（环境科学专业论文）奥运前后北京及近周边区域空气污染观测与比对分析.pdf

两南大学硕十学何论文 0 3 的变化幅度很小：在夏秋季节，s 0 2 的浓度比较低，已经不是本地区的主要污 染物，实施减排措施对于s 0 2 的减排效果比较小，对于8 月8 日9 月1 7 日的 奥运会和残奥会时段，2 0 0 8 年比2 0 0 9 年降低了不足7 ：而颗粒物污染呈现了 随季节缓慢升高的趋势，7 月1 5 日1 0 月3 1 日和8 月8 日 - - 9 月1 7 日两个时 段，2 0 0 8 年都比2 0 0 9 年降低了2 0 左右，减排效果明显，但仍有部分超标情况。 关键词：奥运；北京；近周边；空气质量：污染物( n o x 、0 3 、s 0 2 和p m l o ) i i a b s t r a c t a bs t r a c t t h ea i rq u a l i t yi nb e i j i n gw a sc o n c e r n e db yp e o p l ea l lo v e rt h ew o r l dd u r i n g 2 0 0 8s u m m e ro l y m p i cg a m e s i no r d e rt ot op r e s e n tt h e ”g r e e no l y m p i c s ”s p i r i t , g u a r a n t e eac l e a n e ra t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tf o ra t h l e t e sa n da u d i e n c e ，t h ea b a t e m e n t o fp o l l u t a n tw a sd e v e l o p e do nal a r g e s c a l eb yb e i j i n gm u n i c i p a lg o v e r n m e n ta n d o t h e rs u r r o u n d i n gp r o v i n c e so rc i t i e s i no r d e rt om o n i t o rt h er e a l - t i m ea i rp o l l u t a n t s ( n 咄0 3 ，s 0 2 ，p m i oa n dp m 2 5 ，e t c ) c o n t i n u o u s l yd u r i n gt h eb e i j i n go l y m p i c s ， p r o v i d i n g as u p p o r tt ot h er e l e v a n td e p a r t m e n t s p o l i c yi nt i m e ，r e f l e c t i n gt h es e c u r i t y s i t u a t i o nt ot h ea i ro b j e c t i v e l y , e v a l u a t i n gt h ee f f e c to fr e g i o n a lc o l l a b o r a t i v ep o l l u t a n t e m i s s i o na b a t e m e n t ，am o n i t o r i n gn e t w o r ko no b s e r v a t i o no fa t m o s p h e r i cp o l l u t a n t s w a se s t a b l i s h e di nb e i j i n g ，t i a n j i na n dh e b e ib yi n s t i t u t eo fa t m o s p h e r i cp h y s i c s ， c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s w es e l e c t e ds e v e r a ls t a t i o n so ft h em o n i t o r i n gn e t w o r k i nb e i j i n ga n do t h e rs u r r o u n d i n gc i t i e sa n da n a l y s e dt h ed a t aw h i c hw e r eo b t a i n e di n 2 0 0 8a n d2 0 0 9 t h er e s u l t sw e r es h o w e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep r i r n a r yp o l l u t a n t s i nb e i j i n ga n dn e a r l y s u r r o u n d i n ga r e a s a r e p a r t i c u l a t e si ns u m m e ra n da u t u m ni n2 0 0 8 t h ea v e r a g em a s sc o n c e n t r a t i o n so fp m t 0 w e r e ( 10 8 + 6 6 ) l a g m - 3a n d ( 1 2 0 土5 9 ) 腭m i nb e i j i n ga n dn e a r b yc i t i e s ，r e s p e c t i v e l y , w h i l et h ea v e r a g em a s sc o n c e n t r a t i o n so fp m 2 5w e r e ( 7 2 士4 6 ) 昭m 。