大气环境化学——环境大气中的重要污染物

【www.nmgzasp.com--化学论文】

2014/10/13

大气环境化学（3, 4）

大气化学组分的源汇与循环

大气污染

大气中某种物质的浓度超过正常水平而对人 类、生态、材料或其他环境要素（如大气性质、 水体性质、气候等）产生不良效应时，就构成了 大气污染，

大气环境化学——环境大气中的重要污染物

正常水平：空气质量标准，临界负荷 空气质量标准分三级，对应于三类功能区： 一级功能区：自然生态（自然保护区，林区，风景名 胜区和其他特殊地区） 二级功能区：居民生活区、商业交通居民混合区、文 化区、一般工业区 三级功能区：特定工业区

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The National Air Quality Standard in China

国家环境空气质量标准

Pollutant Name Averaging Time Yearly Daily Hourly Yearly Daily Hourly Yearly Daily Hourly Daily Hourly Yearly Daily Yearly Daily Hourly The First Class 0.02 0.05 0.15 0.05 0.10 0.15 Standard The Second Class 0.06 0.15 0.50 0.05 0.10 0.15 0.08 0.12 0.24 4.00 10.00 120.0 300.0 100.0 150.0 0.20 The Third Class 0.10 0.25 0.70 0.10 0.15 0.30

SO2

?

NOx NO2 CO TSP PM10

4.00 10.00 60.0 150.0

6.00 20.00 150.0 500.0

!

O3

0.12

0.20

首要污染物：PM10

2

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0.80

浓度（mg/m 3 ）

TSP浓度呈下降趋势，PM10缓 慢下降 SO2浓度总体呈下降趋势 NOx (NO2)浓度总体比较稳定

0.60

总悬浮颗粒物 总悬浮颗粒物二级标准 可吸入颗粒物 可吸入颗粒物二级标准

0.40

0.20

0.00 1981 1986 1991 1996 2001 2006

0.14 浓度（mg/m 3 ） 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 1981

0.06 0.05 浓度（mg/m 3 ） 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 1981 1986 1991 1996 2001 2006

氮氧化物 氮氧化物二级标准 二氧化氮 二氧化氮一级标准

二氧化硫 二氧化硫二级标准

1986

1991

1996

2001

2006

Fast change of air quality in China city clusters

网络图片（西城区某 住宅区） 文献图片（广州市区）

1月9日08点

11月3日

1月12日08点

11月2日

January 2013, Beijing

November 2003, Guangzhou

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空气质量标准

世界卫生组织环境空气质量浓度 指导值

PM10 年均 第一阶 段目标 第二阶 段目标 第三阶 段目标 指导值 日均 PM2.5 年均 日均 O3 8h平均 NO2 年均

国家空气质量标准 ug/m3

污染物 SO2 现标准 60 100 80 200 新标准 60 70 40 200 35 160

70 50

150 100

35 25

75 50

PM10 NO2

160

O3（小时） PM2.5 O3（8小时）

30 20

75 50

15 10

37.5 25 100

40

首要污染物：PM10

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灰霾天气

广州：123 香港：105

空气质量评价结果与公众实际感受基本一致

城市NO2、区域PM2.5 和O3污染十分严重

国家空气质量标准修订（2011）

增加PM2.5、8小时臭氧，收严PM10和NO2等浓度限值 新标准下PM2.5达标城市数只有21.2%，全部超过WHO指导值 （2009年PM10数据，PM2.5浓度按PM10的50%估算）

0.08  0.07

PM2.5年平均

PM 2.5浓度，mg/m3

0.06  0.05  0.04  0.03  0.02  0.01  0.00  1 11 21 31 41 51 61 71 8

1 91 101 111 达标城市数

24个

WHO_I 新国家标准 WHO指导值

5

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140

115

400 PM2.5浓度平均

91  69  44  75  78  61  85  327

浓度，ug/m3

105 70 35 0

320

256  247

8小时O3最大浓度平均

270  270  263  231  208  214  139

浓度，ug/m3

240 160 80 0

29

24

臭氧空气质量标准： 背景浓度高，无安全阈值

Europe (8-h avg.) Europe (seasonal) China (1-h avg.) US & China (8-h avg.) Japan Alert

0

20

40

60

80

100

120

240ppb

preindustrial present background

U.S (seasonal) Japan (1-h avg.)

