（环境科学专业论文）跨奥运期间北京市细颗粒物pm25浓度变化特征及影响因素分析.pdf

硕士学位论硕士学位论文文 论论 文文 题题 目目 跨奥运期间北京市细颗粒物(pm2.5) 浓度变化特征及影响因素分析 学科专业名称 环境科学 申 请 人 姓 名 王 贝 贝 指 导 教 师 刘 厚 凤 教授 论文提交时间 2011 年 6 月 单位代码 10445 学 号 2008021042 分 类 号 x169 研究生类别 硕士研究生 独独 创创 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 （注：如 没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使用过的材 料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 导师签字： 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 学校学校 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权 学校学校 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在 解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 导师签字： 签字日期：20 年 月 日 签字日期：20 年 月 i 目 录 目 录 . i 摘 要 . i abstract . iii 1. 绪论. 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 研究综述 . 1 1.2.1 pm2.5的污染特征及影响因素 . 2 1.2.2 跨奥运期间的大气环境质量及影响因素 . 2 1.2.3 典型污染过程的成因分析 . 3 1.3 研究重点和技术路线 . 3 1.3.1 研究重点 . 3 1.3.2 技术路线 . 4 2. 数据来源及研究方法 . 5 2.1 质量浓度与地面气象数据 . 5 2.1.1 观测项目 . 6 2.1.2 观测仪器 . 6 2.1.3 观测时间 . 9 2.1.4 qa/qc . 9 2.2 探空数据 . 10 2.3 后向轨迹 . 10 3. 奥运保障措施及跨奥运期间 pm2.5的污染特征 . 10 3.1 区域联防联控措施及污染物减排 . 10 3.2 跨奥运期间环境空气质量对比分析 . 12 3.3 2007 年2009 年跨奥运同期环境空气质量年际变化 . 13 3.4 奥运会期间 pm2.5浓度及组分 . 15 3.4.1 质量浓度变化 . 15 3.4.2 无机离子组分 . 16 3.5 小结. 18 4. 影响 pm2.5污染特征的因素 . 18 4.1 无机离子组分与气态污染物的相关性 . 18 4.2 pm2.5浓度与气象因子的相关性 . 20 4.2.1 pm2.5与能见度 . 20 4.2.2 pm2.5与降水 . 23 4.2.3 pm2.5与风速 . 26 4.2.4 pm2.5与风向 . 28 4.3 气流后向轨迹聚类分析 . 28 4.4 小结. 29 5.一次典型 pm2.5污染过程分析 . 30 5.1 近地面 pm2.5的累积清除过程 . 30 5.2 典型过程的成因分析 . 32 5.2.1 天气形势 . 32 5.2.2 地面气象要素 . 34 ii 5.2.3 边界层结构分析 . 36 5.2.4 气流后向轨迹 . 40 5.3 小结. 42 6.结论与展望 . 43 6.1 结论. 43 6.2 展望. 44 参考文献. 45 致谢 . 49 山东师范大学硕士学位论文 i 摘 要 为保障 2008 年北京奥运会期间优良的环境空气质量，北京市开展并实施了 多项严格的环境空气质量保障措施，并联合河北省、山东省、山西省、天津市及 内蒙古自治区等周边共六省市区采取了区域联防联控措施。对电力、水泥、建材 等主要污染行业进行控制，淘汰落后产能与工艺；对大型火电厂等重点工业污染 源的排放和污染控制设施的运行进行实时监控。 本文根据 2008 年跨奥运期间北京市的 pm2.5和在线观测气体污染物 so2、 nox、co、o3质量浓度、气象观测资料以及同期奥运前后年份、时段等资料， 分析了北京市空气中 pm2.5的污染特征及其影响因素(气象因子)的相关关系。另 外， 重点对一次典型污染过程做了详尽的分析。 本文的主要研究内容与结论如下： pm2.5的质量浓度变化：跨奥运 7 个阶段的对比，总体上奥运阶段的环境 空气质量最好，pm2.5的质量浓度最低；20072009 年奥运同期，以 2008 年奥运 会期间质量最优，2009 年污染物的浓度出现一定程度反弹；奥运会阶段，pm2.5 的质量浓度变化幅度明显比 2007 年同期和缓，除奥运前期 8 月 8 日8 月 10 日 浓度偏高外，其他时段均维持在相对较低水平； pm2.5的无机离子组分及与气态污染物的相关性： pm2.5中水溶性无机离子 相对含量最高的三种离子是 so42-、no3-和 nh4+。