北京市區(qū)與背景區(qū)大氣污染物濃度變化對(duì)比研究

北京市區(qū)與背景區(qū)大氣污染物濃度變化對(duì)比研究

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，北京的空氣污染日益嚴(yán)重。冬季焚燒污染沒有得到解決，夏季光化學(xué)霧和霧的威脅也越來(lái)越嚴(yán)重。隨著2008年奧運(yùn)會(huì)的開幕，解決環(huán)境問(wèn)題是北京市政府的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。近幾年已對(duì)北京大氣污染狀況開展了一系列的監(jiān)測(cè)研究,但主要集中在市區(qū),對(duì)于區(qū)域背景監(jiān)測(cè)并不多見.為全面、準(zhǔn)確地了解北京大氣污染物分布,評(píng)估大氣污染狀況,制定大氣污染控制方案,需要了解區(qū)域背景的大氣污染現(xiàn)狀.北京大氣污染具有明顯的季節(jié)變化特征,冬季污染較重,夏季相對(duì)較輕,秋季靜穩(wěn)型污染多.夏末秋初是大氣污染由輕轉(zhuǎn)重的過(guò)渡時(shí)段,也正值奧運(yùn)召開時(shí)期.筆者選擇該時(shí)段,對(duì)北京市區(qū)和背景區(qū)的大氣污染物濃度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)比分析了大氣污染物的日變化特征及其成因,以期為控制北京大氣污染提供理論基礎(chǔ).1實(shí)驗(yàn)方法1.1研究區(qū)和采樣點(diǎn)概況北京市區(qū)采樣點(diǎn)位于市內(nèi)中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所鐵塔分部院內(nèi),介于北三環(huán)與北四環(huán)之間,南距三環(huán)約1km,東距八達(dá)嶺高速公路和北面的北土城西路分別約為200m和50m,周圍主要是居民住宅樓.顆粒物采樣儀安放在東小樓樓頂,大氣微量氣體分析儀安放在2層實(shí)驗(yàn)室內(nèi),采樣頭固定在樓頂.區(qū)域背景采樣點(diǎn)選在國(guó)家天文臺(tái)監(jiān)測(cè)基地,位于河北省興隆縣境內(nèi),在燕山山脈中,霧靈山主峰南麓,海拔高度為960m,周圍無(wú)明顯的人為污染源.顆粒物采樣儀置于屋頂平臺(tái),微量氣體分析儀采樣頭固定在屋頂,采樣儀置于室內(nèi).1.2脈沖熒光so2/o3檢測(cè)PM10質(zhì)量濃度采用TEOM系列RP1400a環(huán)境顆粒物監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),采樣流量為16.7L/min,時(shí)間分辨率為1min,質(zhì)量濃度分辨率為0.01μg/m3,精確度為±1.5μg/m3(小時(shí)平均).φ(SO2),φ(NOx)和φ(O3)分別用TE43C型脈沖熒光SO2分析儀,42C型化學(xué)發(fā)光NO-NO2-NOx分析儀和49C型紫外光度法O3分析儀監(jiān)測(cè),最低檢測(cè)限分別為0.06×10-9,0.05×10-9和2×10-9.1.3大氣中so2,nox和o3的濃度變化于2006年8月15日—9月15日監(jiān)測(cè)了兩地大氣中PM10,SO2,NOx和O3的濃度變化.其中背景點(diǎn)在8月29—30日因雷陣雨停止監(jiān)測(cè).監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)日平均值以小時(shí)平均值為基礎(chǔ).2結(jié)果與討論2.1總污染物濃度2.1.1北京市區(qū)和背景區(qū)的m10北京市區(qū)與背景區(qū)ρ(PM10)的日平均值變化見表1.從表1可知,夏末秋初背景區(qū)ρ(PM10)日均值變化為7.0~141.2μg/m3,平均為69.4μg/m3,與上甸子背景點(diǎn)的夏季質(zhì)量濃度非常接近,卻遠(yuǎn)高于洛杉磯和巴塞羅那等歐美大城市的濃度.雖然有效監(jiān)測(cè)日內(nèi)的日均值均低于150μg/m3的國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),但按我國(guó)空氣質(zhì)量不同功能區(qū)的標(biāo)準(zhǔn),背景區(qū)應(yīng)執(zhí)行一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(50μg/m3),據(jù)此背景區(qū)僅有1/3左右的天數(shù)達(dá)標(biāo)(見圖1).無(wú)論與發(fā)達(dá)國(guó)家還是與我國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值相比,華北區(qū)域背景區(qū)的污染都相當(dāng)嚴(yán)重.