Canada (1-h avg.) 82 ppb

Mexico (1-h avg.) 110 ppb

U.S. (1-h avg.) Japan warning

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临界负荷

 临界负荷代表生态系统得到保护或遭到破 坏的临界状态。基于剂量-响应关系而提 出。  临界负荷是一种或多种污染物暴露的定量 估计值，低于这个负荷时，对环境的特定 敏感部分不会造成显著有害的影响。  酸沉降  O3

大气复合污染的临界水平指标和技术方法

大气酸沉降： 指标：综合临界负荷 方法：1、PROFILE模型和SMB （Simple Mass Balance); 2、珠江 三角洲的土壤实测 大气臭氧： 指标：植被暴露水平（AOT40） 方法：1、植被的AOT40临界水 平；2、珠江三角洲的植被分布 细颗粒物（PM2.5): 指标：颗粒物的人群暴露 方法：1、已有成果的meta分析； 2、珠江三角洲的人口分布情况

广州地区考虑富营养化作用的氮沉降、 硫沉降和碱性钙的临界负荷关系曲面图

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珠三角综合酸沉降控制区划

（BC沉降削减75%和95%生态保护率）

最大硫沉降临界负荷分布

硫沉降超临界负荷分布

最大氮沉降临界负荷分布

氮沉降超临界负荷分布

95%保证率下的11中国硫沉降临界 负荷图（郝吉明，谢绍东等，2001）

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中国控制酸雨的策略：两控区

Critical loads for Europe, acidification eutrophication

Translation of sensitivity to acid deposition and eutrophication in critical loads in moles per hectare per year

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Potential acid deposition in Europe in moles per ha per year

F(potential acid)= 2F(SOx) + F(NOy) + F(NHx) F = Load

F(SOx) = F(sulfate) + F(SO2)

F(Noy ) = sum F(NHx) = sum

fluxes of nitric acid NOx fluxes NH3 and NH4

Correction for base cations:

F(corrected pot. acid) = 2F(SOx)+F(NOy) + F(NHx) - F(base cations)

Exceedence of critical loads in moles per ha per year Exceedence in Norway because of sensitive soil Exceedence in middle Europe because of high load No exceedence in South Europe because of insensitive soil

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AOT40~SUM06

200 180 160 140

N  t2  E     ( y  y c ) dt    i 1  t1 i

O3/ppb

120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

SUM06 AOT40

Time of the day/h

t exc    t 2  t1 i

i 1

N

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珠三角臭氧超

临界水平的区划

臭 氧 浓 度 臭 氧 暴 露

臭 氧 超 临 界 水 平 区 划

2006

2009

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大气污染类型

一次污染（煤烟型）； 二次污染（光化学烟雾型） 大气复合污染（兼有上述污染的特征）

中国城市大气环境问题的发展历程 Air Pollution in Urban Area in China 70s

Coal burning

80s

Coal burning

90s

Coal burning Traffic NOx SO2 TSP O3

Acid Rain

Smoke

TSP SO2

SO2 TSP

Acid Rain

Co-existence of multiple Environmental Pollutants in 10-20 years

PM10 PM2.5

13

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我国大气污染现状及问题的提出

70年代 燃煤

SO2，TSP，PM10

 东部经济发达地区形成三大城市 群,大、中、小城市通过交通网、 资源网和社会经济紧密相连  发达国家经历了近百年的环境污 染问题在三大城市群近二十年内 集中爆发,各种污染相互耦合和 叠加，形成区域性大气复合污染  区域性光化学烟雾污染、酸雨污 染、大气灰霾污染已成为制约社 会经济发展的瓶颈。  研究大气复合污染形成机制、建 立城市群大气污染控制的技术体 系和区域协调管理机制是当前重 大的国家需求

80年代 燃煤＋扬尘

SO2，TSP，PM10

90年代 燃煤＋扬尘＋机动车

SO2，TSP，PM10 NOx, VOC，O3 , PM2.5

大 气 复 合 性 污染

二次污染

细粒子，O3 上风向输送

Los Angles 天然源 Photochemica l Smog, O3, 10月18 日 PM

 多种污染物  多种污染类型叠加  多种过程耦合

光化学 烟雾

大气复合污染机制的概念模型

多相反应 光化学 烟雾

酸雨

hv

Oxidants

(O3, OH)

HC、NOx

灰霾

Fine PM

(SO42-,NO3-)