a n d ( 7 7 + 51 ) t t g m 弓，r e s p e c t i v e l y t h ea v e r a g em a x i m u mh o u r l ym a s sc o n c e n t r a t i o n so f0 3w e r e ( 8 1 士3 2 ) x 1 0 点v va n d ( 8 0 士2 9 ) x 1 0 9 n | n ，a sw e l la st h ea v e r a g em a s sc o n c e n t r a t i o n so f n qw e r e ( 3 1 士1 1 ) x 1 0 母v va n d ( 1 4 士8 ) x 1 0 。9v vi nb e i j i n ga n dn e a r b yc i t i e s ， r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dv v i mj u n e ，c o n c e n t r a t i o n so fp m l o ，p m 2 5 ，n qd e c r e a s e db y 61 ，51 a n d4 0 d u r i n gt h eo l y m p i cp e r i o d ( f r o ma u g u s t8t o2 4 ) a n d6 2 ，5 4 a n d3 0 d u r i n gt h ep a r a l y m p i cg a m e sp e r i o d ( f r o ms e p t e m b e r6t o17 ) i nb e i j i n g t h em a s sc o n c e n t r a t i o no fp m 2 5w a sa f f e c t e db yt h es u r r o u n d i n ga r e a so fb e i ji n g s e r i o u s l y t h er e l a t i v eh i g hc o n c e n t r a t i o n so fn o xi nb e i j i n gi m p l yn o 。h a dt h e p o t e n t i a lt e n d e n c yt ob et r a n s p o r t e dt ot h es u r r o u n d i n ga r e a s o z o n es h o w e dr e g i o n a l p o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c si ns u m m e r ( 2 ) i ns u m m e ra n da u t u m ni n2 0 0 8 ，ab i m o d a ld i u r n a lv a r i a t i o no fn o xw a s p r e s e n t e di ny a n j i a o ，as m a l lc i t yw h e r es i t u a t e di n e a s to fb e i j i n g t h ep e a k s a p p e a r e da ta r o u n d9 ：0 0a ma n d2 0 ：0 0p m n l ed i u r n a lv a r i a t i o no f0 3p r e s e n t so n e p e a k , w h i c ha p p e a r e da t a r o u n d15 ：0 0p m t h ed i u r n a lv a r i a t i o no fp m mw a s c o m p l e t e l y d i f f e r e n tb e f o r ea n da f t e rr e g i o n a lc o l l a b o r a t i v ep o l l u t a n te m i s s i o n a b a t e m e n t i tw a sd u a lp e a k sw h i c hp e a k sa p p e a r e da ta r o u n d9 ：0 0a ma n d19 ：0 0p m i i i 两南大学硕十学位论文 b e f o r et h ev e h i c l e l i m i t e d ，b u tn os i g n i f i c a n td i u r n a lv a r i a t i