北京市區(qū)大氣污染的時空特征

1、第13卷特刊應(yīng)用氣象學(xué)報Vol.13,Suppl.2002年1月JOURNALOFAPPLIEDMETEOROLOGICALSCIENCEJanuary2002北京市區(qū)大氣污染的時空特征于淑秋1林學(xué)椿2徐祥德11)(中國氣象科學(xué)研究院,北京100081)2)(國家氣候中心,北京100081)提用1999年11月14NO2、CO和O3等5類污染物每。結(jié)果表明:北京市,出現(xiàn)3級以上的概率分別為50%和30%,是。北京污染物有明顯的季節(jié)變化,SO2出現(xiàn)3級以上概率在冬半年(11月至翌年3月)為34%,夏半年(410月)幾乎不出現(xiàn),但可吸入顆粒物的季節(jié)變化沒有其它4類污染物顯著。從1997年以來北京市

2、區(qū)的大氣污染略有好轉(zhuǎn)。關(guān)鍵詞:環(huán)境大氣污染北京市引言隨著工業(yè)發(fā)展和技術(shù)的進步,大氣污染問題正在引起人類普遍關(guān)注和各級政府的高度重視。所謂大氣污染是指大氣污染物或由其轉(zhuǎn)化的二次污染物濃度達到了有害于人類健康和破壞自然環(huán)境的危害現(xiàn)象。大氣污染有自然過程(例如火山爆發(fā)、森林火災(zāi)等)和人為因素(例如工業(yè)廢氣、生活燃煤、汽車尾氣、核爆炸等)。其主要過程由污染物排放、大氣傳播、人和物污染3個環(huán)節(jié)構(gòu)成。20世紀(jì)80年代以來,由于工業(yè)的突飛猛進,世界人口的城市化等,城市大氣環(huán)境質(zhì)量的評價及污染防治已成為大氣污染研究和城市氣候研究領(lǐng)域的主要課題之一13。研究北京市大氣污染的時空分布特征,對進一步治理、預(yù)測和控制

3、本市大氣污染都有很重要的意義。本文使用北京市環(huán)保局公布在國際互聯(lián)網(wǎng)上的大氣污染各項指數(shù),對北京市污染氣候特點作一些統(tǒng)計學(xué)的研究。1資料本文所用大氣污染資料是北京市環(huán)境保護局在市區(qū)12個觀測站點5個污染物的污染指數(shù)和污染等級。這5種污染物分別是二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、二氧化氮本研究得到國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目:首都北京及周邊地區(qū)大氣、水、土環(huán)境污染機理與調(diào)控原理(編號為G1999045700)的資助。2001208203收到,2001209223收到再改稿。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing

4、 House. All rights reserved. 特刊于淑秋等:北京市區(qū)大氣污染的時空特征(NO2)、臭氧(O3)和可吸入顆粒物(PM10)。時間是1999年11月1日到2001年5月31日,共544個連續(xù)觀測日(資料由項目辦公室提供,特此感謝)。北京市區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測站點的分布如圖1,定陵為清潔對照站。該站遠離市區(qū),觀測到的污染物變化基本上可代表自然變化。車公莊和前門兩個監(jiān)測站位于交通路口,主要監(jiān)測交通環(huán)境狀況;其他各監(jiān)測站分別代表居住區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)的環(huán)境狀況。其中東四、天壇、市委黨校、車公莊和前門位于三環(huán)路以內(nèi);奧體中心、農(nóng)展館、古城、東壩地區(qū)和玉泉路位于三環(huán)路以外。圖1北京市區(qū)

5、空氣質(zhì)量監(jiān)測站地理位置示意圖空氣污染指數(shù)(AirPollutionIndex簡稱API)是根據(jù)空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和各項污染物的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其對人體健康的影響程度,將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物濃度簡化成為單一的概念性指數(shù)值。北京市空氣質(zhì)量日報所用空氣污染指數(shù)的分級標(biāo)準(zhǔn)是:空氣質(zhì)量指數(shù)(API)50以下對應(yīng)的污染物濃度為國家空氣質(zhì)量日均值一級標(biāo)準(zhǔn);API為51100時對應(yīng)的污染物濃度為國家空氣質(zhì)量日均值的二級標(biāo)準(zhǔn);API更高值段的分級對應(yīng)于各種污染物對人體健康產(chǎn)生不同影響時的濃度限制(如表1)?？梢?級以上(含3級,下同)對人身或環(huán)境會產(chǎn)生危害。本文也將重點討論出現(xiàn)3級以上的概率分布。表1北京市空氣