更高浓度的细 粒子，O3 输送,影响

灰霾

SO2, NOx等

PM10、PM2.5

复合污染

沉降

酸雨

人为源

通 量

10月14 日

伦敦烟 雾 SO2， 关键污染物 TSP 2 O4 SO 3

 PM2.5

一次污染  多尺度污染（局地与区域） 相互作用  多种污染物综合控制

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复合型大气污染的概念

复合型大气污染：是指大气中由多种来源的多种污染物 在一定的大气条件下（如温度、湿度、阳光等）发生多 种界面间的相互作用、彼此耦合构成的复杂大气污染体 系。 复合的含义：1、煤烟型污染与机动车尾气污染及其他污 染相叠加，2、大气中均相反应和多相反应相耦合，3、 局地与区域污染相互影响。 结果：二次污染物，尤其是颗粒物细粒子大量增加。后 者是复合污染中具有综合信息的污染物，它可以来自于 燃煤、机动车排放、生产和生活过程以及大气化学反应 过程等。

城市群大气复合污染的特点

(在新标准下进一步凸显这些特点）

PM2.5 能见度降低 －阴霾 能见度降低 大气复合污染

O3

大气氧化性增强— 夏季出现光化学烟雾现象

多污染物污染 关键污染物

 O3  PM2.5 以城市为中心 呈区域性 大

气扩散

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I . High level of fine particles and poor visibility

区域（或城市）年平均值 区域年均最大值

120

90

60

30

0

北京

呼和浩特

青岛

南京

上海

珠三角

EMEP

SCAQMD

16

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Beijing PM2.5, 105 ug/m3 Unknown 23% Organics 36%

Trace 4%

Chemical speciation of PM2.5 in 2000

EC 5%

Crustal 12%

Main chemical compositions of PM2.5 in several locations, ug/m3

Sites Year 1994-1995 Beijing 2000 2001 Huhehaot 2001 2001 Qingdao 1997-1999 Pearl River Delta Li_an 2000_11 1999_11 1999_11 1999_11 1994-1995 19.2 27.7 40.5 33.2 1.7 2.8 3.0 2.0 0.05-0.6 16.0 14.4 15.8 20.0 16.2 6.9 2.3 6.7 11.3 9.3 7.9 2.4 7.1 9.4 6.6 49.6 84.3 73.1 111.9 83.8 28.0 26.0 30.3 19.2 3.0 2.8 2.8 2.1 OC EC SO4215.2 16.7 12.7 8.5 12.0 NO35.2 9.8 5.9 2.9 6.4 NH4+ 6.5 6.1 3.9 2.0 4.4 Mass 91.0 95.5 84.2 83.7 69.3

Ammonium Sulfate

5%

9%

Nitrate 5%

Chloride 1%

Guangzhou PM2.5, 67.7 ug/m3

Trace 11% Organics 36%

Unknown 17%

Crustal 12% Ammonium 3% Sulfate 14% Nitrate 2%

EC 4% Chloride 1%

Yangtze Delta

Changsu Sheshan

Waliguan*

SO42- + NO3- + NH4+ + OC: 55%

(Some data from joint project of PKU and Georgia Tech)

Diurnal variation of aerosol SO42- and NO3measured by SJAC in Beijing (2000)

60

60

50

SO4

2-

bj0005 bj0006 bj0009 bj0012

NO350

bj0005 bj0006 bj0009 bj0012

40

硝酸盐浓度，ug/m3

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 0:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00

硫酸盐浓度，ug/m3

40

30

30

20

20

10

10

0

0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00

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[Q. Zhang, GRL, 2009; L.Y.He, 2011]

22.1 Wuxi 33.1 33.1

Diurnal variation of particle number size distribution in Beijing: new particle formation?

Continental highly polluted case: 21.3.2004

After dust event: 10.3.2004 New particle formation

Joint Research between Peking University, China (Dr. Min Hu) and Institute for Tropospheric Research, Leipzig, Germany (Dr. Alfred Wiedensohler).

