（环境科学专业论文）天津地区气溶胶污染特征研究.pdf

a b s t r a c t p m l 0c o n c e n t r a t i o nf r o mt i a n j i ne n v i r o n m e n to b s e r v ec e n t e r , p m 2 5c o n c e n t r a t i o nf r o m 2 5 5 mt o w e ro v e rt i a n j i n , t o g e t h e rw i t ht h es i m u l t a n e o u so b s e r v e dm e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r s ， i n c l u d i n g 晰i l d ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , m i x i n gl a y e rh e i g h ta n dw e a t h e rt y p eb e t w e e n 2 0 0 6a n d2 0 0 7a r eu s e dt os t u d yt h et e m p o r a la n dv e r t i c a ld i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s u s p e n d e dp a r t i c u l a t ei nt i a n j i n 。t h eb a s i cr e a s o nc a u s e dr e g i o n a lp o l l u t i o ni sd i s c l o s e d t h r o u g ha l la b o v es t u d i e si nt h i sp a p e r t h e y a r e - ( 1 ) a i rp o l l m i o ni s s e v e ri nw i n t e ra n ds p r i n g ，p m i om a s sc o n c e n t r a t i o ne x c e e d e dt h e c h i n e s eg r a d e - i i is t a n d a r d s ，w h i c hi sm a i n l yc a u s e db yf u g i t i v ed u s t , c o a lc o m b u s t i o n , n a t u r a l d u s ta n dv e h i c u l a re m i s s i o n t h eh i g h e s tm a s sc o n c e n t r a t i o no fp m l 0i so b s e r v e dd u r i n gs p r i n g ， a n ds e c o n d a r yd u r i n gw i n t e r ( 2 ) s e a s o n a lv a r i a t i o n so fp m 2 5a r es i g n i f i c a n t , w h i c hi st h eg r e a t e s ti nw i n t e r , a n dt h e s m a l l e s ti ns p r i n g ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mp m i od a i l yv a r i a t i o no fp m 2 5a te a c hs e a s o ni sa l s o s i g n i f i c a n t , w i t ht w oo b v i o u sp e a k so b s e r v e d r e s u l ta l s os h o wt h eh i g h e s tp m2 5m a s s c o n c e n t r a t i o ni so b s e r v e da t2 2 0 mh e i g h t ( 3 ) t h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si ss i m i l a r l yf o rd i f f e r e n ts i z ep a r t i c u l a t e ，t h en u m b e ro f p m 2 5i sf a ra b o v et h ec o a r s ep a r t i c u l a t e ( 4 ) t h ep m z sm a s sc o n c e n t r a t i o na td i f f e r e n th e i g h tv a r i e sl i t t l ew i t hw i n dd i r e c t i o n , s o ，ac o