，20%的低收入户人均可支配收入同比增长 15.9%，增幅 首次高于 20%的高收入户 4.7 个百分点。城市居民人均可支配收入达到 17653 元，实际增长 11.2%；农村居民人均纯收入达到 7860 元，实际增长 8.1%。国际上通常用基尼系数来衡量 贫富差距程度，一旦基尼系数超过 0.4，就意味着步入了贫富差距拉大的黄灯区。目前，北 京市农村的基尼系数超过 0.3，城市的基尼系数不到 0.3，这说明本市农村贫富差距大于城市， 农村问题已引起政府高度重视。 2.3 能源结构 北京属于能源资源短缺地区，一次能源主要是储量较少的煤炭和少量的水电及地热等, 石 油和天然气尚未发现可供开采的工业储量。煤炭资源主要分布在京西，最大年产量为 1000 万吨，其中 97% 为无烟煤。 2 0 0 5 年能源消费总量达 5521.9 万吨标准煤，比 1999 年增加 2802.6 万吨，平均年增长率为 4.8%。从终端能源消费量看，近十五年来 （1990-2005） ，全市能源品种消费结构不断优化，消费结构由以煤为主逐步演变为以电、油、 4 气为主。煤炭、焦炭等污染较大的固体燃料在终端消费总量中的比重不断下降，煤炭由 1990 年的 37.9% 下降到 2005 年的 17.7%；焦炭由 1990 年的 8.6% 下降到 2005 年的 4.7%。北京市正从一次能源向二次能源转变。以下是 2006 年上半年北京市分产业能耗及变 化情况 2006 年上半年北京市分产业能耗及变化情况 万元增加值能耗（吨标煤/万元）能源消耗量（万吨标煤） 按现行价格计 算 按可比价格计算 2006 年 2005 年 增长 （%） 2006 年 2005 年 2006 年 2005 年 增长 （%） 合计 2830.0 2721.9 4.0 0.80 0.86 0.80 0.86 -7.0 第一产 业 44.0 43.6 0.9 1.30 1.24 1.32 1.24 6.5 第二产 业 1374.6 1334.9 3.0 1.42 1.57 1.39 1.57 -11.5 第三产 业 947.4 905.7 4.6 0.37 0.40 0.38 0.40 -5.0 生活消 费 464.0 437.0 6.0 由表可以看出：全市能源消费的产业构成随着产业结构调整发生着积极变化。其中，第 一产业能耗比重最低，第二产业能耗比重最高，但两者均呈下降趋势；第三产业能耗增长最 快，占总能耗的比重逐年提高；第三产业 2006 比 2005 年的能耗增长了 4.6%，而第二产业 只增长了 3.0%，第一产业增长了 0.9%。年生活消费相对比较稳定。 2.4 重要污染气象条件 2.4.1 风向与风速 大气污染浓度变化与风速变化成反比，风大时污染轻；风小时污染重。北京大部分地区 平均风速为 1M/S-2。7M/S，城区与一些谷地，盆地的风速较小。一年中，平原地区春季风 速最大，冬季次之，一些山区及风口地带，冬季风速最大，春季次之，全市夏季风速小，秋 季次之。一天中，风速有明显的变化，8 时风速开始加大，午后最大，日落前开始急减，凌 晨至日出最小。可见，风速是影响污染物扩散的主要因素之一。 北京属于季风气候区，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，春秋两季为季风转换期。风 向受地形影响显著，从古北到密云县城关是东北-西南走向的河谷地带，冬季盛行东北风， 夏季盛行西南风。一天中，如无较强的天气系统影响，北京平原地区受山谷风影响，下午到 皖西学院毕业论文（设计） 第 5 页 5 前半夜多偏南风，后半夜至午夜多偏北风，春夏季，一天内偏南风持续时间较长，11 时至 夜间 2 时左右为偏南风，其余为偏北风，秋季，13 时到 22 时为偏南风，其余为偏北风。大 气污染浓度与风向也密切相关，一般来说，上风向常常因污染物被带走而浓度降低，下风向 是污染物的输送方向，浓度将增高。最多风向的下风向，高浓度污染机会多。但小风时，下 风向近距离污染严重。污染浓度与风向有关，又与风速大小、距离远近有关。 2.4.2 气温 气温的时间变化是引起大气污染浓度的另一重要气象条件。它与大气的稳定度有着密切 的关系。