o no ft h ep e a kd u r i n gt h e p r i d eo fv e h i c l e l i m i t e d ( 3 ) c o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o n so fn q i na i ri ny a n ji a o a n dz h u o z h o uw e r es i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yw h i c hi nb e i j i n g t h ec o n c e n t r a t i o n s o fp m ：5i na i ri nb e i j i n gw e r es i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c e db yw h i c hi ny a n j i a oa n d z h u o z h o u , w h i c hs h o w e dt h a tt h ek e ym e a s u r eo fc o n t r o lt h ep a r t i c u l a t ei n a i ri n b e i j i n gw a s t oc o n t r o lt h ep o l l u t i o ns o u r c e sf r o ma r o u n d i n ga r e a so fb e i j i n g t y p i c a l p o l l u t i o ni ns u m m e r2 0 0 8s h o w e d t h a tt h ec o n c e n t r a t i o np e a k so f p o l l u t a n ti nb e i j i n g w e r ep o s t p o n e df o r2t o6h o u r si nc o m p a r i s o n 、航mw h a ti nz h u o z h o u , l a n g f a n ga n d x i a n g h e t h i ss h o w e dt h a tt h eh i g hc o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t a n t si nb e i j i n gw e r e l e a d e db yt h ea c c u m u l a t i o no fp o l l u t a n t st r a n s p o r t e df r o mt h es o u t h w e s t ，s o u t ha n d s o u t h e a s to fb e i j i n g ，n l ea n a l y s i sc o m b i n e do fm e t e o r o l o g i c a lf a c t o r ss h o w e dt h el a g t i m eo fc o n c e n t r a t i o np e a k se m e r g e n c ew a sr e l e v a n tt ow i n ds p e e da n dd i r e c t i o n ( 4 ) t h ec o n c e n t r a t i o no fn q i na i ri sr i s i n gg r a d u a l l yf r o ms u m m e rt oa u t u m n s e a s o ni n2 0 0 8a n d2 0 0 9 t h ec o n c e n t r a t i o no fn qi np e r i o df r o mj u l y15t oo c t o b e r 31i n2 0 0 8d e c r e a s e db y21 i nc o m p a r i s o nw i t ht h a ti n2 0 0 9 b u t4 6 i np e r i o d f r o ma u g u s t8t os e p t e m b e r17 t h ec o n c e n t r a t i o no f0 3h a dad e c l i n et r e n df r o m s u m m e rt oa u t u m ns l i g h t l y n l ei m p l e m e n t a t i o no fe m i s s i o nr e d u c t i o nm e a s u r e s p l a y e do n l yas m a l lp a r tt o8 0 2w i 廿lt h ef a c tt h a t8 0 2c o n c e n t r a t i o nh a da l r e a d yb e l o wa n dn o tb et h em a j o rp o l l u t a n t si nt h i sr e g i o ni nt h es