n c l u s i o ni s d r a w nt h ep a r t i c u l a t ep o l l u t i o ni nt i a n j i ni sm a i n l yc a u s e db yl o c a ls o u r c ee m i s s i o n s ( 5 ) t r e n dv a r i a t i o no fp m 2 5m a s sc o n c e n t r a t i o ns h o w ：p m 2 5c o n c e n t r a t i o nw a sn e g a t i v e l y c o r r e l a t e dw i t ht e m p e r a t u r e ，a n dp o s i t i v ec o r r e c t e dw i t hr e l a t i v eh u m i d i t y a tt h es a m et i m e ，h i g h r e l a t i v eh u m i d i t yu s u a l l yc a u s ep r e c i p i t a t i o n , w h i c hc a n s c a v e n g i n gt h ep a r t i c u l a t e 。 ( 6 ) g i v e nt h ep o l l u t a n te m i s s i o ns o u r c e 3 ，p m 2 5a n dp m l 0m a s sc o n c e n t r a t i o na r ep o s i t i v e c o r r e c t e dw i t hw i n ds p e e d w i 耐d i r e c t i o na l s oh a v ee f f e c to np mc o n c e n t r a t i o n , s e w , = rp m l 0 p o l l u t i o nm a i n l yo c c u r r e da th o m o g e n e o u st y p e ，f r o n t a lt y p es y s t e m s ( 7 ) m i x e d - l a y e rh e i g h ti s w e l lc o r r e c t e dw i t hf i n e p a r t i c u l a t em a s sc o n c e n t r a t i o n , h i 【g h m i x e d l a y e rh e i g h ta r et y p i c a l l ya s s o c i a t e dw i t ht h el o wm a s sc o n c e n t r a t i o n k e yw o r d s ：a e r o s o l ，p m 2 5 ，p m i 0 ，v a r i a t i o n a lc h a r a c t e r ，m e t e o r o l o g i cf a c t o r i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：王小；波以 油驴年，d 月谚日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于l o 年 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于龄年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：知、旋以 籼盼f 。月谚日 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究意义 工业革命以来，人类社会快速发展，取得了包括经济在内的多方面的巨大 成就，然而在创造辉煌物质财富的同时，消耗了大量的能源，产生大量的大气 污染物正影响着地球生态平衡和气候变化，威胁到人类社会的生存和发展。诸 如光化学烟雾、酸雨等问题已经成为全球大气科学研究的前沿性问题。其中近 地层臭氧、氮氧化物、二氧化硫、可吸入颗粒物、一氧化碳、铅被美国e p a 列 为六种首要大气污染物。 气溶胶( a e r o s 0 1 ) 是指悬浮在大气中的固体和液体颗粒与大气构成的悬浮 体系的统称。实际工作中人们也将悬浮在大气中的固体或液体颗粒称为气溶胶。 虽然颗粒物只是地球大气中含量很少的组分，但对环境、气候和人体健康均有 重要影响。二十世纪五十年代前后在世界上不同地区的城市中发生了几起著名 的空气污染事件，如1 9 4 6 年的洛杉矶烟雾事件、1 9 5 2 年的伦敦烟雾事件和1 9 6 1 年四日市哮喘病事件，都与颗粒物的污染有关。近年来，大量的流行病学研究 观察发现，大气颗粒物的小幅度增加也会导致呼吸系统及心血管系统等疾病和 死亡率增加。同时，大气颗粒物对气候、能见度的影响也引起人们越来越多的 关注【1 5 1 。 