pm2.5中 so42-、no3-与环境空 气中 so2和 no2的变化趋势较好。 sor 值和 nor 值均大于 0.1， 表明 so2和 no2 气体较多转化为二次气溶胶颗粒。 pm2.5质量浓度与气象要素的相关性：pm2.5与大气能见度表现出较好的 负相关性；能见度与 pm2.5在相对湿度 70%80%之间相关性最好；能见度与 pm2.5质量浓度的拟合曲线在大约 0.05mg/m3处是一个分界，当 pm2.50.05mg/m3 时，随着 pm2.5降低，能见度迅速升高。降水对颗粒物有非常显著的清除作用， 累积降水量与 pm2.5质量浓度呈现出很好的负相关关系。pm2.5质量浓度也同时 受到风速风向等其他气象因子的影响。一般当风速小于 2m/s 时，两者的相关性 不很明显，但风速超过 2m/s 时，高风速往往对应着相对较低的颗粒物浓度。偏 南气流易导致上风向的细颗粒物向北京输送堆积。通过 hysplit 气流后向轨迹模 ii 式分析污染物的来源， 结果表明北京的细颗粒物主要来自南部的河北及山东等地 区。 奥运前期北京市一次典型颗粒物生消过程分析： 分析了奥运前期北京市一 次典型颗粒物生消过程 pm2.5浓度与天气形势、气象因素以及边界层结构等的关 系。结果表明：此次污染过程中，随着 pm2.5质量浓度的升高，pm2.5/pm10值也 不断加大，颗粒物呈现逐步老化；主要受大尺度的天气背景影响，近地面的小风 静风、 高湿等气象条件不利于污染物的扩散；该过程持续的偏南气流将河北及山 东的部分污染物带入北京； 混合层高度与温度层结等对污染过程的演变存在重要 影响，当近地面存在逆温和等温层时，大气稳定不利于垂向扩散。 关键词：关键词：北京； 奥运； pm2.5； 影响因素；典型污染过程 分类号：分类号：x169 山东师范大学硕士学位论文 iii the analysis of the pollution characteristics and influence factors of pm2.5 in beijing during the olympic games abstract in order to guarantee the best air quality during 2008 olympic games effectively, beijing have developed and implemented a number of stringent ambient air quality protection measures, hebei, shandong, shanxi, tianjin, the inner mongolia also adopt the zone defense association to control the measure. key aimed at the electric power, the cement, the building materials etc, main pollution profession to eliminate backward production capacity and technology. and we carry on the real-time monitoring to the large-scale thermoelectric power station. based on the analysis of particulate matter 2.5 mass concentration, gaseous pollution, meteorological data during the same period of the year before and after the olympic games, time, etc., analysis pm2.5 air pollution in beijing and the correlation between its affecting factors(meteorological factors) ,a typical process is studied. this thesis conducted a detailed analysis of test data as follows: the pm2.5 mass concentration: of the 7 stages around the olympic games, the olympic games stages ambient air quality is best as a whole, the