北京市2006年平均气温的统计结果见下表： 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 平均气温 -3.7 -0.7 5.8 14.2 19.9 24.4 26.2 24.9 20.0 13.1 4.6 -1.5 极端最低气温 -18.3-16.0-15.0 -3.2 2.6 10.5 16.6 11.4 4.3 -3.5-1.06-15.6 极端最高气温 12.9 17.4 26.4 33.0 36.8 39.2 39.5 36.1 32.6 29.2 21.4 19.5 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 1月 4月 7月 10月 平 均 气 温 2006年北京市气温年变化曲线图 北京市年平均气温，平原地区在11-12，城区略高于13，一年中，一月平均气温最 低（零下4.3） ，1月-7月逐渐升高，7月最高（25。9） ，7月-12月逐渐降低，呈单峰曲线， 表现出大陆性气候的基本特征。气温年较差（7月与1月平均气温差）在30-32。年极端最 高气温大多出现在两季之前的6月上旬到7月下旬，年极端最低气温一般出现在12月下旬至1 月之间。 6 一天的最高气温，春季出现在16时前后，夏秋冬三季出现在15时左右，最低气温，春秋 季出现在6时左右，夏季出现在5时前后，冬季出现在7时到8时。气温年较差（日最高气温与 日最低气温之差） ，在少云，少雨，干燥的春季最大，晴朗少云的秋季次之，潮湿多云的夏 季最小，晴朗，干燥，昼短夜长的冬季介于夏秋之间。气温日较差年平均值平原地区在11- 12，山谷、盆地最大为12-13，山峰最小为8，个别年份可达20-27。 2.4.3 逆温 在少云无风的夜间，太阳辐射等于零，近地层大气也随着变冷，下层气温下降比上层快， 气层温度呈现上高下低的现象，这就是近地层大气温度的逆温状态。这时气层中以下沉气流 为主，大气中的污染物随着逆温下沉气流沉积到低层，致使污染物的浓度越来越高。这种气 层温度随高度增加的逆温现象，是造成大气高浓度污染的气象因子。低层逆温对大气中污染 物的扩散有显著的抑制作用，并且近地逆温的出现频率和强度、厚度及高度都能不同程度的 影响大气污染浓度。 北京市强污染日期间的逆温层结构 通过上表可以看出，秋冬夏三季的强污染日均有逆温发生。其中，秋冬2季逆温结构为 接地逆温或多层逆温。此条件下，TSP，CO，SO2，NOX均会在逆温层下产生不同程度的积累， 污染日下的浓度可比晴朗日高出1-2倍。 2.4.4 城市热岛 北京市是个特大城市，市区工业区多、人口及建筑密度大，由于人们的生产和生活活动 集中，而成为一个热源，使市区气流复合上升，郊区气流吹向市区的热岛环流。北京的热岛 强度具有冬季最大，秋季次之，夏季最小的特点。在晴朗天气条件下，夜间的热岛强度大于 白天，甚至1月和10月中午的月平均热岛强度可为负值。冬秋季热岛强度日变化幅度大，春 季次之，夏季最小。一天中，热岛强度呈双峰变化规律，峰值出现时段与城区采暖，生活 皖西学院毕业论文（设计） 第 7 页 7 时段一致。 图1 19982003 年北京市7、8 月份不同热岛强度不同时次出现频次 图2 19982003 年北京市7、8 月份不同热岛强度出现频次 图1 中可以看到,热岛强度小于0 的情况(冷岛) 主要出现在14时和08 时;热岛强度为 24 的情况主要出现在02 时和20 时,08 时和14 时出现的频次明显偏少;而热岛强度大 于4 的强热岛情况主要出现在02 时,其次是20 时,白天的08 时和14 时几乎不出现. 但总 的来说,热岛强度为02 的情况出现的频次为最高. 图2给出了不同年份不同热岛强度出现频次. 可以看到,各年份中热岛强度为02 的情 况出现的频次最高,其次是2 以上的热岛强度. 但同时也可以发现,2 以上的强热岛情况 8 基本是呈上升趋势:19982001 年上升非常明显,由1998 年的66 次P年上升到2001 年的101 次P年,升幅超过50 %. 而20022003 年北京市超过2 以上的强热岛现象发生天数有所下 降,分别为81次/年和76次/年 3.