自从我国改革开放以来，随着经济的发展和城市化进程的不断加快，以城 市为中心的大气污染问题日趋严重。随着交通的发展、机动车辆的增加、环境 的日益破坏，颗粒物污染尤其p m 2 5 污染会越来越严重，目前已受到了全世界的普 遍关注。大气颗粒物已成为我国大多数城市的首要污染物，是影响城市空气质 量的主要因素。大气气溶胶表征的研究已经成为大气环境的重要研究课题。颗 粒物是一种重要的空气污染物，颗粒物的大小、形态和组成与人类健康密切相 关。颗粒物粒径大小不同，被吸入并沉积在呼吸系统的部位也就不同，对机体 危害也有明显差异。 】 第一章绪论 1 1 1大气颗粒物对人体健康的影响 可吸入颗粒物是反映大气质量的一个重要指标。而直径2 5 细颗粒物( p m 2 5 ) 在可吸入颗粒物中占相当大的比重，约为7 0 ，p m 2 5 是指由固体粒子和液态粒子 混合组成的、粒径小于2 51 tm 的细粒子。p m 2 5 是典型的大气累积性的复合污染 形态。p m 2 5 的复合污染作用往往超过传统的大气污染物，日益成为表征城市大气 污染的首要指标n 副。在影响大气能见度的粒子中，p m 2 5 占有主导地位。同时，p m 2 5 是城市大气污染物中损害人体健康的元凶：由于它的形态和组成相当复杂，不 仅含有大量的有机物如苯并芘，而且富集许多重金属如p b 、n i 、c d 、c f 等，更 容易沉降在呼吸道及深部肺泡内，p m 2 5 除了本身对人体呼吸系统具有刺激作用、 致敏作用及其它有害作用外，同时它还可能作为携带细菌微生物、病毒和致癌 物的载体侵入人体肺部，严重危害人体健康n 引。表1 1 总结了大气颗粒物对人 体健康的影响，所导致不同系统的疾病。大气颗粒物作为一种重要的大气污染 物，其粒径大小不同，被吸入并沉积在呼吸系统的部位不同，引起机体的危害 也有明显差异。一般来说，粒径小的颗粒物沉降速度慢，在空气中的悬浮时间 长，与人体接触机会大。图1 1 表明不同粒径的气溶胶颗粒物进入人体器官的分 布。 表1 1 大气颗粒物对人体健康的影响 刺激肺部使其出现炎症 肺功能下降，肺部排除污染物的能力降低 吸吸系统 导致鼻炎、慢性咽炎、慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿等疾病恶化 引起哮喘等过敏性疾病和矽肺、石棉肺、肺气肿等肺病 可引起血液成分的改变，血液粘度增加，血液凝集以及血栓形成 心血管系统 可引起动脉收缩，血压升高 降低免疫功能，增加对细菌、病毒等感染的易感性，使机体对传染的抵抗力 免疫系统 下降病 2 第一章绪论 病原微生物随颗粒物进入体内后，使机体抵抗力下降，诱发感染性疾病 神经系统导致高级神经系统紊乱和器官调解失能，表现为头疼、头晕、嗜睡和狂躁等 颗粒物所吸附的多环芳烃化合物( p a h s ) 是对机体健康危害最大的环境三致( 致 癌症的发生 癌、致畸、致突变) 物质，其中苯并芘( a ) 能诱发皮肤癌、肺癌和胃癌 图1 1 不同粒径的气溶胶颗粒物进入人体器官的分布图 1 1 2大气颗粒物对气候和环境的影响 太阳辐射在大气传输过程中，受到大气中各种气体成分以及气溶胶粒子的 影响，其辐射强度、传输方向以及偏振状态都会发生变化。气溶胶颗粒能作为 水滴和冰晶的凝结核，太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是 大气的重要组成部分。通过吸收与散射效应影响辐射平衡，大部分气溶胶对大 3u 第一章绪论 气起冷却作用，而吸收性气溶胶( 如黑碳) 吸收太阳辐射加热大气，其效应类似 于温室气体。科学研究已经证明，p m 2 5 是引起大气消光的主要因素，主要的消光 成分有硫酸盐( s u l f a t e s ) 、硝酸盐( n i t r a t e s ) 、铵盐( a m m o n i u m ) 、有机碳( o c ) 、 黑碳( e c ) 、地壳矿物质( c m ) ，其中硫酸盐气溶胶是主要的光散射物种，黑碳气 溶胶是主要的吸光物种。同时气溶胶影响到达地面的光化辐射通量，对地表的 光化学反应过程有重要影响。气溶胶与光化辐射通量、大气光化学反应、非均 相化学有密切关系。大气气溶胶的气候效应是当前全球变化中的热点研究领域 之一。 虽然颗粒物在大气中只占很少的一部分，但对城市大气光学性质的影响可 达9 9 。宋宇等盯1 研究表明，p m 2 5 与能见度密切相关，p m 2 5 对光散射效应是使能 见度降低的最主要因素，由于部分入射辐射受颗粒散光的影响会反射到宇宙空 间，从而使入射辐射的强度减弱。在大气气溶胶中，主要是粒径为o 1 | lm 1 0ui l l 的颗粒物通过对光的散射导致能见度降低，其中含有s 0 4 2 - 和n 0 3 - 的粒子最 易散射可见光，细粒硝酸盐颗粒的散光效应比硫酸盐更强。澳大利亚g r i f f i t h 大学的c h a n 硝1 等研究认为，在布里斯班由颗粒物质引起的散光效应同细粒气溶胶 的质晕，特别是细颗粒中的煤烟、硫酸盐和非土壤( n o n s o i l ) 钾的质量有很强 的相关关系，散光系数平均占总消光系数的4 9 。