u m m e ra n da u t u m n n e c o n c e n t r a t i o no f8 0 2i n a i rf r o ma u g u s t8t os e p t e m b e r17i n2 0 0 8d e c r e a s e dl e s s t h a n7 i nc o m p a r i s o nw i t ht h a ti n2 0 0 9 t h ec o n c e n t r a t i o no fp a r t i c l es h o w e da l l i n c r e a s i n gt r e n dd u r i n gt h e s ep e r i o d s n l ec o n c e n t r a t i o no fp a r t i c l eo v e r t o pt h e s t a n d a r dl i m i to n c ei naw a y , t h o u g hi td e c r e a s e db y2 0 k e yw o r d s ：o l y m p i c s ；b e i j i n g ；n e a r l ys u r r o u n d i n ga r e a s ；a i rq u a l i t y ；p o l l u t a n t ( p m l 0 ， p m 2 5 ，0 3 ，a n dn 蚴 w 独创性声明 学位论文题目： 鱼这酉叠望竺盘盛近茎l 垃匡逑茔垒丝泾 盟到垒些垒时：毯丘 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：l 、众乌兰、 签字日期： 工ojo 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、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。本人授权西南大学研究生院( 筹) 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，本论文：o 不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：刍1 乞。专兰。 导师签名： 签字日期：工oio # - 6 月了日签字日期： j 蚕眨 加- c 年6月- 7 日 f 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 研究背景 大气是由各种成分组成的，并且其成分在短时间尺度和长时间尺度内都在发生不同程度 的变化。人类活动( 包括生产活动和生活活动) 及自然界都不断地向大气排放各种各样的物 质，而这些物质能在大气中以一定的寿命存在。当大气中某些物质的浓度超过了一定的水平， 而对人类、生态或其他环境要素( 如大气性质、水体性质、气候等) 产生不良效应时，就形 成了大气污染。大气污染物进入大气这个动态体系后，与植物、海洋、土壤等不断进行相互 交换，参与地球生物化学循环过程。外源输入大气中的污染物经过一定的停留时间后，就会 通过大气中的化学反应、生物活动和物理沉降等过程，从大气中去除。如果它们输出大气的 速率小于输入大气的速率，就会在大气中相对的积聚，造成大气中该物质浓度的升高。当浓 度升高到超过安全水平时，就会直接或间接地对人、畜和水体、土壤及植被等造成不同程度 的伤害【l 】。 一般认为，大气污染只发生在城市和工业区，那里的大气污染物浓度往往要比农村或郊 区高出许多倍。但污染物在空气中是不断扩散的，冈此从广义上来说，大气污染是全球性的 问题。如二氧化硫( s 0 2 ) ，它在空气中的寿命较短，长期以来被看成是局地污染物，但是 酸雨的教训告诉我们，s 0 2 可以超越国界，造成区域内甚至全球大范围内的空气污染。至于 停留时间长的组分，如氯氟烃类( c f c s ) 、甲烷( c h 4 ) 等，其扩散效应更为明显，一旦局 地浓度升高，它们就会随气流水平和垂直运动而不断在全球范围内扩散。虽然扩散到对流层 的污染物对人类及其生存环境造不成直接伤害，但是他们能产生“温室效应”，使全球不断增 温，引发一系列环境和生态效应，最终影响人类的生存。有些物质在短期内不会对环境产生 严重影响，但长期积累后，会对人类赖以生存的环境产生非常严重的影响，如某些含卤素烃 类化合物，当这类化合物进入平流层后，能导致平流层臭氧的损耗，增加到达地面的短波紫 外辐射，从而危害人类健康和整个生态环境。 随着现代工业的发展和技术的进步，人类对于环境的掠夺性利用使得多种污染物在大气 中的浓度持续升高，人类赖以生存的大气环境质量不断恶化，如世界上相继发生了许多严重 的城市大气污染事件，给人类的生命和健康造成极大危害。这些重大污染事件根据污染类型 一般可分为两类，第一类污染事件主要由含硫燃料燃烧后排放的酸性气体进入大气环境后形 成酸性颗粒物所造成的烟雾事件。