與背景區(qū)相比,北京市區(qū)ρ(PM10)更高,日平均值為26.4~230.3μg/m3,平均為114μg/m3,是背景區(qū)的1.6倍,與以往北京同期監(jiān)測(cè)值相當(dāng).監(jiān)測(cè)期內(nèi),北京市區(qū)的ρ(PM10)超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的有8d,僅占25%,而且未出現(xiàn)重污染,顆粒物污染超標(biāo)天數(shù)所占比例明顯低于2006年全年平均.可見,盡管北京市區(qū)ρ(PM10)平均值明顯高于背景區(qū),但就全年而言,監(jiān)測(cè)時(shí)段北京市區(qū)顆粒物污染相對(duì)較輕,較高的邊界層高度與較大的稀釋擴(kuò)散能力可能是該時(shí)段污染較輕的主要原因.比較北京市區(qū)和背景區(qū)ρ(PM10)的變化可知,二者之間具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.45,N=28,P<0.01),且斜率接近于1(見圖1),表明北京市區(qū)和背景區(qū)ρ(PM10)的逐日變化有相同的影響因子,氣象因子可能是主要影響因子之一.擬合線的截距顯示,局地污染對(duì)北京市區(qū)和背景區(qū)ρ(PM10)的貢獻(xiàn)約為50μg/m3,約占北京市區(qū)ρ(PM10)的一半,區(qū)域背景污染嚴(yán)重,這與趙越等的研究結(jié)果一致.2.1.2北京市和背景區(qū)夏末秋初、三級(jí)監(jiān)測(cè)格局內(nèi)大氣o3超標(biāo)情況O3是大氣中重要的氧化劑,對(duì)流層O3對(duì)環(huán)境和人體健康影響較大.從表1可知,北京市區(qū)φ(O3)的小時(shí)均值變化較大,最小值接近檢測(cè)限,最大值達(dá)到153×10-9,遠(yuǎn)高于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),但是平均值只有29×10-9.與北京市區(qū)相比,背景區(qū)的φ(O3)小時(shí)均值的變化幅度稍小,但均值較高(達(dá)到64×10-9),超過(guò)了國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),是市區(qū)的2.2倍,這與邊智等在泰山的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致,可見背景區(qū)的O3污染比較嚴(yán)重,近幾年O3前體物NOx等排放的增加可能是背景區(qū)φ(O3)高的主要原因.無(wú)論是北京市區(qū)還是背景區(qū),夏末秋初監(jiān)測(cè)期內(nèi)都發(fā)生了大氣O3超標(biāo)現(xiàn)象(見表2).北京市區(qū)φ(O3)小時(shí)均值超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的占7.7%,其中超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的占到2.8%;超標(biāo)天數(shù)達(dá)到15d,占46.9%;最大日超標(biāo)小時(shí)數(shù)為7h,超標(biāo)率與超標(biāo)程度均遠(yuǎn)高于PM10.與北京市區(qū)相比,背景區(qū)大氣O3污染狀況更為糟糕,φ(O3)小時(shí)均值超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的占21.9%,超標(biāo)率是北京市區(qū)的3倍,其中超過(guò)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的占5.5%,是北京市區(qū)的2倍,天數(shù)超標(biāo)率也大大高于市區(qū),達(dá)到了65.5%,日超標(biāo)小時(shí)數(shù)的最大值達(dá)到了20h.可見,夏末秋初大氣O3污染大于PM10污染,背景區(qū)O3污染比北京市區(qū)更為嚴(yán)重.2.1.3標(biāo)準(zhǔn)溶液與so2污染的關(guān)系監(jiān)測(cè)期間,大氣φ(SO2)較低(見表1),背景區(qū)平均值僅為1.54×10-9,北京市區(qū)平均值為6.12×10-9,是背景區(qū)的4倍.無(wú)論北京市區(qū)還是背景區(qū)的小時(shí)均值或日均值均未超過(guò)國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),表明夏末秋初基本上沒有SO2污染,低燃煤消耗、強(qiáng)稀釋對(duì)流擴(kuò)散是該時(shí)段φ(SO2)低的主要原因.