p m 2 5 对光的吸收效应几乎全部 由黑碳( 也称元素碳) 和含有黑碳的颗粒物造成的。尽管全世界每年排放的黑碳 仅占人为颗粒物排放量的1 l 2 5 和全部颗粒物排放量的0 2 1 o ，但 其引起的消光效应却要高得多，在某些地方甚至可以使能见度降低一半以上。 根据c h a n 等的研究，在澳大利亚布里斯班，细颗粒物的吸光系数占总消光系数 的2 7 8 ，能见度污染的主要来源包括机动车辆尾气、生物质的燃烧以及工业 和农业灰尘。利用多元线性回归分析得出煤烟、硫酸盐、瑞利散光、非土壤钾 和湿度对能见度降低的贡献平均为5 3 、2 1 、2 0 、2 9 、2 和3 ，而从 能见度污染源来讲，布里斯班的机动车辆尾气( 包括煤烟和二次污染物) 平均占 总消光系数的一半以上，其次是二次污染物硫酸盐( 1 7 ) 和生物质的燃烧( 1 0 4 第一章绪论 ) 。美国保护能见度联合监测网络i m p r o v e ( i n t e r g e n c ym o n i t o r i n go f p r o t e c t e dv is u a le n v i r o n m e n t ) 经过长期对气溶胶和能见度的观测研究，揭 示了污染物和能见度的关系，建立了消光系数的化学核算公式，并据此研究能 见度的长期变化趋势，即：b e x = 3 f ( r h ) 【( n h 4 ) 2 s 0 4 】+ 3 f ( r h ) 【n h 4 n 0 3 】+ 4 f ( r h ) o r g a n i c s 】+ i o b c 】+ 【s o i l 】+ 0 6 c o a r s em a s s 】+ 10 ，其中b e x t 为消光系 数，f ( r h ) 为湿度增强因子，硫酸盐以( n h 4 h s 0 4 形式存在，硝酸盐以n h 4 n 0 3 形式存在，o r g a n i c s 为总有机物，s o i l 为土壤元素总和，c o a r s em a s s 为p m 2 5 - 1 0 。 1 1 3 我国城市大气颗粒物的污染状况 中国环境状况公报( h t t p ：w w w s e p a g o v c n p l a n ) 表明，我国自二十世纪七 十年代中期以来一直重视对烟尘排放的治理并取得了一定成效，从1 9 9 0 年至 2 0 0 0 年，t s p 的年均浓度下降了3 3 1 。2 0 0 5 年全国5 2 2 个城市环境空气总体质 量与上年相比，优于二级的城市比例增加了1 2 6 ，劣于三级的城市的比例减少 了9 9 ，城市空气质量有所改善，其中环保重点城市空气质量基本保持稳定并 呈好转趋势。但颗粒物污染问题依然十分严重，据国家环境保护部的相关报告： “我国4 8 1 的城市空气质量处于中度或重度污染，颗粒物仍是影响我国空气质 量的首要污染物，大多数城市人口长期生活在可吸入颗粒物超标的空气环境中， 人口超过百万的特大型城市，空气中二氧化硫和颗粒物超标比例高，空气质量 达标比例低”。 p m 2 ，5 的质量浓度是p m 2 5 的一个重要指标，它可以表示一个城市p m 2 5 的污染 水平。我国对细粒子的研究起步较晚，从2 0 世纪9 0 年代逐渐开展研究，研究区 域主要集中在北京、珠三角和长三角的部分城市。魏复盛等n 伽研究了1 9 9 5 , - - , 1 9 9 6 年我国广州、武汉、兰州、重庆等4 个大城市空气p m 2 5 的污染水平，1 9 9 5 年p m 2 5 年均值浓度为5 7 1 6 0 1 a g m 3 ，比美国1 9 9 7 年颁布的标准( 1 5 p g m 3 ) 高2 8 - - 9 7 倍；杨复沫等n 2 1 测得1 9 9 9 年北京车公庄和清华园采样点的m r 5 年均质量浓度分别 为11 6 “g m 3 、1 2 9 t 上g m 3 ，2 0 0 0 年的年均质量浓度分别为9 7 t g m 3 、1 0 2 p g m 3 ；胡 5 第一章绪论 衡生等口3 1 研究了南宁市2 0 0 2 年p m 2 5 的污染水平，显示南宁市p m 2 5 污染很严重，根 据美国p m 2 5 的日平均质量浓度标准计算，日均超标率为9 2 5 ，p m 2 5 占p m i o 的大 部分，约为6 3 5 ，徐宏辉等研究2 0 0 4 、2 0 0 5 北京秋季p m l 0 、p m 2 5 质量浓度分别 为1 5 5 腿m 3 、9 7 斗g m 3 ，p m 2 5 占p m l o 的6 2 ，这些都说明我国的p m 2 5 污染很严重， 应当引起公众和相关职能部门的高度重视。 1 1 4 天津大气颗粒物的污染状况 “十五”期间天津环境质量报告书表明，城区国控测点二氧化硫、二氧化氮、 可吸入颗粒物( p m l o ) 、总悬浮颗粒物( t s p ) 及一氧化碳均存在不同程度的超 标现象。其中，颗粒物( p m l o 、t s p ) 各年的日均值超标率居首位，五年的超标 率范围p m l o 为1 6 6 , - 一，4 7 7 ，t s p 为2 5 7 - 3 6 6 ，其中2 0 0 1 年为最高，2 0 0 5 年最低( 见表1 2 ) 。 