北京市空气质量的年变化分析 3.1 北京市大气污染物排放概况 年份 二氧化硫 二氧化氮 可吸入颗粒物 总悬浮颗粒物 一氧化碳 1998 年 0.120 0.074 未测 0.378 3.3 1999 年 0.080 0.077 0.180 0.364 2.9 2000 年 0.071 0.071 0.162 0.353 2.7 2001 年 0.064 0.071 0.165 0.370 2.6 2002 年 0.067 0.076 0.166 0.373 2.5 2002 年与 1998 年比 较 44.2% 2.7% 7.8%* 1.3% 24.2% 表 1 19982002 年市区主要大气污染物年平均值（单位：毫克/立方米） 表 1 为北京市 19982002 年市区主要大气污染物年日均值，结果表明，北京市的排放 量最大的是 CO，各类污染物的排放浓度基本成下降的趋势，只有 NO2 在 2002 年比 1998 年 增长了 3 个百分点。这主要是由于政府加大了管理的力度，人们也开始意识到了环境的重要 性。 1996 年北京市大气中降尘量状况 春季 夏季 秋季 冬季 年均 城近郊区 19.6 13.7 13.2 12.2 12.3 远郊区县 15.3 10.5 11.9 11.6 12.3 清洁对照点 8.3 5.3 5.2 3.7 5.6 1998 年北京市大气中降尘量状况 春季 夏季 秋季 冬季 年均 城近郊区 21.3 13.2 13.2 13.1 15.2 远郊区县 16.9 10.4 10.1 10.6 12 清洁对照点 9.1 5.1 3.3 3.8 5.3 由上表知道，北京市的大气的平均降尘量处于下降的趋势，四季的降尘量状况为：春 夏秋冬，这主要是由于北京市冬天寒冷，需大量烧煤而引起的降尘浓度升高的原因。 3.2 北京市的空气质量概况 皖西学院毕业论文（设计） 第 9 页 9 作为中国的第一大城市和全国的政治中心的北京，城区人口密集，工、商业分布相对集 中，城区每年排放的废气总量超过 3000 亿标立米，其中城区占 80%以上，对大气造成严重 的污染。就整个城市大气质量平均状况而言，属于轻度污染型，见下表， 年份 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 优良的天数 119 185 203 221 0 50 100 150 200 250 2000年 2002年 2000年 2001年 2002年 2003年 上表是 2000 年-2003 年空气质量是优良的天数，可以看出从 2000 年以来，空气质量在 逐渐变好。2000 年是 119 天，2001 年是 185 天，2002 年是 203 天，2003 年是 221 天。 3.3 北京市空气质量年变化分析 3.3.1 空气质量变化概况 作为拥有多万人口、又处于经济发展较快的特大型城市，北京市在大气环境治 理方面，已经做出了艰苦的努力， “蓝天” 天数由年的天，增加到年 的天，提高了。但空气质量距国家标准和“绿色奥运” 的要求仍有较大差距，所 以提高北京的空气质量成为现阶段工作的重点和难点。下图是北京市 2000 年 6 月 5 日至 2004 年 10 月 9 日，持续 1589 天的空气质量状况，其中优良的天数是 909 天，占到总天数 的 56%，中重度污染的天数是 43 天，只占了很少的比例。北京的空气质量级别也都集中在 、和，在以上的很少，只有 3 个百分点。 优 良 轻微污 染 轻度污染 中度污 染 中度重 污染 重度污 染 总计 1589 97 812 501 115 21 15 28 1589 % 6.10 51.10 31.53 7.24 1.32 0.94 1.76 100.00 指数值 50 51-100 101-150 151-200 201-250 251-300 300 质量级别 1 2 1 2 10 优 良 轻 微 污 染 轻 度 污 染 中 度 污 染 中 度 重 污 染 重 度 污 染 3.2.2 空气质量年变化分析 下图是 2000 年到 2004 年各年的污染指数 年份 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 2004 年 污染指数 102 113 112 97 106 85 90 95 100 105 110 115 2000年 2002年 2004年 污 染 指 数 3.2.3 空气质量月变化分析 下图是 2000 年 6 月到 