大气颗粒物特性及其环境影响-胡敏教授

1、颗粒物形貌和来源颗粒物形貌和来源颗粒物形貌和来源颗粒物形貌和来源一次来源一次来源 天然源天然源 生物源：细菌、花粉、植物生物源：细菌、花粉、植物蜡蜡森林大火、火山爆发、海盐森林大火、火山爆发、海盐沙尘、风扬尘沙尘、风扬尘 人为源人为源道路尘、建筑尘道路尘、建筑尘各种燃烧过程各种燃烧过程工业锅炉、机动车排放、餐工业锅炉、机动车排放、餐饮、生物质燃烧饮、生物质燃烧二次来源二次来源SO2SO2 SO42- SO42-NOx NOx NO3-NO3-NH3NH3 NH4+ NH4+VOCVOC挥发性挥发性 有机物有机物 SOASOA二次有机颗粒物二次有机颗粒物2燃煤飞灰（燃煤飞灰（PMPM2.52.5

2、）coal-burning flyashcoal-burning flyash燃重油颗粒物燃重油颗粒物diesel engine combustiondiesel engine combustion冶金粉尘（冶金粉尘（PM1）metal smelter内燃机排放颗粒物内燃机排放颗粒物gasoline engine combustion3地地壳壳类类1 18 8% %有有机机物物2 29 9% %未未知知1 10 0% %其其它它2 2% %N NH H4 4+ +7 7% %S SO O4 42 2- -1 18 8% %N NO O3 3- -1 11 1% %C Cl l2 2% %E E

3、C C3 3% %o 气溶胶粒子无处不在，无时不在。气溶胶粒子无处不在，无时不在。o 在大气中的浓度：在大气中的浓度：o 质量浓度：质量浓度：TSP, PM10, PM2.5。集中在积聚模和粗模态集中在积聚模和粗模态o 数浓度：数浓度：污染城市污染城市高达高达10105 5个个/ /cmcm3 3。集中在集中在核模和核模和积聚模积聚模o 表面积浓度表面积浓度o 体积浓度体积浓度o 粒径：粒径：跨跨4 45 5个数量级，从几个个数量级，从几个nm100 m。o 化学组成：化学组成：o 几乎涵盖了所有化学组成几乎涵盖了所有化学组成o 浓度含量从浓度含量从 g/m3-ng/m3o 多种采样和分析方法

4、结合多种采样和分析方法结合o 严格的严格的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 大气颗粒物已成为我国城市大气的首要污染物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细粒子和超细粒子的污染;空气质量标准空气质量标准TSPPM10PM2.5。02468100.010.1110100Particle Aerodynamic Diameter (m)Relative ConcentrationAccumulationCoarsePM 10PM 2.

5、5TSPPM 0.1 扬尘扬尘 花粉花粉 硫酸盐硫酸盐 硝酸盐硝酸盐 铵盐铵盐 有机碳化物有机碳化物 元素碳元素碳重金属重金属 土壤元素土壤元素碳碳UltrafineCondensationDroplet细粒子细粒子超细粒子超细粒子粗粒子粗粒子PM2.5 PM10100 m10 m m H2 O2 CO CO2 SO2等气体分子等气体分子可吸入颗粒物可吸入颗粒物 PM2.5纳米级超细粉纳米级超细粉1 m m预混火焰的烟炱预混火焰的烟炱风沙风沙内燃机烟炱内燃机烟炱香烟等烟雾香烟等烟雾面粉，煤粉等面粉，煤粉等 静电除尘后的粉煤灰静电除尘后的粉煤灰, ,冶炼灰等冶炼灰等海风携带盐海风携带盐病毒病毒细

6、菌细菌人呼吸道中沉积的颗粒人呼吸道中沉积的颗粒燃烧升华后的凝结微粒燃烧升华后的凝结微粒n m地面扬尘地面扬尘INHALATION PROPERTIES0204060801001200.010.1110100Particle Aerodynamic Diameter (microns)Deposition (Percent) Rest Normal ExerciseNoseLungTracheaMouth (ISO)鼻腔鼻腔口腔口腔肺部肺部支气管支气管细、超细颗粒物进入人体的部位细、超细颗粒物进入人体的部位颗粒物空气动力学直径颗粒物空气动力学直径沉降量沉降量%颗粒物颗粒物化学组成大气大气颗粒物颗

7、粒物几乎包含了自然界存在的所有元素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

8、-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；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，粒径大小有关，尺度参数，0.1-1 m有效削光，有效削光，Mie散射。散射。 化学组成，不同化学组成折射率不同化学组成，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吸湿性有关，硫酸盐、硝酸盐和铵盐等

9、吸湿长大到有效消光的粒径消光的粒径 混合态：内混和外混，内混消光消光增强混合态：内混和外混，内混消光消光增强 目前仅有的目前仅有的PM10不足以说明灰霾的成因，需要对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。同时测定。Precursor emissions disperse in the atmosphere, convert into secondary particles through complex atmospheric chemical reactions, then travel long dis