表1 22 0 0 1 2 0 0 5 年天津市城区各国控点监测结果 单位：m g m 3 年度 项目 2 0 0 1 年 2 0 0 2 年2 0 0 3 焦2 0 0 4 年2 0 0 5 年 采暖期o 1 9 70 1 6 9o 1 4 20 1 2 8o 1 1 5 非采暖期 o 1 6 40 1 1 60 1 2 60 0 9 80 0 9 9 p m l 0 年均值0 1 6 7 o 1 3 8 0 1 3 3 0 1 l l0 1 0 6 超标率4 7 72 9 o3 2 61 9 91 6 6 总悬浮颗粒物在“九五 、“十五近十年的变化趋势如图1 2 所示，可以 看到总悬浮颗粒物在“十五 期间呈下降趋势。“十五 初期总悬浮颗粒物受自 然风沙尘的影响尤为突出，2 0 0 1 - - 2 0 0 2 年，我国西北地区连续发生多次大范围 的强沙尘暴，影响范围由西部至东部，席卷了半个中国，造成了全国性的自然 灾害。天津地处华北平原东部，北临北京，是受沙尘暴灾害影响较重城市之一。 受沙尘天气影响，沙尘发生时总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物污染明显加重，当 日a p i 指数一般可达中、重度污染状态。 6 第一章绪论 1 9 l 71 9 驰1 9 鹎2 0 0 02 0 0 l 2 0 0 22 3 2 0 0 4 2 0 0 5 图1 2 九五、十五期间天津市城区总悬浮颗粒物年均值变化趋势 近几年来，天津市在控制城市污染等方面采取了大量有效的措施，从大气 气溶胶的污染现状和控制情况来看，总悬浮固体颗粒物( t s p ) 的排放得到控制， 总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物的年均质量浓度呈现总体下降趋势。近6 年的自动 系统监测结果显示，我市环境空气中可吸入颗粒物的污染水平也呈逐年减轻趋 势( 图1 3 ) ，2 0 0 5 年的浓度年均值为0 1 0 6 毫克立方米，已接近标准限制，并且 该年度的日均值超标率也达到五年来的最低值。 图1 3 2 0 01 2 0 0 6 年天津市p m l o 质量浓度变化 天津大气环境目前的严峻形势源于多方面原因，近年来主要原因和表现为： 1 ) 春季气候原因造成的沙尘暴与城市基建引起的地面扬尘交互作用造成的颗粒 物高浓度污染；2 ) 机动车保有量迅猛增长，汽车尾气，燃油挥发等产生的n 0 x 、 7 湖 珈 啪 枷 瑚 n n o n o 第一章绪论 c o 、v o c 和细粒子，以及这些污染物经过多种化学反应生成的细粒子、0 3 等二次 复合污染物，化学成分十分复杂，控制难度极大；3 ) 冬季采暖期燃煤、燃油形 成的以s 0 2 和细粒子为主的污染；4 ) 污染源超标排放，加之不利于污染物扩散 的气象条件导致的严重持续复合型污染频发；5 ) 周边地区工业污染的输送难以 预计和调控。多种不利条件形成的天津市复合型大气环境污染亟待深入研究， 应尽快制定切实可行的调控政策，从根本上解决天津大气污染问题。 第二节国内外研究进展 中国气溶胶化学的研究已经开展了2 0 多年。2 0 世纪8 0 年代初，中美合作 项目“洁净大陆本底大气气溶胶化学元素组成及来源 研究，开拓了中国气溶 胶化学研究的先河，初步揭示了亚洲中部洁净大陆大气中气溶胶化学元素的组 成特征、浓度谱分布及其来源，证实了沙尘气溶胶国际长距离输送的可能性。 “六五期间进行的“京津冀大气颗粒物的输送 攻关项目，初步阐明了我国 北方主要经济区的气溶胶特征。其后开展的燃煤城市气溶胶物理化学特征及来 源研究，揭示了以北京为代表的当时以燃煤为主要能源的北方大城市气溶胶化 学元素组成特点、元素浓度谱分布的双峰结构及其来源的复杂性和独特的季节 变化特征，证实了碱性气溶胶的存在是中国北方城市未出现严重酸雨的重要原 因。“七五”、“八五酸雨攻关项目为了研究酸性气体的大气化学过程而做 了很多气溶胶的观测研究工作。近年来，我国有关气溶胶的观测研究正在加强。 国家自然科学基金重点项目“中国地区气溶胶辐射特性研究 ，进行了气溶胶 光学厚度、吸收和散射特性的观测，为更好地利用卫星资料研究我国气溶胶的 区域分布及其随时间的变化规律打下了基础啪1 。 i 2 i 城市的大气外场实验研究 随着城市环境在大气科学中的重要性日益突出，w m o ( 世界气象组织) 在 “全球大气监测( g a w ) 计划中专门开辟了“城市气象学和环境研究”( g u r m e ) 项目。我国北京已被列为g u r m e 的首批先导性项目的研究对象。 8 第一章绪论 围绕城市大气环境问题，世界各国开展了很多外场实验研究。国外对城市 大气污染的研究由来已久，研究成果也非常多，对大城市污染的综合观测、机 理分析研究、空气质量预测预报模式的研究成果也有大量文献可查。就污染类 型来看，国外基本上是由煤烟型污染到汽车尾气型污染，具有出现一个治理一 个的特点。目前国外相关研究的焦点集中在大气光化学污染细粒子乃至超细粒 子的形成规律及时空分布特征，近十几年来，国外在大气光化学污染的反应机 理、光化反应模型、严重污染形成的相关气象和排放条件及生物体排放对区域 大气污染影响研究等方面都取得了较大进展。