6、污染指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)(試行)API05051100101150151200201250251300>300空氣質(zhì)量級別12313241425空氣質(zhì)量狀況優(yōu)良輕微污染輕度污染中度污染中度重污染重度污染對健康的影響可正常活動可正?；顒娱L期接觸,易感人群出現(xiàn)癥狀長期接觸,健康人群出現(xiàn)癥狀一定時間接觸后,健康人群出現(xiàn)癥狀一定時間接觸后,心臟病和肺病患者癥狀顯著加劇健康人群有明顯強烈癥狀,提前出現(xiàn)某些疾病© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 應(yīng)用氣象學(xué)報13卷2

7、統(tǒng)計分析2.1氣候概率首先統(tǒng)計了544個觀測日各污染物各等級的出現(xiàn)概率,即相當(dāng)于各污染物各等級出現(xiàn)的氣候概率,如表2所示,有如下的特點:(1)清潔對照站定陵SO2、CO、NO2、O3和PM10出現(xiàn)1、2,分別為97%、99%、98%、95%和77%,。除PM10以外,其它4個污染物出現(xiàn)31%。而PM10出現(xiàn)3級以上概率為23,北風(fēng)為主、4,但由于PM10屬粒子部分,。(2)(PM10),PM103級的概率為50,其中4、5級出現(xiàn)概率為7%,換言之,北京市民有一半日子是生活在有害人體健康的可吸入顆粒物污染中。定陵站PM103級的概率為23%,如果這是自然過程,則北京市民日常活動(如工業(yè)廢氣,生活

8、燃料燃燒以及裸地施工等)使該污染物的3級以上污染日數(shù)增加了一倍。從監(jiān)測站的分布看,出現(xiàn)3級以上的概率較小的是奧體中心和農(nóng)展館,概率為40%,較大在東壩地區(qū)和古城,概率在60%以上,據(jù)全國26個城市的統(tǒng)計分析,有半數(shù)以上的城市主要污染物為可吸入顆粒物4。表2北京地區(qū)各污染物各級出現(xiàn)的頻數(shù)(1999年11月2000年4月)污染物級別定陵東四天壇奧體中心農(nóng)展館古城望京新城東壩地區(qū)市委黨校玉泉路車公莊前門平均SO2123CO123NO2123O3123PM10123752219810917075204284920422631532619533213762022415552331467257593197

9、423254943424115752315335107916385138623247820162307926084742413720722606425965268332625233148315071235801718474357311178192702548314102573343233821704638147322344746492920752215731117422254053472626762113743198016244153502820642593647158513064250493218682655335117918144450(3)二氧化硫(SO2)在北京是僅次于PM10的第二種

10、污染物,它出現(xiàn)3級以上的概率為20%左右,個別監(jiān)測站(例如東四、市委黨校)可達到30%,而清潔對照站定陵出現(xiàn)的概率僅為1%,幾乎不出現(xiàn)?？梢娺@種污染物是由人為因素造成的,它的主要來源為:工業(yè)生產(chǎn)、生活爐灶與采暖鍋爐、廢物焚化和交通運輸工具等。農(nóng)展館和東壩地區(qū)出現(xiàn)3級以上概率較小,不到10%,而東四市委黨校概率較大,可達30%。(4)二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)和臭氧(O3)出現(xiàn)3級以上概率較小,一般不到© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 特刊于

