北京市区与背景区大气污染物浓度变化对比研究

北京市区与背景区大气污染物浓度变化对比研究

随着经济的发展，北京的空气污染日益严重。冬季焚烧污染没有得到解决，夏季光化学雾和雾的威胁也越来越严重。随着2008年奥运会的开幕，解决环境问题是北京市政府的一项紧迫任务。近几年已对北京大气污染状况开展了一系列的监测研究,但主要集中在市区,对于区域背景监测并不多见.为全面、准确地了解北京大气污染物分布,评估大气污染状况,制定大气污染控制方案,需要了解区域背景的大气污染现状.北京大气污染具有明显的季节变化特征,冬季污染较重,夏季相对较轻,秋季静稳型污染多.夏末秋初是大气污染由轻转重的过渡时段,也正值奥运召开时期.笔者选择该时段,对北京市区和背景区的大气污染物浓度变化进行监测,对比分析了大气污染物的日变化特征及其成因,以期为控制北京大气污染提供理论基础.1实验方法1.1研究区和采样点概况北京市区采样点位于市内中国科学院大气物理研究所铁塔分部院内,介于北三环与北四环之间,南距三环约1km,东距八达岭高速公路和北面的北土城西路分别约为200m和50m,周围主要是居民住宅楼.颗粒物采样仪安放在东小楼楼顶,大气微量气体分析仪安放在2层实验室内,采样头固定在楼顶.区域背景采样点选在国家天文台监测基地,位于河北省兴隆县境内,在燕山山脉中,雾灵山主峰南麓,海拔高度为960m,周围无明显的人为污染源.颗粒物采样仪置于屋顶平台,微量气体分析仪采样头固定在屋顶,采样仪置于室内.1.2脉冲荧光so2/o3检测PM10质量浓度采用TEOM系列RP1400a环境颗粒物监测仪实时监测,采样流量为16.7L/min,时间分辨率为1min,质量浓度分辨率为0.01μg/m3,精确度为±1.5μg/m3(小时平均).φ(SO2),φ(NOx)和φ(O3)分别用TE43C型脉冲荧光SO2分析仪,42C型化学发光NO-NO2-NOx分析仪和49C型紫外光度法O3分析仪监测,最低检测限分别为0.06×10-9,0.05×10-9和2×10-9.1.3大气中so2,nox和o3的浓度变化于2006年8月15日—9月15日监测了两地大气中PM10,SO2,NOx和O3的浓度变化.其中背景点在8月29—30日因雷阵雨停止监测.监测数据日平均值以小时平均值为基础.2结果与讨论2.1总污染物浓度2.1.1北京市区和背景区的m10北京市区与背景区ρ(PM10)的日平均值变化见表1.从表1可知,夏末秋初背景区ρ(PM10)日均值变化为7.0~141.2μg/m3,平均为69.4μg/m3,与上甸子背景点的夏季质量浓度非常接近,却远高于洛杉矶和巴塞罗那等欧美大城市的浓度.虽然有效监测日内的日均值均低于150μg/m3的国家二级标准,但按我国空气质量不同功能区的标准,背景区应执行一级标准(50μg/m3),据此背景区仅有1/3左右的天数达标(见图1).无论与发达国家还是与我国空气质量标准限值相比,华北区域背景区的污染都相当严重.与背景区相比,北京市区ρ(PM10)更高,日平均值为26.4~230.3μg/m3,平均为114μg/m3,是背景区的1.6倍,与以往北京同期监测值相当.监测期内,北京市区的ρ(PM10)超过国家二级标准的有8d,仅占25%,而且未出现重污染,颗粒物污染超标天数所占比例明显低于2006年全年平均.可见,尽管北京市区ρ(PM10)平均值明显高于背景区,但就全年而言,监测时段北京市区颗粒物污染相对较轻,较高的边界层高度与较大的稀释扩散能力可能是该时段污染较轻的主要原因.比较北京市区和背景区ρ(PM10)的变化可知,二者之间具有显著的线性相关关系(R2=0.45,N=28,P<0.01),且斜率接近于1(见图1),表明北京市区和背景区ρ(PM10)的逐日变化有相同的影响因子,气象因子可能是主要影响因子之一.拟合线的截距显示,局地污染对北京市区和背景区ρ(PM10)的贡献约为50μg/m3,约占北京市区ρ(PM10)的一半,区域背景污染严重,这与赵越等的研究结果一致.2.1.2北京市和背景区夏末秋初、三级监测格局内大气o3超标情况O3是大气中重要的氧化剂,对流层O3对环境和人体健康影响较大.从表1可知,北京市区φ(O3)的小时均值变化较大,最小值接近检测限,最大值达到153×10-9,远高于国家二级标准,但是平均值只有29×10-9.