如美国进行的针对大气气溶胶和 对流层0 3 的t r a c e - p 和a c e - a s i a 大规模实验研究、加拿大l o w e rf r a s e r 河谷 进行的太平洋9 3 实地研究、欧共体在希腊雅典进行的m e d c a p h o t t r a c e 项目、 澳大利亚的m a q s 项目、日本东京正在开展的超大城市空气污染研究的i m p a c t 项目、美国自然科学基金会、能源部的资助下正在墨西哥的墨西哥城开展的 m i r a g e - m e x 、m a x - m e x 空气污染研究项目等，从各个方面对光化学污染进行了 较为深入的研究。在这些研究内容里，大气光化学污染机理以及光化学污染物 的形成规律占据重要地位，它们是进行大气光化学模拟和综合控制以及研究光 化学污染对生物健康影响的基础。国外对可吸入颗粒物的研究始于观察粒径分 布，6 0 7 0 年代则集中在化学成分和污染源解析，8 0 - - - 9 0 年代则从流行病学的 角度对可吸入颗粒物的人体危害进行了研究。 以大气气溶胶细粒子p m 2 5 研究为主的纽约p m 2 5 技术评估和特征研究计划 ( p m t a c s n y ) 是近年来比较著名的城市环境外场研究计划之一。纽约市环境保 护局从2 0 0 0 年7 月开始对纽约地区细粒子污染状况进行了系统的观测研究，这 项工作已于2 0 0 4 年秋季结束，其研究的主要目的是分析细粒子与污染气体前体 物和气象条件的相关性；追踪纽约地区细粒子的来源；确定各种污染源之间的 相互关系。 与国外城市污染状况不同的是随着城市机动车辆的迅速增加，我国一些城 市的大气污染正向燃煤和汽车尾气排放并存的混合型转化，并且生物质燃烧造 9 第一章绪论 成的区域污染也对城市构成污染威胁。近些年来，我国开展了多项较有影响的 大型综合观测研究，取得多项阶段性的成果，如广东省政府与香港特别行政区 政府于1 9 9 9 年联合开展珠江三角洲地区大气环境质量研究项目；1 9 9 9 - 2 0 0 0 年由北京市环保局支持的北京市蓝天工程一北京市大气能见度改善项目；2 0 0 0 - - - 2 0 0 1 年由国家科技部支持的北京市大气污染成因和来源分析项目；2 0 0 1 , - - - 2 0 0 4 年，山西省发改委支持的山西省大气污染物中距离输送对北京的影响；国家重 点基础研究发展规划9 7 3 项目“长江、珠江三角洲地区土壤和大气环境质量变 化规律与调控原理”，以及北京市城近郊区大气污染预测预报研究、北京市 空气中颗粒物污染的优化监测及控制途径研究等项目，获得了大量宝贵资料， 开展了污染源调查、强化监测和模型调试，为环境管理决策提供了支持，为政 府的决策提供科学依据。 1 2 2 区域污染研究 随着研究的深入进行逐渐显示出治理大气污染不仅是一个城市的问题，而 是一个区域性问题。徐祥德 2 6 1 等的研究指出，城市周边大地形是形成城市环境 污染物扩散“瓶颈”的影响因素，在不同气象背景下，这些局地城市建筑群空 间结构与大地形因子亦是影响城市空气污染扩散效应的重要因素。由目前的一 些观测数据分析可知，城市之间污染物浓度的变化有着非常紧密的联系。如图 1 4 ，这是一张国家卫星中心提供的雾监测图像，从图中可以清楚地看到区域大 雾对华北地区造成颗粒物污染的影响。 1 0 第一章绪论 图1 42 0 0 4 年l o 月8 日f y 一1 d 卫星雾情监* i 信息 针对经济发展带和区域环境变化进行的研究主要有：1 9 9 6 1 9 9 9 年，美 国n a s a 开展的题为“快速发展中的中国长江三角洲都市农业复合体相互作用 研究”：1 9 9 8 2 0 0 1 年，国家自然科学基金委资助重大项目“长江三角洲低层大 气物理化学过程及其与生态系统的相互作用”：2 0 0 2 年，国家重点基础研究发 展规划9 7 3 项目“长江、珠江三角洲地区土壤和大气环境质量变化规律与惆控 原理”。目前，对城市群大气复合污染观测研究工作开展最好的是珠江三角洲。 主要研究项目包括：国家“七五”攻关课题“珠江三角洲地区大气环境容量研究”： 国家自然科学基金项目“珠江三角洲城市群大气气溶胶辐射特性的观测研究”、 “珠江三角洲和香港地区气溶胶污染与能见度f 降问题研究”；广东省政府拨专 款6 0 0 万元，由北京大学环境中心牵头，由省环境保护监测中心站、华南环境 科学研究所、广州市环境科学研究所、中科院广州地球化学研究所以及广州热 带海洋气象研究所组成了阵容强大的课题组，到目前为止已建成珠i 角大气动 态监测网珠三角1 6 个监测站点分布在广州、深圳、东莞、中山、佛山、香港 等地。目前珠三角每个城市都有一个监测站点，在从化一番禺惠州线上，还 有3 个区域站，香港的两个城区站和1 个区域站也被纳入这个监测网络中。目 前，北京市科委斥资2 6 0 0 万，正试图在京津冀地区建立一个初级环渤海经济 l l 第一章绪论 发展带城市群大气复合污染观测网，而长江三角洲城市群大气复合污染研究基 础相对薄弱。 