10、tances to deposit in remote areas far from their source.o 光的散射和吸收光的散射和吸收 降低大气能见度降低大气能见度o 云凝结核云凝结核致酸物质致酸物质o 干沉降干沉降危害生态系统危害生态系统o 远距离输送远距离输送区域性酸沉降区域性酸沉降区域及全球气候变化区域及全球气候变化o 污染物载体污染物载体携带有害有毒污染物携带有害有毒污染物o 进入呼吸道进入呼吸道影响人体健康影响人体健康o 化学反应床化学反应床多相化学反应多相化学反应PM2.5的环境行为及效应局地大气污染局地大气污染负面的健康效应负面的健康效应城市能见度下降城市能见度下降区域

11、大气污染区域大气污染酸沉降，对湖泊、森林等生态系统造成危害酸沉降，对湖泊、森林等生态系统造成危害水体富营养化，影响水体质量水体富营养化，影响水体质量全球大气污染全球大气污染影响地球辐射平衡，以及全球变化影响地球辐射平衡，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）来源复杂（人为一次，天然，二次） Mineral Dust: Dust storm Road dust Fugitive dust (unpave

12、d 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从气态

13、前提物经过核化成新生成的粒子新生成的粒子（纳米级（纳米级粒子）和非均相转化成粒子）和非均相转化成积聚模态粒子积聚模态粒子，二次颗粒，二次颗粒物在大气中存在物在大气中存在寿命长寿命长，可以，可以传输几百和上千公传输几百和上千公里。里。 将局地问题演变为区域问题；城市和周边联系起将局地问题演变为区域问题；城市和周边联系起来；来； 二次组分所在的粒径及其吸湿性，对能见度的下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；降贡献大，造成区域性灰霾； 给城市和区域大气污染监测、预报和控制带来新给城市和区域大气污染监测、预报和控制带来新的挑战。的挑战。Highlight 2: 各种浓度

14、水平高（数浓度、表面积浓度、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）质量浓度和化学组成浓度）Number Conc.3 104 1.6 104 cm-3Surface Conc.1.4 103 1.0 103 m2cm-3Volume Conc.90 70 m3cm-3PM10 Mass Conc.153 g/m3PV1/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、波动最大两点两点PM2.5PM2.5质量浓度质量浓度2424小时均值小时均值0

15、10020030040007.807.407.1-206.10-1107.10-11Concentrationug/m30100200300600700concentrationug/m3 07.10-1107.807.407.1-206.10-11 PKIU YF北大 115 g/m3榆垡 127 g/m3Highlight 3: Regional pollution (regional hazy, PM2.5 and secondary composition elevated)Data of Beijing and Guangzhou, 2000Highlight 4:有机颗粒物成为有机

16、颗粒物成为PM2.5主要组分主要组分POC from combustion process and biogenic VOC, SOC has to be paid more attention新粒子研究意义新粒子研究意义 新粒子生成普遍存在：自由对流层，大陆边界层，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，暴露潮汐污染城区，工业烟羽，对流云附近，暴露潮汐区区 改变颗粒物粒径谱分布：是大气颗粒物的重要来改变颗粒物粒径谱分布：是大气颗粒物的重要来源之一源之一 影响影响CCN：影响云的光学性质从而影响全球辐射：影响云的光学性质从而影响全球辐射平衡平衡 潜在的健康效

17、应潜在的健康效应(Biswas&Wu,2005);3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大气细粒子PM2.5作为区域大气作为区域大气复合污染的复合污染的核心污染物核心污染物，对大气污染监测的要求和挑战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。针对区域针对区域大气大气复合污染，建立科学合理的区域监测网复合污染

18、，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、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。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。l 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。l 监测手段单一：主要集中监测近地

19、面大气，缺乏流动观测和立体观测的技术手段。l 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。nSLAMS(State and Local Air Monitoring Stations)，4000多个子站；nNAMS（National Air Monitoring Network）,1080个子站；nCASTNET(Clear Air Status and Trends Network

20、)，主要位于乡村区域; nPAMS（Photochemical Assessment Monitoring Network）, 22个子站,监测臭氧及其前体物;nSupersites从1999年开始8个超级站。国外国外空气质量监测现状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国外空气

21、质量监测现状Where are the aerosol supersites?Potentially all over!Mauna Loa BarrowSouth PoleCape GrimmMace HeadAlertFresno AngiolaTrinidad HeadSt LouisHoustonAtlanta Yorkville PittsburghBaltimoreNew York Whiteface MtAugsburgHyytialaPensacola Outlying Landing FieldGulfport Oak GroveBirmingham CentervilleUrban Regional GlobalGosanTaipeiKaohsiungBeijingJungfraujochABC Pyramid NepalLulinWaston，2007建立建立“城市大气环境定位观测站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长期综合研究颗粒物物理化学特性“城市大气环境城市大气环境定位观测站定位观测站”气态污染物气态污染物气态硫酸气态硫酸颗粒物物理颗粒物物理颗粒物化学组成颗粒物化学组成降水化学降水化学气象参数气象参数城市大气环境定