2004 年 10 月北京市空气质量的污染指数 年份 月份 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 2003 年 1 月 113 116 93 89 2 月 119 110 101 108 3 月 158 155 105 125 4 月 131 171 104 116 5 月 154 94 94 87 6 月 118 106 89 95 97 7 月 86 84 86 94 77 8 月 89 80 96 86 86 9 月 95 92 91 86 94 皖西学院毕业论文（设计） 第 11 页 11 10 月 86 118 98 98 176 11 月 133 102 105 119 12 月 110 102 135 94 020 4060 80100 120140 160180 200 1 3 5 7 9 11 2000年2001年 2002年2003年 2004年 3.2.4 中重度污染日分析 表 1 年份 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 2004 年 总数 7 23 17 4 13 表 2 月份 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 2004 年 1 0 1 2 0 0 2 0 2 0 0 2 3 0 7 3 2 4 4 0 3 8 0 4 5 0 6 0 0 0 6 3 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 10 0 3 1 1 3 11 4 1 1 2 0 12 0 0 2 0 0 12 图 1 0 5 10 15 20 25 2000年 2002年 2004年 2000年 2001年 2002年 2003年 2004年 2000 年到 2004 年中中重度污染日数统计表 图 2 01 23 45 67 89 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2000年2001年 2002年2003年 2004年 通过表 1 和表 2 可以看出 2001 年是中重度污染日最多的年份，为 23 天，其他年份相差 不大，由图 1 和图 2 可以得出，中重度污染日天数持续最多月份是 2002 年的 4 月份，为 8 天；次多的是 7 天，分布在 2001 年的 3 月份；由图 2 可以得出，中重度污染多发生在 3 月 份、4 月份以及 11 月份，北京市的首要污染物是可吸入颗粒物。这都于北京的地理地势和 下垫面有着非常重要的联系。 4结论与讨论 4.1 结论 北京市属于暖温带湿润，半干旱季风型大陆性气候，具有冬季寒冷雨雪少，春季风大湿 度小，夏季炎热雨集，秋季凉爽光照足的显著特点，而且有明显的地域差异。由于雨热同季， 气候资源丰富，但地处冷暖空气交汇地带，气候水量变幅大，干旱、暴雨、大风、冰雹、寒 潮等，气象灾害频繁发生。 1.从 2000 年到 2004 年中，北京市 2001 年和 2002 年的污染颇为严重，其平均的污染指 皖西学院毕业论文（设计） 第 13 页 13 数为 113 和 112。 2.北京市一年中，冬季污染较为严重，尤其是 12 和 1 月两个月份，这与北京市的能源 结构是密切相关的。 3. 2000 年到 2004 年中，2001 年是中重度污染日最多的年份，为 23 天；中重度污染日 持续天数最多的是 8 天，是在 2002 年 4 月份；中重度污染多发生在 3 月份、4 月份以及 11 月份，北京市的首要污染物是可吸入颗粒物。这都与北京的地理地势和下垫面有着非常重要 的联系 4.2 讨论 近年来采暖期有缩短的趋势,20 世纪 90 年代采暖期比 60、70 年代缩短近 10 天,比 80 年代缩短 5 天左右。 北京市的空气质量指数自 2000 年以来明显变好，这都与北京市的能源结构有着密切的 关系，北京市正从一次能源向二次能源转变，同时采暖期也比 60、70 年代缩短近 10 天，比 80 年代缩短 5 天。 致 谢 感谢四年来所有授课教师，特别是专业课教师给予我的谆谆教导与鼓励，还有院里领导 给予的关怀与帮助。尤其是感谢导