11、淑秋等:北京市區(qū)大氣污染的時空特征10%,個別監(jiān)測站NO2可達到20%,說明這三類污染物對環(huán)境和人體造成的直接危害不大。與清潔對照站比較,NO2、CO、O3都是因人類活動造成的,NO2、CO被認為是機動車尾氣造成的污染。NO23級的概率在前門和車公莊較大,分別為19%和15%,而CO3級的概率在東四較大,達19%。可見北京市由于機動車輛每年以15%增長,它所造成的污染已不容忽視。(5)由以上討論可見,污染物的分布在各站是不同的,。為了簡化,把它們分成三環(huán)路內(nèi)和三環(huán)路外兩組。由圖1:東四、車公莊和前門位于三環(huán)路以內(nèi);奧體中心、農(nóng)展館、于三環(huán)路以外。大家都清楚,、的。PM10和O3三環(huán)路。SO2、

12、NO2、CO出現(xiàn)3級以上、16三環(huán)路外分別為16、10、4,三環(huán)路外比三環(huán)路內(nèi)出現(xiàn)340左右。由以上討論可見,北京市主要污染物為可吸入顆粒物,污染程度嚴重且范圍廣,二氧化硫污染突出,具有典型煤煙型污染特征,但機動車輛的污染也不容忽視。2.2季節(jié)變化現(xiàn)有資料是從1999年11月至2001年4月共18個月,544天5種污染物的等級資料,將這些等級資料按月按等級統(tǒng)計,勉強可以討論它們的季節(jié)變化。圖2分別為可吸入圖2可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)和一氧化碳(CO)出現(xiàn)3級以上頻數(shù)的季節(jié)變化(圖中的由上到下分別是定陵、三環(huán)路內(nèi)、三環(huán)路外、平均及對應(yīng)指數(shù)(實

13、線)© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 應(yīng)用氣象學(xué)報13卷續(xù)圖2顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)和一氧化碳(CO)出現(xiàn)3級以上頻數(shù)的季節(jié)變化。由圖可以看到它們季節(jié)變化有如下的特點:(1)PM10的季節(jié)變化要比其它幾個污染物不明顯。總的說春季(35月,特別是3、4月)出現(xiàn)3級以上的概率較大,夏季概率較小。定陵、三環(huán)路內(nèi)和三環(huán)路外出現(xiàn)3級以上的概率在春季(35月)分別為37%、62%、61%,夏季(710月)分別為4

14、%、32%、34%?？梢娺@種污染物在三環(huán)路內(nèi)外差別不大,由于北京地區(qū)春季地面干燥加上風(fēng)比較© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 特刊于淑秋等:北京市區(qū)大氣污染的時空特征大,容易造成揚塵,定陵站概率就達到37%,而市區(qū)要比它高出15%左右。夏季華北地區(qū)風(fēng)速較小,降水較多,定陵的概率只有4%,而市區(qū)達到32%,高出8倍,這是因工業(yè)、交通、裸地施工等人為因素造成PM10超標(biāo),應(yīng)引起注意。從季節(jié)變化看,北京市把污染物分成采暖期(11月至翌年3月)和非采暖期(41

15、0月)進行統(tǒng)計似乎不妥,因為這個污染物的極大值出現(xiàn)在春季(35月)。(2)SO2、NO2、CO等污染物都存在明顯的季節(jié)變化,都以冬半年(11月至翌年3月)出現(xiàn)3級以上概率較大,而夏半年(410月)幾乎不出現(xiàn)。定陵、半年SO23級的概率分別為3%、45%、26%(34比定陵分別高出15倍和近9倍,(12月至翌年2月)出現(xiàn)360年1月出現(xiàn)3級以上的概率可達72%3。這與重慶市的季節(jié)變化類似4。冬,從而形成嚴重的污染。在采暖期如何減少煤碳的燃燒量,。NO2和CO季節(jié)變化很相似,冬半年出現(xiàn)3級以上概率較大,夏半年基本上不出現(xiàn)。而清潔對照站全年各月出現(xiàn)3級以上的概率都很小,特別是CO基本上不出現(xiàn)3級以上