例如，1 9 3 0 年1 2 月，在比利时的马斯河谷工业区发生了世 界上第一次严重的工业大气污染事故，工业排放的大量有毒废弃和高浓度粉尘导致一周内6 0 人死亡，并且肺病和心脏病患者死亡率急剧增高；1 9 4 8 年1 0 月，在美国宾西法尼亚州多诺拉 镇，由于空气中高浓度的二氧化硫及其氧化物与大气尘埃结合形成的气溶胶污染事故，造成 2 0 多人死亡，5 9 11 人发病；1 9 5 2 年1 2 月，在英国伦敦，由于空气中烟煤和硫化物的含量大幅 两南大学硕十学位论文 度增加，加上浓雾天气，使空气中的可吸入颗粒物浓度达到1 4 m g m 3 ，是当时伦敦市区空气 正常水平的5 6 倍，而s 0 2 的浓度也增大了7 倍，达至u y 7 0 0 p p b v 【2 】，导致几天内超过4 0 0 0 人死 亡，两个月后又有8 0 0 0 人死亡的惨剧1 3 1 。第二类污染事件主要由机动车尾气排放造成的空气 污剿0 1 。1 9 5 3 年11 月，美国洛杉矶由于机动车排放的尾气造成空气污染，加之当地的特殊 地形和极端不利于污染物扩散的天气条件，使污染物不断积累最终形成严重的光化学烟雾污 染。之后随着世界范围内的各大城市机动车拥有量的急剧增加，光化学烟雾污染相继出现在 包括东京【l l 12 1 、雅典【1 3 - 16 1 、墨西哥城【1 7 _ 1 引、大温哥华【1 9 。2 2 j 、佩斯口3 1 和圣保罗【2 4 - 2 5 等大城市。 这一类污染常被称为“光化学烟雾”，然而它有别于先前的伦敦烟雾事件。“光化学烟雾”是一 次排放的氮氧化物和碳氢化合物等，在高温、低风的气象条件下，受到太阳辐射的作用，在 大气中发生系列复杂化学反应而产生的极具毒性的污染气体和颗粒物混合体，即作为一次污 染物的氮氧化物和碳氢化合物被转化为二次污染物。臭氧、有机氧化剂和气溶胶是构成光化 学烟雾的重要成分，二次有机气溶胶粒子浓度的增加则是大气能见度降低、形成灰霾天气的 重要原因f 2 6 1 。大气中二次污染物的产生和存在，对人类和生态系统的可持续发展均具有重 要负面影响【2 7 1 。 1 2 国内外研究进展 1 2 1n o x 、0 3 、s 0 2 和颗粒物的特性 大气中的污染物种类繁多，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 称为六种首要大气污染物。 氮氧化物( n o x ) ：包括一氧化氮和二氧化氮，是臭氧重要的前提物。一氧化氮是无色、 无刺激气味的活泼气体，可被氧化成二氧化氮，二氧化氮是棕红色有刺激性臭味的气体。氮 氧化物的自然源主要是生物源，人为源主要来自于车辆废气、火力发电站和其他工业的燃 料燃烧以及硝酸、氮肥、炸药的工业生产过程。氮氧化物可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之 类的呼吸系统疾病，呼吸系统有问题的人士如哮喘病患者，会较易受二氧化氮影响。对儿童 来说，氮氧化物可能会造成肺部发育受损。研究指出长期吸入氮氧化物可能会导致肺部构造 改变【2 粥1 1 。 臭氧( 0 3 ) 是天然大气的重要微量组分，大部分集中在1 0 - - 一3 0k m 的平流层，对流层 臭氧仅占1 0 左右。它对于人类和整个陆地生态系统起着非常重要的作用。在平流层吸收紫 外射线，不仅阻断了短波长紫外线到达地面，而且改变了透入对流层阳光辐射的谱分布，同 时臭氧吸光后分解的产物引发了大气中的热化学过程。分解产物中电子激发态原子氧具有很 高的能量，能够与其它不能与基态反应的分子发生反应( 如h 2 0 和c h 4 等) ，从而生成了活 化能很高的( 如o h 自由基) ，活跃了大气中的化学反应过程。 在对流层大气中，臭氧浓度较高，会严重危害环境和人体健康。 臭氧是高化学反应活 性的氧化型气体，几乎能与所有生物物质产生反应，损坏橡胶、油漆、织物等材料；臭氧对 2 第1 章文献综述 植物的影响很大，在浓度很低时就能减缓植物生长，高浓度时杀死叶片组织，致使整个叶片 枯死，最终会引起植物死亡；臭氧对动物和人类健康危害很大，特别是对眼睛和呼吸道有强 烈的刺激作用，当臭氧被吸入呼吸道时，能够与呼吸道中的细胞、流体和组织很快反应，导 致肺功能减弱和组织损害，可产生咳嗽、呼吸短促，甚至在深呼吸时有不适或者是疼痛感的 症状。同时，近地面臭氧也是一种重要的温室气体。对流层臭氧的增加能产生温室效应，使 地表和低层大气温度升高【3 2 】；0 3 、n o x 、c o 以及v o c 之间的光化学反应生成的气溶胶对人 体健康以及气候环境的影响更加严重【3 3 。3 8 1 。 对流层臭氧的源主要有天然源和人为源。天然源主要有两个：平流层的输送和光化学反 应的生成，此外，植物也能直接排放少量臭氧。平流层臭氧能输送到对流层，这种情况主要 发生在春季或冬季，气象现象造成在某一地点的平流层大气周期性的出现短暂的温度连续性 的“破坏”，导致平流层空气进入对流层，该情况属于所谓的“对流层顶折叠”( t r o p o p a u s ef o l d s ) 现象，发生在当极地气团与中纬度空气团或者赤道气团与极地气团相遇，因热结构不同使对 流层顶出现了- t 空隙，时【3 叫2 1 。另一方面，天然大气中存在着臭氧的前提物，它们之间的光化 学过程也是臭氧的重要天然来源之一。化学反应如下： n 0 2 + h v - - * n o + o ( 1 ) o + 0 2 + m _ 0 3 十m ( 2 ) 其中m 是第三体，包括大气氮和氧分子，反应( 2 ) 生成的0 3 可通过下列反应： 0 3 + n o n 0 2 + 0 2 ( 3 ) r c 0 2 。