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Anti-correlation between PM2.5 and visibility (hourly mean)

70 60 50 Summer y = 1425x -0.999 R2 = 0.618

12 Winte r y = 52.36x -0.6304 R2 = 0.771

8

Visibility, km 40 30 20 10 0 0 100 200 300 PM2.5 mass ， ug/m3

Visibility, km 4 0 0 100 200 PM2.5 mass ， ug/m3 300

Visibility ~ PM2.5 ~ Humidity

50

RH

40

能见度 Km

Visibility

=3.912*PM2.5/(Qsp*(1+a(RH/100)b)+Qap)

25

30

20

10 20 30 40 50 60 70 80 90

10

0

20

y = 21.171e

2

-0.0141x

0

50

100

150

3

200

R = 0.7347

PM2.5 g/m )

15

PM2.5: 40-100 ug/m3

能见度 Km

10

5

0 0 50

80

100

150

200

3

250

300

Statistic data in GZ urban PM2.5: 40-80 ug/m3

PM2.5 μg/m

19

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Visibility (Wu, 2009)

II Enhanced atmospheric oxidation capacity:

0.5

0.4

Min Tomb Urban center Olympic Village

O3, mg/m3

0.3

0.2

0.1

0 2000-3-30

2000-4-29

2000-5-29

2000-6-28

2000-7-28

2000-8-27

2000-9-26

2000-10-26

O3 pollution in Beijing

20

2014/10/13

Spatial distribution of O3 in Beijing area (June 21-July 3, 2000）

8 hrs mean Maximun

Mean O3 concentration in October PRD

CH 74/82 HD 77/88 LH 67/88 86Z 73/88

PY 67/88 JGW 71/79 87/111 JM 100/127 ZML 87/119 YL 60/79 TW 48/63TM 73/82 TC 73/101

CW 52/66

21

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三大城市群大气O3污染处于高水平

， 300 

250 200 150 100 50 0 北京 珠三角 香港 长三角 EMEP SCAQMD

ppb

平均最大值

区域最大值

欧洲

南加州

数据来源：北京 (2000年)；香港（2006年）；珠三角(2007年)；长三角 (2005年)，SCAQMD(2005年)；EMEP(2003年)

600 500 400 300 200 100 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73

O3最大8小时浓度 (ug/m3)

22

2014/10/13

2013年74城市PM2.5和臭氧超标状况

0.54

PM2.5日均值超标率

0.30 0.17

O38小时值超标率

0.10 0.06 0.09

O3与PM2.5超标率的比值

0.51 0.23 0.21

23

2014/10/13

Observations of the HOx radicals in PRD (2006, 7) and Beijing (2006, 8)

Platform

LIF

High concentrations of HOx radicals are observed in PRD and Beijing  High Oxidative atmosphere!

3、一定气象条件下，呈区域性

PM2.5 concentration changes along wind direction in Beijing

200

Other Trace Crustal

Concentration, ug/m3

150

Ammonium Sulfate Nitrate Chloride EC

100

Organics Mass

50

0 Ming tomb Ming tomb Ming tomb Yongledian Yongledian Yongledian Ming tomb Yongledian Dongsi Dongsi Dongsi Dongsi 10 PKU PKU PKU PKU

1

4

7

24

2014/10/13

III Regional dimension of urban pollution under certain meteorological condition

350 300

other trace crustal ammonium sulfate nitrate chloride ec organics

Conc, ug/m3

250 200 150 100 50 0 YLD YLD PKU PKU AP MT MT DS AP DS

April 19

Apr. 19

Apr. 25

Chemical speciation and air mass back trajectory

April 25

AOD distribution in Beijing area by MOUDIS（Sept.3 and 8, 2000）

API= 120 API= 89

Reference: Mao Jietai, 2003

25

2014/10/13

Regional distribution of monthly mean of O3 concentrations in PRD (2004, 10)

CH 74/82

HD 77/88 LH 67/88 86Z 73/88

PY 67/88 JGW 71/79 87/111 JM 100/127 ZML 87/119 YL 60/79 TW 48/63 TM 73/82 TC 73/101

CW 52/66

Zhang et al., AE, 2008

At 14:00, October 2004

Observation (monthly 8 hours me

Upwind of PRD

Guangzhou Urban

Southern PRD

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长三角、京津冀区域及山东出现连片重污染

不利气象条件与重污染过程（2013.12）

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2014/10/13

城市群大气氧化性和灰霾污染呈加剧趋势

100 80

CW TsuenWan Tung Chung TaiPo Tap Mun

香港

北京

Ding, 2007

NO2+O3(ppb)

60 40 20 0 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005

c

250 灰霾天数 200 150 100 50 0 1965

GZ

BJ

HK

Vis.