与北京市区相比,背景区的φ(O3)小时均值的变化幅度稍小,但均值较高(达到64×10-9),超过了国家一级标准,是市区的2.2倍,这与边智等在泰山的监测结果一致,可见背景区的O3污染比较严重,近几年O3前体物NOx等排放的增加可能是背景区φ(O3)高的主要原因.无论是北京市区还是背景区,夏末秋初监测期内都发生了大气O3超标现象(见表2).北京市区φ(O3)小时均值超过国家二级标准的占7.7%,其中超过三级标准的占到2.8%;超标天数达到15d,占46.9%;最大日超标小时数为7h,超标率与超标程度均远高于PM10.与北京市区相比,背景区大气O3污染状况更为糟糕,φ(O3)小时均值超过二级标准的占21.9%,超标率是北京市区的3倍,其中超过三级标准的占5.5%,是北京市区的2倍,天数超标率也大大高于市区,达到了65.5%,日超标小时数的最大值达到了20h.可见,夏末秋初大气O3污染大于PM10污染,背景区O3污染比北京市区更为严重.2.1.3标准溶液与so2污染的关系监测期间,大气φ(SO2)较低(见表1),背景区平均值仅为1.54×10-9,北京市区平均值为6.12×10-9,是背景区的4倍.无论北京市区还是背景区的小时均值或日均值均未超过国家一级标准,表明夏末秋初基本上没有SO2污染,低燃煤消耗、强稀释对流扩散是该时段φ(SO2)低的主要原因.与SO2一样,背景区的φ(NOx)也很低(见表1),均值为7.33×10-9,小时均值最大也只有31.04×10-9,无论是小时均值或日均值均低于国家二级标准.但是,受机动车尾气排放的影响,北京市区φ(NOx)均值相对较高,日均值是背景区的3.1倍,达到22.40×10-9,小时均值最大达141.74×10-9,超过国家二级标准,这与刘烽等在夏季的测定结果一致.整个监测期内共有5h超标,主要是φ(NO)迅速上升造成的,而且超标时段集中在午夜24:00前后,可能与夜间大货车进城有关.尽管整体上看该监测时段的NOx污染较轻,但夜间的超标高值应引起注意.2.2日污染2.2.1日有东南角北京市区和背景区的ρ(PM10)日变化见图2.从图2可知,北京市区和背景区的ρ(PM10)日变化规律明显不同.北京市区ρ(PM10)日变化表现为双峰型,由于人为活动和交通早高峰比较集中,上午09:00左右出现第1个高峰;夜间由于边界层高度降低,稀释对流扩散作用减弱,造成人为排放污染物累积,因而在夜晚出现第2个峰值.北京市区的ρ(PM10)日变化明显受到人为活动的影响.与北京市区不同,背景区的ρ(PM10)日变化表现为单峰型.夜间由于边界层高度降低和逆温的形成使污染物累积,因而仅在夜间20:00左右出现峰值.2.2.2光化学反应反应与ρ(PM10)日变化一样,北京市区和背景区的φ(O3)与φ(NOx)日变化规律不同.北京市区的φ(O3)与φ(NOx)呈现出典型的城市日变化特征(见图3(a)).白天,在较强的太阳辐射作用下,NOx与NMHC,CO等共同作用通过光化学反应产生O3,而夜晚O3则被高浓度的NO消耗,形成夜间φ(O3)低值区,φ(O3)日变化幅度大,最大值与最小值之差达到30×10-9,φ(NOx)与φ(O3)日变化明显负相关.与北京市区不同,背景区的φ(O3)在09:00左右达到最低值,夜间20:00左右达到最大值,峰值出现时间晚于北京市区,日变化幅度仅为15×10-9左右,远小于市区,这与泰山顶和美国一些郊区点的监测结果一致.白天同样的光化学反应产生了O3,由于背景区φ(NOx)较低,因而O3产生速率较慢.夜间φ(O3)积累的同时,φ(NOx)也逐渐上升,但是由于缺乏局地源,φ(NO)相对较低,对O3消耗不大,因而背景区φ(O3)在夜间仍然较高.2.2.3不稳定区域内和3个导水因子的日变化夏末秋初,由于排放源较少,北京市区与背景区的φ(SO2)日变化幅度较小,约为4×10-9.北京市区φ(SO2)日变化为双峰型,早晨上班高峰期有一不很明显的小峰,白天峰值出现在中午前后,日变化的第2个峰值出现在午夜前后.非采暖期SO2主要来自火力发电厂等工业排放高架源,其输送特征是由上向下.夜间由于边界层较低、湍流活动较弱使地面污染物累积,形成了午夜高峰,而高架源排放的SO2则累积在一定高度.白天随着湍流的发展,累积的SO2被输送到地表,出现了中午峰值.与北京市区相比,背景区的φ(SO2)日变化为单峰型,白天高,最大值出现在下午14:00左右,晚于市区,其来源还有待于进一步研究,而夜间值较低,没有出现与市区类似的累积峰,可能与背景区植物的吸收有关.3北京市和背景区大气污染物日变化特征a.大气污染