+ n o 一+ n 0 2 + r c o r c o + 0 2 - r c 0 3 其中酮、醛产物易凝聚为烟雾，影响到大气的可见度；另一类刺激眼睛的物质，如过氧 化硝酸乙酰( p a n ) ，它是由n 0 2 与过氧基反应形成的： c h 3 c 0 3 + n 0 2 - - * c h 3 c 0 3n 0 2 对流层中臭氧的人为源主要包括交通运输、石油化学综合工业和燃煤电厂的烟羽。汽车 是城市地区臭氧的重要污染源，汽车尾气的主要成分包括臭氧的前提物n o 和烯烃类碳氢化 合物，在一定的气象条件下能生成臭氧；石油化工与火力发电及其他工业共存的综合工业区， 排放出大量的氮氧化物和碳氢化合物：另外，在燃煤电厂的烟与中观测到有高浓度的臭氧。 这是因为，燃煤产生的氮氧化物也会对臭氧的形成起到重要的作用m - 4 4 1 。 对流层大气中的臭氧有光化学反应产生，同时又主要通过均相( 气相) 或者非均相的光 化学及热化学反应去除。其均相反应的主要机制为删： 0 3 + h v ( l _ 3 2 0 n m ) - * o ( 1d ) + 0 2 0 3 + h v ( 4 5 0 n m 九 3 2 0 n m ) ( h0 2 o + 0 2 - 0 3 o ( 1 d ) ，0 3 o ( 1 d ) + h 2 0 _ 2 0 h 3 两南大学硕十学位论文 总反应： 0 3 + h 2 0 ( g ) + h v - - 0 2 + 2 0 h 0 3 + o h - 0 2 + h0 2 0 3 + h 0 2 o h + 2 0 2 0 3 + n o n 0 2 + 0 20 3 + 1 、j 0 2 - n 0 3 + 0 2 气溶胶：通常把粒径在1 0 岬以下的气溶胶颗粒物称为p m ，又称为可吸入颗粒物或飘尘。 颗粒物的直径越小，进入呼吸道的部位越深。1 0g m 直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，5 岬 直径的可进入呼吸道的深部，2g u n 以下的可1 0 0 深入到细支气管和肺泡。可吸入颗粒物 ( p m ) 在环境空气中持续的时间很长，对人体健康和大气能见度影响都很大。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 5l a i n 的细粒子。p m 2 5 气溶胶是典型的大气累 积性的复合污染形态。p m 2 5 气溶胶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【4 5 1 。在影响大气能见度的粒子中，p m 2 5 占有极其重要的主导 地位。由于p m 2 5 的原因，美国火部分地区的能见度只有天然能见度的3 0 。同时，p m 2 5 是 城市大气污染物中损害人体健康的元凶，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，其表面积较大，通常富集各种重金属元素( 如a s 、s e 、p b 、c r 等) 和p a h s 、p c d d f s 、v o c s 等有机污染物，这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质， 危害极大。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【4 “9 1 。当前在世界范围内，可吸入颗粒物和近地层臭氧的污染是影响人类健康最 重要的“杀手”。 气溶胶的来源很复杂，既有天然产生的气溶胶粒子，也有人类各种活动如工业生产、交 通运输、生物质的燃烧等产生的气溶胶粒子。就天然源来说，既有一次生成的气溶胶粒子， 例如风沙、地球表面的岩石风化、火山爆发、森林火灾的燃烧过程、海水溅沫和生物排放等， 又有上述某些过程中产生的气体，在漂浮过程中经过太阳光辐射或者起化学反应生成的新的 气溶胶粒子，如天然排放的h 2 s 、n h 3 、n o x 和挥发性有机物等气体转化为硫酸盐、硝酸盐、 烃类等，即二次粒子。人为来源也有类似情况。就全球而言，人为来源排放约占总排放量的 1 5 ，天然源是人为源的5 倍多，天然来源的气溶胶粒子是大气气溶胶的主要来源f 缸5 2 l 。人 为来源直接排放的贡献是2 2 5 3 。在城市或城市周边的区域，认为排放是主要的颗粒物的 来源，要值得注意的是，在城市中，其溶胶的二次转化也相当重要。 气溶胶粒子的清除主要有以下几种方法：第一类为干沉降，指气溶胶粒子在重力作用或 者与地面其他物体碰撞后，发生沉降而被去除。干沉降对除去气溶胶中的大粒子是一个有效 的途径，但是对小粒子则不然；第二类为湿沉降，可以分为雨除( r a i n o u t ) 和冲刷( w a s ho u t ) 两种不同的过程。气溶胶粒子中有相当一部分细粒子可以作为形成云的凝结核，特别是粒径 小于0 1 胛的粒子。这些凝结核成为云滴的中心，通过凝结过程和碰并过程，云滴不断增长 成为雨滴；当整个大气层温度都低于零摄氏度时，云中的冰、水和水蒸气通过冰水的转化 4 第1 章文献综述 过程还可以生成雪晶。对于那些粒径小于o 0 5 岬的粒子，由于布朗运动可以使其粘附在云 滴或者溶解于云滴中。