pm2.5 mass concentration is lowest; on the same time of olympic games period between 2007 and 2009, the quality in 2008 is more superior, the concentration of pollutants rebounded to some extent in 2009 .during the olympic games, the pm2.5 mass concentration changed tendency obviously gentler than same time of 2007, besides on august 8 10, other time intervals the density maintain at the relatively low level; the highest three kind of water-soluble inorganic ions in pm2.5 are so42-, no3- and nh4+. mass concentration and meteorological related factors of pm2.5: the paper discussed the relevance between inorganic ions of pm2.5 and the gaseous pollutant. the result shows: tendency between so42- and so2 are great, so as no3- and no2. the sor value and the nor value are bigger than 0.1, indicated that so2 and no2 transformed to secondary aerosol in large. the research indicated that pm2.5 and the visibility show great negative exponent relevance; and when rh is 70%80%, the relevance to iv be best; when the pm2.5 mass concentration is less than 0.05mg/m3 ,the visibility descend sharply. the precipitation has a remarkable scavenging action to the particles, the accumulation precipitation and pm2.5 presents a great inverse correlation relations. simultaneously also gets a chill and so on other meteorological factor the influence. generally when the wind speed is smaller than 2m/s, the relevance between pm2.5 and wind speed is not very obvious; but when the wind speed surpasses 2m/s, high wind speed is often correspond to the relatively low particles density. the southerly flows of wind easily lead to transport of fine particles to the accumulation of beijing. through the hysplit air current backward trajectory model analysis pollutants origin, indicated finally the air pollutant mainly comes from hebei and shandong area. a typical produce and eliminate process of pm2.5 during early 2008 olympic games in beijing area: based on the analysis of pm2.5 mass concentration, meteorological data during the corresponding period etc, combined with the different analytical methods