1 2 3 污染特征研究 近年来，随着城市经济的快速发展和城市建设的日新月异，有必要在对城 市大气气溶胶的垂直分布进行长期的观测和研究，对近地层气溶胶的垂直剖面 上的研究越来越受到学者和专家的广泛关注，w a n gm i n g x i n g 啪1 ，丁国安乜射， c y c h a n 拈1 等分析了北京夏季气溶胶元素、有机碳、总碳以及质量浓度的垂直 分布特征；张仁健乜割，杨东贞幽1 等分析了北京冬、春季气溶胶元素和离子的垂 直分布特征，王庚辰瞳”等人对北京地区p m 2 5 的质量浓度的垂直分布进行了研 究，发现其随高度的增加而减小。w u 等人对澳门地区道路附近的p m 2 5 质量浓 度的垂直分布进行了研究，发现p m 2 5 的质量浓度随高度的上升先下降，当高 度上升至3 0 米左右后，浓度变化趋于平缓。杨龙等对北京秋冬季近地层p m 2 5 质量浓度的垂直分布轮廓线进行了回归分析，发现浓度随高度的变化成显著的 对数递减关系。 1 2 4 颗粒物限值标准 不论是发达国家还是发展中国家，空气颗粒物及其对公众健康影响的证据 都是一致的，即目前城市人群所暴露的颗粒物浓度水平，会对健康产生有害效 应。制订标准的过程需要考虑当地条件的限制、能力和公共卫生的优先重点问 题，并且以实现最低的颗粒物浓度为目标。定量危险度评价可以比较不同的颗 粒物控制措施，并预测与特定准则值相关的残余危险度。近来，世界卫生组织、 美国环境保护署和欧盟委员会都采用这种方法修订了各自的颗粒物空气质量标 准。( 表1 3 ) 1 2 第一章绪论 表1 3不同国家和组织对颗粒物限值的标准 注：w h o ：世界卫生组织；e u 欧盟；n a a q s ：美国空气质量标准；c e p bi i ：中国空 气质量二级标准；幸： 第三节本文的主要研究内容和技术路线 1 3 1 研究目标 本研究的目标是利用天津气象观测铁塔，通过开展对天津地区大气污染物 的连续观测，研究天津地区大气气溶胶浓度变化和污染特征，力求揭示城市大 气污染的扩散规律、形成机制及传输过程，为控制区域大气污染的政策的制定 提供一定科学基础。本文在以下两方面有所突破和创新。 ( 1 ) 利用边界层高塔，结合环境与化学观测仪器，对天津大气气溶胶进行 在线观测，特别是在近地层大气中的垂直梯度分布进行实时观测，研究污染物 浓度空间分布的规律和特征。 ( 2 ) 观测分析天津地区的污染物的分布特征，结合气象条件分析，初步揭 1 3 第一章绪论 示污染特征及其成因。 1 3 - 2 研究内容 本文对天津颗粒物污染的来源、污染趋势、浓度水平、变化特征等方面进 行了分析，尤其对细粒子的质量浓度、时间及空间变化规律、粒径分布以及颗 粒物受温度、湿度、风向风速等象条件的影响，边界层结构变化对p m 2 5 质量浓 度的影响等方面进行了较全面和系统的研究。本文的研究内容主要分为五部分。 第一部分绪论，概括了近年来国内外大气气溶胶研究的进展及其重大意义；第 二部分实验介绍，本章涉及到站点的选择、仪器操作、数据的采集和数据质量 控制方法；第三部分研究了天津市大气颗粒物浓度特征，分析了大气颗粒物重 点是p m 2 5 的时间和空间变化特征，以及不同粒径尺度颗粒物的污染特征；第四 部分重点讨论了p m 2 5 与气象条件的关系，分析了温度、湿度、风速风向、混合 层高度对污染物扩散和传输的影响。第五部分实验结果和展望，展示了本文的 研究结论，评价了本研究的不足和进一步努力的方向。 1 3 3 技术路线( 见图1 5 ) 1 4 第一章绪论 大气颗粒物观测实验ll资料收集 时间分布研究li 空间分布研究ll 区域分布研究 颗 粒 物 日 变 化 特 征 颗 粒 物 季 节 变 化 特 征 颗 粒 物 垂 直 变 化 特 征 与 北 尿 污 染 状 况 比 较 研 究 天津地区气溶胶污染状况与污染特征 图1 4研究技术路线 1 5 气象条件与气溶胶浓度关系分析 不同粒径颗粒物污染特征 第二章实验介绍 第二章实验介绍 第一节实验平台 利用天津大气边界层观测铁塔( 2 5 5m ) ，于2 0 0 6 - - 2 0 0 7 年分别在4 0m 、 1 2 0m 、2 2 0m 处设立监测点，通过监测到的p m 2 5 的质量浓度，结合同期气象等 资料分析天津地区污染物的污染水平、浓度特征和时空分布规律。 2 1 1实验地点及气候特征 实验地点位于天津市大气边界层梯度观测站 ( n 3 9 。0 4 2 9 3 7 , e 1 1 7 0 1 2 2 0 1 1 ”) 高2 5 5 m 的观测铁塔( 铁塔站) ，天津气象塔 的垂直高度目前为我国气象系统拉线塔第一。天津边界层观测塔塔上设置1 5 层 探测平台，已安装包括温度、湿度、风向、风速、三分量风速、超声风速、气 溶胶、能见度、辐射等多种气象要素探测仪器，通过计算机控制的全自动探测 系统连续进行全天候观测，获取2 5 0 米以内低层大气气象要素梯度观测资料。 