课件：大气颗粒物特性及其环境影响胡敏教授.ppt

颗粒物形貌和来源,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 SO42- NOx NO3- NH3 NH4+ VOC挥发性 有机物 SOA二次有机颗粒物,2,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,3,气溶胶粒子无处不在，无时不在。 在大气中的浓度： 质量浓度：TSP, PM10, PM2.5。集中在积聚模和粗模态 数浓度：污染城市高达105个/cm3。集中在核模和积聚模 表面积浓度 体积浓度 粒径：跨45个数量级，从几个nm100m。 化学组成： 几乎涵盖了所有化学组成 浓度含量从g/m3-ng/m3 多种采样和分析方法结合 严格的QA/QC,气溶胶粒径浓度/化学组成性质影响,颗粒物的物理化学特性,物理特性 粒径分布 3nm 100 m 光学特性 削光（散射、吸收）与粒径大小和化学成分有关 动力学性质 吸湿性 Hygroscopic growth factor 电学性质 化学组成 无机组成：离子 元素 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。,INHALATION PROPERTIES,鼻腔,口腔,肺部,支气管,细、超细颗粒物进入人体的部位,颗粒物空气动力学直径,沉降量%,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。,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 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.,光的散射和吸收 降低大气能见度 云凝结核 致酸物质 干沉降 危害生态系统 远距离输送 区域性酸沉降 区域及全球气候变化 污染物载体 携带有害有毒污染物 进入呼吸道 影响人体健康 化学反应床 多相化学反应,PM2.5的环境行为及效应,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 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,小粒子，大问题,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) 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； 给城市和区域大气污染监测、预报和控制带来新的挑战。,2019/8/23,19,可编辑,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. 1.41031.0 103 mm2cm-3 Volume Conc. 9070 mm3cm-3 PM10 Mass Conc. 153mg/m3,PV1/PV10: 75%,两点PM2.5一致性较好 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,两点PM2.5质量浓度24小时均值,北大 115 g/m3 榆垡 127 g/m3,Highlight 3: Regional pollution (regional hazy, PM2.5 and secondary composition elevated),Data of Beijing and Guangzhou, 2000,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,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，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,(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,(Gilmour, Ziesenis et al. 2004),肺泡巨噬细胞,分泌物,上皮细胞,纤维原细胞,淋巴,分泌物,分泌物,支气管,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,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。 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）。,反映区域复合污染现状的监测能力严重滞后,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。,目前我国城市空气质量监测主要问题,美国情况：从上世纪70年代初逐渐建立了涵盖整个国家，针对不同目的、不同级别的空气质量监测网络，被认为是保护、评估大气环境质量、污染综合防治的重要手段。 SLAMS(State and Local Air Monitoring Stations)，4000多个子站； NAMS（National Air Monitoring Network）,1080个子站； CASTNET(Clear Air Status and Trends Network)，主要位于乡村区域; PAMS（Photochemical Assessment Monitoring Network）, 22个子站,监测臭氧及其前体物; Supersites从1999年开始8个超级站。,国外空气质量监测现状,欧洲的情况：欧洲的酸雨观测计划（EMEP）是迄今最成功的跨国大气污染监测网络。 该监测网络依据欧洲污染物跨国输送公约，按照统一的规范建立和运行，监测范围覆盖了除前苏联之外的欧洲全境。 该监测网不仅揭示了酸雨在欧洲的输送规律，也提供了评估欧洲各国致酸物质排放削减的酸沉降量变化的实际效果，为欧洲酸沉降控制的决策提供了坚实的基础。,国外空气质量监测现状,Where are the aerosol supersites? Potentially all over!,Mauna Loa,Barrow,South Pole,Cape Grimm,Mace Head,Alert,Fresno Angiola,Trinidad Head,St Louis,Houston,Atlanta Yorkville,Pittsburgh,Baltimore,New York Whiteface Mt,Augsburg,Hyytiala,Pensacola Outlying Landing Field,Gulfport Oak Grove,Birmingham Centerville,Urban Regional Global,Gosan,Taipei,Kaohsiung,Beijing,Jungfraujoch,ABC Pyramid Nepal,Lulin,Waston，2007,建立“城市大气环境定位观测站” 长期综合研究颗粒物物理化学特性,“城市大气环境 定位观测站” 气态污染物 气态硫酸 颗粒物物理 颗粒物化学组成 降水化学 气象参数,城市大气环境定位观测站的特色,（1）全面系统地观测可吸入颗粒物的物理化学特性，积累大量长期的数据，揭示大气颗粒物的来源和演变规律，认识大气颗粒物的重污染过程，及其转化和去除机制。 （2）仪器设备先进，关注细和超细粒子。 TDMPS 3 nm10m颗粒物全谱分布。 HTDMA 大气颗粒物的吸湿增长; ID-CIMS 测定环境大气中气态硫酸浓度。 德国对流层研究所(IFT)和美国德州农机大学合作开展相关研究。 SJAC: SO2, HNO3, HNO2, NH3; SO42-, NO3-, NH4+，气态污染物和颗粒物间相互作用。 Sunset EC/OC 观测大气颗粒物中EC/OC，与CO和CO2结合认识和燃烧源排放颗粒物和二次转化。 （3）严格的质量控制与质量保证（QA/QC）。,空气质量的改善怎么就靠天帮忙了 ？ 谁动了