on meteorological flow fields, a typical process is studied. the results indicated that: during the ascent stage of pm2.5 concentration ,the pm showed gradually aged; the process controlled by large scale synoptic system mainly ,and the weak wind , the high humidity which were not in favor of dispersion ; the prolonged southerly air mass to bring the pollutant of hebei and shandong to beijing ; mixing height and temperature curve take the importance role to the concentration .when the inversion layer appears , the atmosphere is stable and does not favor of diffuse. key words: beijing；olympic ；pm2.5； influence factors；typical pollution process 山东师范大学硕士学位论文 1 1. 绪论 1.1 研究背景 2001 年北京市成功申办第 29 届奥林匹克运动会。为保障奥运会期间来自全 世界的运动员和观众能够感受到北京市良好的环境空气质量， 多年来北京市开展 并实施了多项严格的环境空气质量保障措施。北京市人民政府于 2008 年 4 月 4 日发布了“北京市人民政府关于发布 2008 年北京奥运会残奥会期间本市空气质 量保障措施的通告”。通知指出“在 2008 年北京奥运会、残奥会期间（7 月 20 日 9 月 20 日）实施加强机动车管理、严格控制施工重点工序、重点污染企业减排 等措施，确保空气质量良好”。通告从以下六个方面提出具体的措施： （1）重点污染企业限产、停产； （2）加强机动车管理，倡导“绿色出行”； （3）减少有机污染废气的排放； （4）停止施工工地部分作业，强化道路清扫保洁； （5）燃煤设施污染减排； （6）实施极端不利气象条件下的污染控制应急措施。 同时由于空气污染的区域性特征，北京市联合周边共六个省市区（河北省、 山西省、山东省、内蒙古自治区、天津市）实施了区域联防联控措施。对电力、 水泥、建材等主要污染行业进行控制，淘汰落后产能与工艺；对大型火电厂等重 点工业污染源的排放和污染控制设施的运行进行实时监控。 如此大规模、多手段的污染控制措施的实施，北京地区的大气污染物的排放 量大量减少，痕量污染物的浓度也有一定程度降低。在此背景下，我们对跨奥运 期间的环境空气质量进行了大规模观测， 并进行了同期气象条件与边界层特征的 观测研究。 1.2 研究综述 随着对颗粒物的性质、组分、污染机制以及危害等研究的深入，学者们对颗 粒物的研究重心转移到粒径较小的细粒子 pm2.5上， 更多的关注它对人体健康1-3 2 以及能见度4-6等造成的不利影响。对北京奥运会期间大气污染及细颗粒物的污 染特征等相关研究内容主要包括以下几个方面。 1.2.1 pm2.5的污染特征及影响因素 阎逢旗7等在 2001 年对北京市夏季可吸入颗粒物质量浓度和气溶胶粒子数 密度进行分析，发现其平均日变化均呈现明显双峰结构；赵晴、贺克斌等8在 4 个采样点观测 pm2.5日均质量，浓度从空间分布上由南向北逐渐降低；董雪玲等 9讨论了 2005 年北京市夏季不同功能区内采样点 pm10 和 pm2. 5的日变化特征及 影响因素；ch. vassilakos10对丹麦雅典一个近郊区站点周围空气中 pm2.5 及其 气象因素的时间变化做了相关统计分析，风向不同，浓度值的差异很大；xiujuan zhao 11等对北京及周边地区的 pm2.5 变化规律进行统计，结果表明北京市与周 边地区的年际变化与日均变化均存在一定差异。 赵晴，贺克斌等8认为本地排放和区域传输共同影响着北京及周边地区的空 气质量；张远航等12通过研究发现夏季持续高温期间活跃的光化学反应应该是 北京市细粒子的主要来源。 1.2.2 跨奥运期间的大气环境质量及影响因素 针对大规模施行奥运保障措施的契机，国内外的学者也开展了若干工作。 减排措施实施后，北京地区的环境空气质量出现很大程度的改善：蒲维维等 13对比北京地区宝联站和上甸子站奥运前后的 pm2.5 质量浓度，浓度分别下降了 48.1%和 46.8%，与 2006、2007 年同期相比 pm2.5质量浓度分别下降 46.5%和 35.1%；孙志强14等奥运会阶段相比与 6 月，pm2.5质量浓度下降了 49%；胡婧 等15则对 2008 年 7-9 月周边六市 (pm10)日均值进行统计，均低于 200g/m3， 且低于 2006-2007 年同期。 