北京

香港

广州

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

吴兑, 2007

大气污染的形成过程：

 大气是一个动态体系：排放、迁移、转化、去除；  当输出小于输入时，积累、浓度升高，超过一定水平， 对人体及生态系统造成伤害，

资料大全

大气污染物的分类：

按物理状态： 气态；颗粒态

（固体微粒和液滴） 按来源和过程：一次污染物，如SO2, NOx, TSP等 二次污染物，如O3, PAN等

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大气污染的来源

天然源：自然界中各种产生大气污染物的 过程 人为源：人类活动向大气输送大气污染物 的发生源

人为源：

1. 燃料燃烧

– – 煤燃烧：TSP, PM10, PM2.5，SO2, NOx, CO, CO2 油燃烧：CO, VOC, NOx, SOx, Pb, 颗粒物等

2. 工业过程

– 城市和区域大气的重要污染源，污染物种类取决 于工业的性质

3. 固体废弃物的处理

– – 卫生填埋：产生大量CH4 焚烧： 排放污染物复杂，取决于废弃物来源 （二恶英）

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人为源：

4. 农业活动

– 农药污染、化肥污染

5. 生物质燃烧

餐饮（生物质能源）、秸秆燃烧和森林火灾等

天然源：

1. 自然尘（扬尘、沙尘暴、土壤粒子等） 2. 森林、草原火灾（CO, CO2, SOx, NOx, HC) 3. 火山活动（SO2、硫酸盐等） 4. 森林排放（VOC） 5. 海浪飞沫（硫酸盐等）

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大气污染物的去除（汇机制）

1. 干沉降 2. 湿沉降（雨除、冲刷） 3. 化学过程（不是真正的 去除，而是污染物存在 形式的转化） 4. 向平流层输送 （相对 于对流层）

大气环境化学的任务

张远航 北京大学环境科学与工程学院

中科院， 2014-3-1

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大气污染来源的复杂性 来源解析的方法与特点 源解析技术的不确定性

大气中的主要污染物

• SO2 • CO • O3 • PM10 • PM2.5 • VOCs 来源：多样、复杂 化石燃料 不完全燃烧过程 NOx + VOC + hv = O3

• NOx （NO2、NO） 燃烧过程

32

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大气颗粒物的粒径分布

10

TSP PM 10

Relative Concentration

8

Condensation

PM 2.5 PM 0.1

Droplet

6

4

2

Carbon

Sulfate, Nitrate, Ammonium, Organic & Elemental Carbon, Heavy Metals, Clays

Fugitive Dust, Pollen

0 0.01

Ultrafine

Accumulation

Coarse

0.1

1

10

100

Particle Aerodynamic Diameter (µm)

大气颗粒物的主要化学组成

PM2.5颗粒物 化学组成

Ammonium 6% Sulfate 17% Nitrate 10% Crustal 20% Trace 2%

无机元素： Al, As, Ba, Br, Ca, Cl, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, In, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Rb, S, Sb, Se, Si, Sr, Ti, V, Zn, Zr

Unknow 10%

Chloride 2%

EC 3%

Organic 30%

1000 100 10 1 0.1 0.01

有机组成： 定量测量的组份200多种， 仅占有机物总量的5-10%

水溶性无机离子 SO42-, NO3-, NH4+, Cl-等

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101 105

33

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大气污染物的主要排放源

主要包括燃煤、机动车、工业、民用、扬尘、生物燃料、农业 等十几大类人为源、涉及上近2万子类排放源，此外还包括森 林排放、火灾、沙尘等天然源。

电厂 秸秆 森林

机动车

民用

火灾

工业

市政

沙尘

源排放与空气质量的响应（源-受体关系）

O3

黑炭

空气质量模型

Vd C C   U

C   K  C  R  S i  Z1 t

受体模型

Ci   f i, j S j

j 1

m

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大气污染来源的复杂性 来源解析的方法与特点 源解析技术的不确定性

源解析的主要方法

对环境介质中主要污染物来源进行定性或定量研究 的方法称之为源解析技术

大气污染来源解析技术方法

排放源 清单法

源模型法

受体模 型法

第一代 源模型

第二代 源模型

第三代 源模型

因子分 析模型

CMB 模型

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源解析技术1：排放源清单

排放因子法：

Ei 

j ,k ,m ,n



( Ai , j ,k ,m ,n  Fi , j ,k ,m ,n )