一旦形成雨滴( 或者雪晶) ，在适当的气象条件下，雨滴( 或者雪晶) 会进一步长大而形成雨( 或雪) ，将落到地面上，气溶胶粒子也随之从大气中去除，此过程 称为雨除( 或雪除) 。在降雨( 或降雪) 过程中，雨滴( 或者雪晶、雪片) 不断将大气中的 微粒挟带、溶解或者冲刷下来，造成了降水过程中大气气溶胶的粗、细粒子含量发生变化， 这种以直接兼并的方式“收集”气溶胶粒子的效率是随着粒子直径的增大而增大的。 颗粒物的输送包括垂直输送和水平输送。在上升气流的影响下，产生于地面的颗粒物， 会不断地向高空扩散稀释，使颗粒物浓度随高度增加而不断减小。逆温层会影响垂直输送， 造成颗粒物聚集，形成高浓度区。在下沉气流和质粒自身重量的作用下，气溶胶质粒有向地 面回落的趋势。另一方面，水平风会使颗粒物由污染源不断向下风向扩散。研究发现污染问 题的空间尺度远远超过了特定的都市尺度范围。某一地区的大气污染，在其特定的地理环境 条件下和一定的大气环流背景影响下，可以通过中远距离输送影响其他地区【5 3 删。 1 2 2 国内外研究进展 自伦敦烟雾事件和洛杉矶光化学烟雾事件以来，城市空气污染问题引起了人们的普遍重 视【6 5 删。b a i d a s a n o 等蚓对2 0 世纪9 0 年代后2 0 0 多个发达国家和发展中国家主要城市的空气质 量进行了比较和研究，认为目前世界范围内污染物浓度存在下降趋势，其中s 0 2 浓度持续下 降，n o x 浓度已接近w h o 的标准，但是在较贫穷的国家和低收入水平的国家里，空气污染 物的浓度仍然很高，而且随着这些国家的进一步发展，污染也更加严重。目前弧洲的颗粒物 污染比较严重，而臭氧在全部分析点均超标，已成为全球性问题。 中国作为发展中国家，经济突飞猛进的同时，伴随而来的是环境的恶化，其中空气污染 由于其自身的的特点显得尤为重要。大气污染物的扩散迁移较快，往往表现出区域性特征 【醴j ，尤其是在一些工业比较集中的城市群和经济圈，大气污染的区域性复合性更为复杂， 如我国的京津冀城市群，珠江三角洲城市群。为遏制我国城市群区域人气复合污染恶化趋势， 寻求科学可行的防治方略，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 在“十一五”期间设立了“重点 城市群大气复合污染综合防治技术与集成示范”重大项目，选择广东省珠江三角洲作为该重 大项目的核心示范区域，旨在建立适合我国国情的城市群大气复合污染立体监控和预测预警 技术体系、促进环境管理从以城市为重点向区域协调联合调控的跨越。 城市污染水平的决定因素主要包括污染源和天气状况。在污染源变化不大的情况下，天 气形势主导着污染物的扩散、传输和清刚6 9 】，比如，w i s e 掣7 0 1 发现气象条件的变化能影响 美国西南部4 0 - - - - 7 0 的臭氧变化和2 0 - - - 5 0 的颗粒物变化。在大风降温的高压控制下， 大气辐散，空气扩散能力强，污染物浓度较低，而在正变温的低压形势下，大气辐合，不利 于污染扩散导致污染物浓度的积累。北京东、西、北三面环山，仅南面是平原，西部、老城 区与南部拥有较多污染排放源，污染物的扩散情况与风向密切相关，北风最有利于污染物的 扩散。 5 两南大学硕十学何论文 有研究显示，北京作为京津冀城市群的一部分，逐渐增强的源排放、独特的地形、复杂 的城市冠层和不断变化的气象条件使其环境空气质量不仅远远差于欧洲及北美城市，即使与 国内大城市相比也相对较差。因此，研究北京空气污染特征及其影响因素对控制空气污染有 重要科学意义【7 1 - 7 2 。 目前对于大气污染，人们主要关注的污染物包括p m l 0 、p m 2 5 、0 3 、n o x 、s 0 2 和c o 等。 0 3 作为光化学反应的产物，是影响城市大气环境质量的重要污染气体。氮氧化物和挥发性 有机化合物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d ，v o c ) 是光化学污染的重要前体物，在很大程度上影 响对流层大气0 3 、h 2 0 以及o h 、h o 和r o 等自由基的浓度和分布状况。近年来随着城市规 模的扩大，人口的增长和汽车数量的激增，光化学烟雾的危害日益突出【7 3 7 9 1 。n 0 2 主要与汽 车尾气的排放有关【删，而目前北京市机动车保有量为3 4 0 万辆，因l l t n 0 2 污染日益严重，而 n 0 2 又对大气中0 3 的含量有着一定的贡献。细粒子质量浓度的高低是决定能见度好坏的主要 因子。有研究称，能见度和细粒子质量浓度呈现较好的负相关，而与p m i o 质量浓度的相关 性就差一些i 引l 。颗粒物还携带多种有毒金属元素和其他治病物质，对人们的健康构成严重 的危害【8 2 埘】。k a h n 8 5 1 的研究证明，制造业的发展对颗粒物有显著影响，另外，城市交通、 施工场地的扬尘等都是空气中颗粒物的主要来源 8 6 - 8 7 1 。最近的大量研究及官方的城市污染指 数预报都证实，颗粒物污染是北京及其周边城市的主要污染物1 8 8 - 9 0 l 。也有研究称9 1 1 ，偏南 气流将北京周边地区的细颗粒物污染物输移向北京的特征，因此，在研究北京城市污染特征 的同时，很有必要将周边地区的污染特征与北京市的污染紧密联系起来。 