区域联防联控措施减排效果显著： ting wang 等16通过 ospm 模式对奥运会 期间的交通污染进行分析， 指出在交通限行后 pm 下降的幅度最大； 吴自重等17 采用 naqpms 方法得出北京本地强有力的颗粒物削减措施可有效降低城八区近 地面 pm10浓度的结论；孙志强14等通过对北京和周边城市的大气污染联网观测 表明，北京大气中细粒子浓度受周边影响较为严重；胡婧等15则根据对影响因 山东师范大学硕士学位论文 3 子统计和减排措施等分析，认为六省市区的协同减排是优良空气质量的主要原 因。 有利的天气形势对于污染物浓度的降低有显著作用：蒲维维等13通过分析 奥运前后北京地区颗粒物污染的特征，发现除了减排措施有益于污染物的降低 外，有利的气象条件也是北京市在 2008 年奥运会期间保持良好空气质量的重要 原因；王莉莉等18认为尽管北京施行了源减排措施，但是累积天气形势下污染 物的浓度仍高。孙志强等19研究表明奥运期间近周边区域细粒子浓度高于北京， 区域输送的影响较大。yu zhou 等20研究表明奥运限行等交通管理措施实施以 后，pm10 降低 51.6%。 1.2.3 典型污染过程的成因分析 典型污染过程中的气象因子、 污染输送等影响因素分析对于研究污染机制的 形成具有十分重要的意义。 张小玲等21通过污染特征和天气气象条件对 2004 年北京地区发生的两次持 续重污染进行对比分析，一次为局地重污染，另一次则属于区域污染特征； 马国忠等22对运用区域性流场、局地气象条件以及 hysplit 气流后向轨迹等 研究方法对哈尔滨一次可吸入颗粒物的重污染过程进行成因分析， 结果表明大尺 度天气系统、局地气象及区域性流场对污染的传输存在重要的影响。 1.3 研究重点和技术路线 1.3.1 研究重点 获取北京地区跨奥运时间段内污染物的监测数据和同期的气象观测数据； 通 过实验数据的综合分析，结合天气形势资料，密切关注跨奥运期间北京及周边地 区的大气环境质量，以及因大气污染源变化而引起的大气环境质量的演变过程， 研究分析北京地区大气污染的形成机制。 本论文拟对奥运期间监测期间逐时的pm2.5质量浓度和气象观测数据做相关 分析， 分析其时间变化规律；通过对气溶胶组分和气态污染物的关系以及与能见 度、降水、风向、风速等气象因子的相关性来分析跨奥运期间影响 pm2.5浓度变 化的因素； 同时针对奥运前期出现的一次典型污染过程，从其污染气象条件进行 4 详细分析。结合 500hpa 高度场天气形势、边界层风场、温度场以及地面气象要 素等进行探讨，并辅以气流后向轨迹判断污染气流来向。从而解析北京市 pm2.5 的污染机理及关键控制因素进行分析， 为北京市今后采取进一步的颗粒物污染控 制措施提供科学依据。 1.3.2 技术路线 通过对区域气象场、污染特征、历史监测数据的分析，结合奥运污染控制方 案，建立观测方案。 观测分两期连续进行，分别为排放源控制前期观测和后期观测。前期观测从 7 月初开始，主要观测物种涉及到大气痕量气体、气溶胶物理化学性质、气溶胶 光学特性等。在观测期间充分考察各种污染物的时间及空间分布特征，以期了解 正常排放条件下大气污染特征。后期观测从 7 月 20 日开始，同时进行了边界层 结构特征的研究。 本课题的总体技术路线见下图 1.3-1 所示。 数据分析：数据分析： 区域气象场、污染区域气象场、污染特征特征，历史监测数据，奥运污染控制方案，历史监测数据，奥运污染控制方案 观测方案观测方案 观观测技术及数据质量保证测技术及数据质量保证 综合加强观测综合加强观测： 常规污染物常规污染物 颗粒颗粒物浓度物浓度、成分、成分 光化学污染物光化学污染物 边界层边界层风场风场 常规气象要素常规气象要素 观测数据观测数据 北京北京地区跨奥运期间地区跨奥运期间大气大气中中 pm2.5及相关气象因素综合分析及相关气象因素综合分析 pm2.5污染特征污染特征 pm2.5污染特征污染特征影响因素影响因素 山东师范大学硕士学位论文 5 图1.3-1 研究技术路线 fig 1.3-1 technology roadmapping of research 2. 数据来源及研究方法 2.1 质量浓度与地面气象数据 本研究中全部颗粒物质量浓度与同期地面气象数据均来源于中国环境科学 研究院 2008 年度中央级公益性科研院所基本科研业务专项重点项目北京地区 跨奥运环境空气质量强化观测研究中环科院站点的观测。 监测点位于北京市东北城区的朝阳区北部， 北京奥运村中国环科院大气所楼 顶平台 (11624e,402n)， 距离地面高度为15m。 距离东南的奥林匹克公园3.6km 左右， 距西南方向的鸟巢主场馆约 5km， 观测结果对奥运场馆区大气环境质量状 态具有较强的代表性。 采用美国 thermorp1400a 进行颗粒物的在线监测。