與SO2一樣,背景區(qū)的φ(NOx)也很低(見表1),均值為7.33×10-9,小時(shí)均值最大也只有31.04×10-9,無(wú)論是小時(shí)均值或日均值均低于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).但是,受機(jī)動(dòng)車尾氣排放的影響,北京市區(qū)φ(NOx)均值相對(duì)較高,日均值是背景區(qū)的3.1倍,達(dá)到22.40×10-9,小時(shí)均值最大達(dá)141.74×10-9,超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),這與劉烽等在夏季的測(cè)定結(jié)果一致.整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)共有5h超標(biāo),主要是φ(NO)迅速上升造成的,而且超標(biāo)時(shí)段集中在午夜24:00前后,可能與夜間大貨車進(jìn)城有關(guān).盡管整體上看該監(jiān)測(cè)時(shí)段的NOx污染較輕,但夜間的超標(biāo)高值應(yīng)引起注意.2.2日污染2.2.1日有東南角北京市區(qū)和背景區(qū)的ρ(PM10)日變化見圖2.從圖2可知,北京市區(qū)和背景區(qū)的ρ(PM10)日變化規(guī)律明顯不同.北京市區(qū)ρ(PM10)日變化表現(xiàn)為雙峰型,由于人為活動(dòng)和交通早高峰比較集中,上午09:00左右出現(xiàn)第1個(gè)高峰;夜間由于邊界層高度降低,稀釋對(duì)流擴(kuò)散作用減弱,造成人為排放污染物累積,因而在夜晚出現(xiàn)第2個(gè)峰值.北京市區(qū)的ρ(PM10)日變化明顯受到人為活動(dòng)的影響.與北京市區(qū)不同,背景區(qū)的ρ(PM10)日變化表現(xiàn)為單峰型.夜間由于邊界層高度降低和逆溫的形成使污染物累積,因而僅在夜間20:00左右出現(xiàn)峰值.2.2.2光化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)與ρ(PM10)日變化一樣,北京市區(qū)和背景區(qū)的φ(O3)與φ(NOx)日變化規(guī)律不同.北京市區(qū)的φ(O3)與φ(NOx)呈現(xiàn)出典型的城市日變化特征(見圖3(a)).白天,在較強(qiáng)的太陽(yáng)輻射作用下,NOx與NMHC,CO等共同作用通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生O3,而夜晚O3則被高濃度的NO消耗,形成夜間φ(O3)低值區(qū),φ(O3)日變化幅度大,最大值與最小值之差達(dá)到30×10-9,φ(NOx)與φ(O3)日變化明顯負(fù)相關(guān).與北京市區(qū)不同,背景區(qū)的φ(O3)在09:00左右達(dá)到最低值,夜間20:00左右達(dá)到最大值,峰值出現(xiàn)時(shí)間晚于北京市區(qū),日變化幅度僅為15×10-9左右,遠(yuǎn)小于市區(qū),這與泰山頂和美國(guó)一些郊區(qū)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致.白天同樣的光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了O3,由于背景區(qū)φ(NOx)較低,因而O3產(chǎn)生速率較慢.夜間φ(O3)積累的同時(shí),φ(NOx)也逐漸上升,但是由于缺乏局地源,φ(NO)相對(duì)較低,對(duì)O3消耗不大,因而背景區(qū)φ(O3)在夜間仍然較高.2.2.3不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)和3個(gè)導(dǎo)水因子的日變化夏末秋初,由于排放源較少,北京市區(qū)與背景區(qū)的φ(SO2)日變化幅度較小,約為4×10-9.北京市區(qū)φ(SO2)日變化為雙峰型,早晨上班高峰期有一不很明顯的小峰,白天峰值出現(xiàn)在中午前后,日變化的第2個(gè)峰值出現(xiàn)在午夜前后.非采暖期SO2主要來(lái)自火力發(fā)電廠等工業(yè)排放高架源,其輸送特征是由上向下.夜間由于邊界層較低、湍流活動(dòng)較弱使地面污染物累積,形成了午夜高峰,而高架源排放的SO2則累積在一定高度.白天隨著湍流的發(fā)展,累積的SO2被輸送到地表,出現(xiàn)了中午峰值.與北京市區(qū)相比,背景區(qū)的φ(SO2)日變化為單峰型,白天高,最大值出現(xiàn)在下午14:00左右,晚于市區(qū),其來(lái)源還有待于進(jìn)一步研究,而夜間值較低,沒有出現(xiàn)與市區(qū)類似的累積峰,可能與背景區(qū)植物的吸收有關(guān).3北京市和背景區(qū)大氣污染物日變化特征a.大氣污染