需要详细的活动水平资料 （A）和排放因子（F）

源解析技术2：源模型（空气质量模型）

源清单

化学

气象

浓度分布 与来源

空气质量

12月14日 长三角PM2.5

基于源排放的模型

(空气质量模型)

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基于源排放的模型与基于观测的模型

源排放特征与成份谱s (F) 受体模型 C=f(F,S)

化学

气象

Receptor (monitor)

污染源类 型与贡献

空气质量

基于观测的模型 受体模型

基于源排放的模型

(空气质量模型)

源解析技术3：受体模型

大气 环境浓度

C i   f i , j S j 源成分谱 X 源贡献

j 1

m

基本假设:

• 污染源排放物在源和受体之间不发生化学反应； • 对受体有明显贡献的污染源有各自排放特征； • 污染源成分谱是线性无关的； • 污染源种类小于或等于化学组分种类； • 测量的不确定度是随机的、符合正态分布。

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受体模型的主要类型：CMB ~ PMF

Ci   fi, j S j

j 1 m

CMB 输入 输出 优势 受体成分谱+源成分谱 源类别及贡献

PMF 受体成分谱 源类别及贡献+源成分谱

源类判别明确，对样品量 无需源成分谱 无要求 不能鉴别源谱以外的源类，需要大量样本，源类个数 需要本土源谱，而我国本 未知，源类判别有主观性、 土源谱缺乏 不确定性

劣势

受体模型的输入：环境颗粒物化学成份

• • • • 元素 水溶性离子 OC、EC 有机物

ICP-MS

TOT POM： 烷烃

GC-MS

颗粒有机物测量 的国际比对

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受体模型的输入：源排放颗粒物化学成份

• 燃煤（工业和民用燃煤源， 无烟煤、烟煤和型煤） • 燃油（工业锅炉：重油和 柴油） • 机动车台架实验（轻型、 重型、摩托车；不同燃油： 汽油、柴油） • 隧道中机动车排放 • 生物质燃烧（小麦、水稻、 木材） • 餐饮排放（粤菜、川菜、 湘菜、东北菜和西式快餐 麦当劳）

北京大气PM2.5化学组成（2000年）

200

Other Trace

Concentration, ug/m3

150

Ammonium 6%

Crustal 20%

Trace 2%

Crustal Ammonium Sulfate

100

Sulfate 17%

50

Unknow 10%

Nitrate Chloride EC Organics Mass

0

Nitrate 10%

Ming tomb Yongledian Dongsi PKU

Ming tomb

Ming tomb

Yongled

ian

Yongledian

Ming tomb

二次颗粒物（ SNA + SOA 7）~ 50% 1 4

10

Zheng et al. Atmos. Environ. 2004

Yongledian

Dongsi

Dongsi

Dongsi

PKU

PKU

PKU

Chloride 2%

EC 3%

Organic 30%

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2000年PM2.5源解析结果的季节变化

春 秋

夏 冬

Zheng et al. Atmos. Environ. 2004

香港大气PM2.5的源解析（%）

旺角 荃湾

汽车废气

(marine source)

海上油渣燃烧 泥土

海盐(新) 硫酸盐(二次转化)

元朗

鹤咀

硝酸盐(二次转化)

生物质燃烧 微量金属

香港环保署

40

2014/10/13

PM2.5主要源贡献的变化趋势 (2001、2009)

硫酸盐(二次转化) 汽车废气 微量金属

硝酸盐(二次转化)

泥土 生物质燃烧

海上油渣燃烧

海盐(新)

香港环保署

大气污染来源的复杂性 来源解析的方法与特点 源解析技术的不确定性

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源解析技术方法比较

• 源排放清单

− 活动水平资料缺乏、遗失源、排放因子的不确定性 − 开放源（如扬尘）和天然源排放量统计困难 − 不能考虑化学过程和大气输送的影响

• 扩散模型

− 源清单的不确定性 − 边界层气象过程的变化 − 复杂大气化学过程的机制

• 受体模型

重污染条件下， 不确定性更大

− 许多排放源有相似的源化学成份廓线. − 源和受体之间存在源化学成份廓线变化 − 不能确定同类源中单个源的影响

源清单的不确定性：明显改善

排放因子的本土化率由的20%提高 到70%

不确定性范围

排放因子的数据质量从D级提高到 了B级以上 不确定性从20-400%降低到10130%，明显优于2007年之前国内 外广泛采用的TRACE-P 2000年亚 洲排放清单