采用芬兰 vaisala 生 产的 pwd20 传感器，同步观测风、温、湿、压以及能见度等气象参数。北京市 地形和主导风向见图 2.1-1， 中国环境科学研究院观测站的地理位置如图 2.1-2 所 示。 6 图2.1-1 北京及周边地形及夏季主导风 fig 2.1-1 the terrain of beijing and dominant wind direction of summer 图2.1-2 观测站点的地理位置分布图 fig 2.1-2 geographical position of observation station 2.1.1 观测项目 大气作为一个复杂体系， 大气环境化学的研究需要考虑到排放源特征等诸多 因素。因此要考察北京地区奥运期间排放源控制措施实施后对大气环境的影响， 必须考察一次、 二次污染物浓度、 气溶胶物理化学特征以及气象参数等诸多因子。 本次强化观测的物种监测项目如下： 污染气体：常规监测气体 co、so2、no、nox 及 o3等； 气 溶 胶：pm2.5在线监测、pm2.5离子成分分析等； 气象参数：温度、相对湿度、气压、风向、风速、降雨量以及太阳辐射等。 2.1.2 观测仪器 与本研究相关的监测项目及仪器配置列于下表。 山东师范大学硕士学位论文 7 表2.1-1 监测项目及仪器配置表 table 2.1-1 monitoring items and equipment configuration table. 监测项目监测项目 仪器设备仪器设备 大气 化学 项目 o3 美国热电自动监测仪 co 美国热电自动监测仪 so2 美国热电自动监测仪 no-no2 美国热电自动监测仪 pm2.5 美国热电自动监测仪 颗粒物化学成分 半自动采样 pm2.5 urg3000k 大气 物理 项目 边界层污染物垂直分布 安徽光机所激光雷达 边界层风场 airda 微波风廓线雷达 九参数气象站 芬兰 vaisala maw301 自动气象站 下面分别对不同污染气体、气溶胶、气象要素以及能见度等监测物种的观测 仪器进行原理和参数介绍。 污染气体观测仪器：so2 观测设备美国 thermo fisher 环境设备公司出产的 43i 高精度脉冲荧光 so2分析仪， 与美国 api 环境仪器公司生产的 model-100e so2紫外荧光分析仪基本原理类似，仪器测量方法的物理原理是荧光；nox 观 测设备分别采用美国 thermo fisher 环境设备公司出产的 42i 和 api 公司生产的 model-200e no-no2-nox 分析仪，仪器原理为化学发光法；o3 观测设备分别 采用美国 thermo fisher 环境设备公司出产的 49i 和 api 公司生产的 model- 400e o3分析仪，仪器的基本工作原理是 beers 定理(即 beer-lambert 公式)。它 的定义是在一定的温度和压力下，在超过某一特定距离范围内，气体分子对特定 波长的光的吸收量；co 观测设备分别采用美国 thermo fisher 环境设备公司出 产的 48i 和 api 公司生产的 model- 300e co 分析仪，仪器的基本工作原理是 气体过滤相关法（gfc：gas filter correlation） 。 气溶胶观测仪器：采用美国 r 太阳辐射：光谱范围：3052800 nm (50 % points)；精度：1035v/w/m2； 响应时间：18s； 紫外辐射：光谱范围：3052800 nm (50 % points)；精度：915v/w/m2； 响应时间：30s； 能见度仪：芬兰 vaisala 公司的 pwd22 能见度传感器，由发送器、接收器与 处理器组成，如图 2.1-3。它是一种单光路前向散射仪，散射仪直接测量来自一 个小的采样容积的散射光强，通过散射光强来有效地计算消光系数（） 。 图 2.1-3 pwd22 能见度仪 table 2.1-3 pwd 22 visibility instrument 发射端 接受端 控制器 山东师范大学硕士学位论文 9 2.1.3 观测时间 在线气体观测：2008 年的 7 月 14 日9 月 20 日每日对 so2、nox、co 等微 量气体及颗粒物的质量浓度连续自动观测。 2007 年和2009年同期进行相应观测。 气象要素观测：2008 年的 7 月 14 日9 月 20 日对温度、湿度、气压、风向 风速以及太阳辐射等气象因素进行同步观测。2007 年和 2009 年同期进行相应观 测。 2.1.4 qa/qc 一般的样品采样要求：采样头设置在总管户外的采样气体入口端，防止雨水 和粗大的颗粒物落入总管，同时避免鸟类、小动物和大型昆虫等进入总管。采样 头的设计要保证采样气流不受风向影响，能稳定进入总管。本采样管进口处采用 意大利进口设备，符合欧盟标准，采样管线内部选用不与被监测污染物发生化学 反应和不释放干扰物质的 teflo