利用大气边界层梯度观测铁塔对天津城区近地层细颗粒物p m 2 5 质量浓度垂直 分布进行2 4 小时连续、实时的观测，3 台颗粒物分析仪分别安装在气象铁塔4 0 米、1 2 0 米、2 2 0 米观测平台上；风、温观测仪器安装在距离地面5 、1 0 、2 0 、 3 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 4 0 、1 6 0 、1 8 0 、2 0 0 、2 2 0 、2 5 0 米平台上，监测 不同高度的气象要素，时间间隔为2 0 s 。 以梯度观测塔为中心大气边界层观测站周边环境如下：北5 0m 处有水利科 学研究所办公楼一栋，高约3 0m ，约8 0 0m 外有公路干线一条( 黑牛城道) ； 西8m 处有2 层楼一栋，高约为7m ，西南方向距离1 5 、3 0m 分别有3 、4 层 楼各一栋、高度分别约为1 2 和1 5m ，西约8 0m 外有附路一条( 柳江路) ；南 1 0 0 0m 外有住宅楼若干栋，高2 0 一4 0m ( 越远越高) 。东7 0m 处有水利科学研 究所办公楼一栋高约为1 5m 、2 0 0m 处有家世界超市高约为2 0m ，东约8 0m 1 6 第二章实验介绍 外有公路干线一条( 友谊路) 及高约为1 0 n l 的立交桥一座。图2 1 为天津2 5 5 m 大气环境综合观测系统大气化学观测配置图。 5 - 1 | 栩i m 哪 嘲塑鳖 ：一h 崩2l 天津2 5 5m 大气环境综合观测系统大气化学观测配置幽 大滓市位于北纬3 8 0 3 4 一4 0 。1 5 之间，东经1 1 6 。4 3 一1 1 8 0 04 ，之间，处 于位于海河下游，地跨海河两岸。市中心距海岸5 0 k m ，离首都北京1 2 0 k m 。北 起蓟县黄崖关，南至大港区翟庄子沧浪渠，南北长1 8 9 k m ，东西宽1 1 7 l ( m 。天津 市域面积1 1 7 6 02 6 平方公里，疆域周长约1 2 9 08 k m ，海岸线长1 5 3 k m ，陆界长 1 1 3 7 4 8 k m 。天津的地势西北高，东南低。有山地丘陵和平原三种地形。平原面 积占总面积的9 4 。 天津市位于中纬度欧亚大陆的东部太平洋西岸，主要受季风环流支配，( 渤 海湾三面环陆，是个半封闭的内海海湾，但其水体较小，对天津气候影响不大。) 主要受季风环流的支配，冬、夏季分别受蒙古高压和副热带高压与冷空气交替 影响，仍属于太陆性气候。其特点是：( 1 ) 四季分明，春季多风，干旱少雨；夏 季炎热，雨水集中；秋季气爽，冷暖适宜；冬季严寒，干旱少雪。天滓年平均 塑 曩_ 第二章实验介绍 气温在i1 4 1 2 9 。c ，市区平均气温最高为1 2 9 。c 。全年l o 气温以上的天 气( 春、夏、秋季) 2 0 5 天。1 月最冷，平均气温在一卜5 。c ；7 月最热，平均气 温在2 6 2 7 。c 。天津季风盛行，冬、春季风速最大，夏、秋季风速最小。年平 均风速为2 4 米秒，多为西南风。天津平均无霜期为1 9 6 - 2 4 6 天，最长无霜期 为2 6 7 天，最短无霜期为1 7 1 天。在四季中，冬季最长，有1 5 6 1 6 7 天；夏季 次之，有8 7 - 1 0 3 天；春季5 6 6 1 天；秋季最短，仅为5 0 - 5 6 天。天津年平均降 水量为5 2 0 - 6 6 0 m m ，降水日数为6 3 - 7 0 天。在地区分布上，山地多于平原，沿 海多于内地。在季节分布上，6 、7 、8 三个月降水量占全年的7 5 左右。天津日 照时间较长，年日照时数为2 5 0 0 - 2 9 0 0 h 。 2 1 2 实验资料 p m 2 5 的质量浓度资料来源于铁塔平台观测，p m l o 的质量浓度资料来源于 国家环保总局信息中心制作的中国环境保护总局( b 主主巳；么么塑：圣b 坠：g q y ：璺垒么) 空气质量日报资料，不同粒径颗粒物质量浓度来源于铁塔地面观测，温度、湿 度、风向风速等气象资料来源于同一站址的天津市城市气候监测站。 1 8 第二章实验介绍 第二节实验仪器介绍 2 2 1 p m 25 质量浓度测量仪器的结构 采样仪器为美国安普r p 1 4 0 0 a 型颗粒物分析仪，r & p1 4 0 0 a 大气颗粒物质 量浓度监测仪丰要由进气管路系统、平衡除湿系统、传感器单元、控制单元和 气泵等部分构成，如图2 2 所示。 总进气管 ：一攫度捧岳嚣障覆系统连接嚣 图2 2r & p1 4 0 0 a 结构图 第二章实验介绍 2 2 2 实验仪器工作原理 r & p1 4 0 0 a 大气颗粒物质量浓度监测仪应用锥管振荡微天平( t a p e r e d e l e m e n to s c i l l a t i n gm i c r o b a l a n c e ，t e o m ) 方法连续测量大气中颗粒物质量浓度， 其工作原理如图2 3 所示。 采样进气 j 主流量 控制器 图2 3r & p1 4 0 0 a 工作原理图 锥管振荡微天平的核心部件为一上小下大的硬质玻璃空心锥管，下端固定， 上端可以自由摆动，t e o m 专用可换式滤膜置于按一定频率振荡的锥形管顶端， 当空气样品流经滤膜时，颗粒物积累在该滤膜上。由空心锥管和采样滤膜所构成 的弹性振荡体系，其振荡频率取决于锥形管的物理特性及滤膜质量。当微粒聚 集于滤膜上时，锥形管