贺克斌

过去

源识别范围 时间序列分析 更新频率 不确定性 10-20种 静态参数 5-10年 20-400%

现在

400多种 动态技术演化模型 1-2年 10-130%

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空气质量模型的不确定性

源清单

化学

气象

空气质量

基于源排放的模型

(空气质量模型)

静稳天气和重污染过程： 模拟结果偏低

受体模型的不确定性

• 源示踪物

源排放特征与成份谱s (F) 受体模型 C=f(F,S)

• 源谱的有效性 • 源成份谱共线性

污染源类 型与贡献

• 二次颗粒物 • 不同受体模型的 差异 • 时间、空间变化

Receptor (monitor)

基于观测的模型 受体模型

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本土化PM2.5源化学成份谱研究：薄弱

• 中国PM2.5源解析工作将近一半使用CMB模型 • 然而，本地源谱较为缺乏，只能借鉴国外源谱

燃烧类

100% 80% 60% 40% 20% 0%

尘类

其他

non-local local

模型应用情况

源化学成份谱：无机示踪物

源类 扬尘 建筑尘 冶炼尘 机动车 示踪物 Si, Al, Ca, Mg, Ti Ca, Mg, Na Fe, Zn, Mn, Co, Cu Ba, Br, Ni, Co, Cu, OC, Zn, Pb

燃煤、燃油 Se, As, S, SO42-, EC, Ni, V 生物质燃烧 K, Zn, Cl 二次无机盐 SO42-, NO3-, NH4+

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源化学成份谱：有机示踪物

• 燃煤排放源—苉、藿烷系列 • 燃油排放源—苯二甲酸系列 • 机动车排放—晕苯、藿烷系 列 • 生物质燃烧源—左旋葡聚糖 和脱氢松香酸 • 餐饮源—胆甾醇，十六烷酸， 十八烷酸和油酸 • 生物质源与化石燃料源：奇 -偶碳数分布规律 燃煤、燃油、生物质燃烧 源排放的有机组成源谱

不同源解析方法：存在较大差异

CMB-LGO Receptor CMB-MM -oriented PMF PMF-new Sourceoriented CMAQ Lee D, et al. EST, 2009. Zheng M, et al., JAWMA, 2007. Ke L, et al., STE, 2008. Ke L, et al., STE, 2008. Marmur A, et al., AE, 2006 Jefferson Street(JST)

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2014/10/13

集成源解析模型:ENSEMBLE

源技术的发展方向

• 集成源解析模型 • 混合受体和空气质量模型的源解析方法

(Balachandran et al, AE, 2013)

集成源解析模型:ENSEMBLE

优 势

• 日变化减噪 • zero impact情况减少 • 降低不确定性

劣 势

• 方法复杂 • 数据难以获得，如CMBMM

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2014/10/13

大气复合污染立体监测预警系统

区域 反馈 (确定控制目标，评估成效) 空气质量多模式 预报系统

1个超级站 + 8 个区域站 + 50 个城市站

预报 政策 控制 应急

多尺度动态污染源 清单平台

技术集成示范与珠江三角洲空气质量监控大厅

污染成因诊断与来源解析的技术体系

区 域 立 体 监 测 网 与 动 态 源 清 单

区域空气质量模拟与同化

CMAQ，CAMx，NAQMS，WRF-Chem

边界层气象与污染特征

MM5，矢量和、大气边界层特征解析

现状 评估

二次污染与前体物关系诊断：

OBMs，SPM，DDM，HDDM，EKMAs 过程分析、积分速率、二次气溶胶

灰霾成因诊断：

“三组分”光学平衡模型 多元线性回归分析MLR

成因 诊断

受体来源解析：

CMB、PMF，MLR，源解析技术集成

动态源追踪：

标识法、OSAT、PSAT、GOAT

气象过程与污染输送

印痕函数、轨迹分析、输送通道

来源 解析

区 域 污 染 诊 断 识 别 的 技 术 体 系

源-受体关系解析：

伴随模型、逆向模拟、敏感系数

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2014/10/13

小结

• 源解析技术：

− 基本建立，与国际可比，亟待推广应用

• 源解析结果：

− 时空变化，具有不确定性，需多种方法综合及验证

• 源解析工作：

− 典型案例，提供决策支持，需要长期积累（源成份谱）

问 题

 大气污染源解析技术的主要方法、优势 和劣势

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本文来源：http://www.nmgzasp.com/lw/42275/