国内学者对北京市的空气污染做了长期的研究发现f 9 2 。9 5 】，从年纪变化来看，s 0 2 、降尘 浓度显著下降，而n o 、c o 浓度和0 3 超标情况显著上升，空气污染处于由煤烟型向机动车尾 气型转变的过程中，表现出典型的复合污染特征；从空间分布上看，t s p 、降尘、0 3 表现为 近郊区污染重于城区；s 0 2 、n o 、c o 表现为城区污染重于近郊区。空气污染源增加的压力 与环境保护措施的相互作用是驱动北京市近2 0 年环境空气质量变化的主要因素。产业结构的 变化、重点污染源的整治、能源结构调整、能源的清洁使用、机动车尾气排放标准的提高等 对保护环境空气质量起到一定作用。 作为中国的首都，北京的空气质量受已受到国内外广泛关注。特别是2 0 0 8 年第2 9 届夏季 奥运会在北京举行，更使其空气质量问题成为全世界关注的焦点。在以之前，国内学者通过 对北京空气质量所做的大量研究发现 9 6 - 1 0 4 】，近2 0 年来，北京空气中的s 0 2 、降尘总量显著下 降，而n o x 、c o 和0 3 浓度有所上升，空气污染处于由煤烟型向机动车尾气型转变的过程中， 表现出典型的区域复合污染特征f 1 0 孓1 0 引。在不利的气象条件下，北京与近周边城市污染扩散 混合或羽流交汇，极易造成区域性大范围污染事件。而局地或阶段性减排措施的效果，往往被 区域协同高污染事件掩盖，尤其是对于p m 2 5 和0 3 等区域性污染物，难以从北京市独自的减 排措施收到理想的效果1 1 0 9 】。刘洁等0 1 研究了北京城区对本底地区空气质量的影响，指出城 区输送是本底地区污染物的重要来源；于娜等【1 1 1 】通过对北京城区和郊区大气细粒子中有机 6 第1 章文献综述 污染物进行源解析指出，北京与周边地区体现了区域性污染特征。 北京处在华北平原最北端，外来污染物极易在山前堆积形成污染事件，因此，与北京周 边小城市联网观测北京及周边地区空气污染物的浓度及其演变形式，对北京核心地区严重的 空气污染事件进行预警就显得十分重要，对进一步研究制定区域空气污染协同防控措施具有 科学指导意义。本研究利用2 0 0 8 年奥运时段( 夏秋季节) 在北京以及西南、东南、东向的涿 州、廊坊、香河、燕郊等小城市主要污染物p m l o 、p m 2 5 、0 3 和n o x 进行的连续观测数据， 分析了北京与近周边区域空气污染物的关系，并通过典型重度污染过程中5 个观测站的污染 物浓度变化趋势和峰值出现时间，讨论了利用近周边城市对北京污染事件进行预警的可能途 径。 7 两南火学硕十学位论文 第2 章绪论 2 1 研究目的和研究意义 京津冀经济圈位于日益活跃的东北亚经济区的中心部位，高速的经济发展不可避免导致 京津冀城市群大气复合污染日渐恶化，特别是北京及周边地区正在承受着高浓度0 3 和细粒 子污染。据统计，北京市地区生产总值连续第8 年高速增长，年平均增长率达到1 1 9 ，约 为7 5 9 9 亿元年；2 0 0 7 年5 月北京市机动车突破3 0 0 万辆，年平均增长率达到1 0 5 ，约为2 1 5 万辆年，至2 0 0 8 年1 1 月，已增至3 4 0 万辆。快速增长的经济、人口和机动车对北京及周边地 区大气环境改善带来极大压力，特别是北京市处于北边倚山、南部平原的“马蹄型”山谷地形， 多圈环路与高速公路两边高楼林立的城市建设布局，对大气污染扩散极其不利。北京及周边 大气污染正在恶化蔓延，已经呈现出严重的区域协同污染特征，严重威胁北京市的空气质量。 针对这些问题，北京市采取一系列大气污染控制措施，重点是控制燃煤污染、机动车污 染和扬尘污染。经过长期艰苦工作，北京煤烟型污染略有好转，二氧化硫、氮氧化物年平均 浓度有一定下降。但近年来北京市的机动车尾气污染和汽油挥发污染的增长，以及周边区域 污染源排放和输送的增强，叠加原有的区域性煤烟型污染，使北京及周边地区大气中污染物 种类更加复杂，区域大气总体氧化性正在升高，北京及近邻城市正在呈现高颗粒物浓度与高 臭氧浓度并存的污染特征，特别是夏秋季节严重的光化学污染、以及在特殊气象条件下严重 的持续复合型污染比较严重，已成为目前影响首都北京的国际形象、降低市民生活居住条件 等负面效应的重要因素。 中科院于2 0 0 7 年8 月份新建立的北京及周边区域大气环境监测观测发现，夏季存在较严 重的大气复合污染，典型大气污染物0 3 、p m 2 5 区域背景浓度长期维持高值。8 、9 月份北京 地区0 3 小时均值约有3 0 天数超标( 8 小时滑动平均约有5 5 天数超标) ；北京周边城市夏 季0 3 小时均值超标天数约在5 2 5 之间( 8 d , 时滑动平均超标天数约在2 5 4 5 之间) 。 虽然观测期间北京及周边地p m l o 超标日较少，但p m 2 5 几乎全部超标( w h o 标准) ，细粒子 污染非常严重。2 0 0 7 年好运北京机动车管控期间，北京地区氮氧化物排放得到了较好的控制， 4 天内呈现下降趋势，但高浓度臭氧与细粒子污染控制尚未达到预期目标：在不利的扩散天 气条件下，整个区域的污染仍可以快速加剧。这表明，单一城市可通过短期污染源的消减在 一定程度上降低局地污染源的排放，但如何有效控制高浓度0 3 、p m 2 5 等大气光化学反应产 物仍然是一个科学研究与环境管控的难题。 为保障北京奥运会