16、的污染。NO2和CO都被認為是機動車排放的污染物。我們知道機動車輛是移動型的污染源,其污染程度在冬季和夏季應(yīng)無顯著差別,不會出現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。NO2和CO的季節(jié)變化,且嚴重污染出現(xiàn)冬半年,說明除了機動車排放污染,主要還是冬季采暖大量燃燒煤碳的結(jié)果。(3)O3也存在著明顯的年變化,不過它和SO2、NO2、CO不同,極大值出現(xiàn)在夏半年,冬半年則為極小值。定陵、三環(huán)路內(nèi)和三環(huán)路外夏半年(59月)出現(xiàn)3級以上的概率分別為17%、9%、10%,出現(xiàn)3級以上的概率定陵最多,個別月份可達46%,三環(huán)路外次之,三環(huán)路內(nèi)反而最小。2.3年際變化北京市區(qū)污染物的年際變化比較明顯。由圖2可以看到2000/2001

17、年冬季比1999/2000年冬季NO2出現(xiàn)3級以上的次數(shù)顯著減少,而CO明顯增加?？上]有這方面的資料,無法討論。我們從北京環(huán)保局公布在internet網(wǎng)上19941999年北京市環(huán)境狀況公報得到一些不完整資料59,盡菅如此,還可以看出一些年際變化的趨勢。表3為19941999年二氧化硫、總懸浮顆粒物和降塵量的年際變化。北京的降塵量有明顯減少趨勢,例如19941995年降塵量約為20t/(月km2),到19981999年減少到15t/(月km2),減少了25%。SO2則在1997年后也有較大幅度的減少。表3北京市大氣中的二氧化硫、總懸浮顆粒物和降塵量3年份1994199519961997199

18、8199912212180二氧化硫總懸浮顆粒物(10-6gm-3)(10-6gm-3)337337323353378364降塵(t/(月km2)21.920.014.716.415.215.0總懸浮顆粒物呈波動型,看不出有減少的傾向。3本表所用的數(shù)據(jù)取自北京市環(huán)保局在internet網(wǎng)上公布的19941999年北京市環(huán)境狀況公報59。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 應(yīng)用氣象學(xué)報13卷SO2和降塵量的減少與近幾年北京市對城市環(huán)境污染的積極治理有關(guān)。例

19、如1996年,北京市投資188.78億元用于城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),其中公用事業(yè)投資40.7億元,與環(huán)保密切相關(guān)的河湖整潔、綠化、環(huán)衛(wèi)等投資20.4億元。北京市環(huán)境有了較大的改善,僅就表419941999年北京市綠化而言,從1994到1999年,綠化覆綠化59一覽表蓋率由31.36%增至35.30%,林木覆蓋率由33.78%增至42.00%,人均公共綠地面積由6.58m2增至8.12m2(如表4)。盡菅北京市采取很多改善環(huán)境措施,但環(huán)境污染問題還是相當(dāng)嚴重,年份綠化覆蓋率(%)林木覆蓋率(%)人均公共綠地(m2)199419951996199733.34.3042.0038.7.208.1831.3

20、633.5633.78587.093小我們用1999年11月到2001年4月每日SO2、PM10、NO2、CO和O3等5類污染物等級資料,作統(tǒng)計分析表明:(1)北京市區(qū)的污染物以可吸入顆粒物和二氧化硫為主,出現(xiàn)3級以上的概率分別為50%和20%,是相當(dāng)嚴重的。三環(huán)路內(nèi)比三環(huán)路外嚴重。(2)北京市區(qū)污染物有明顯的季節(jié)變化。SO2出現(xiàn)3級以上概率在冬半年(11月至翌年3月)為34%,夏半年(410月)幾乎不出現(xiàn)。但可吸入顆粒物的的季節(jié)變化沒有其它4類污染物顯著。(3)從1994年以來北京市區(qū)的降塵量有明顯的減少;1997年以來有較大的減少;但可吸入顆粒物減少不明顯,呈波動變化。北京市位于華北平原的

21、北部邊緣,地處內(nèi)蒙古高原、黃土高原和華北平原的交界處,為半干旱、半濕潤的地區(qū),具有典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征。多年平均氣溫為12,年降水量為640mm左右,全年以偏北風(fēng)為主,年平均風(fēng)速為2.4m/s。容易出現(xiàn)地面揚塵污染,不利于大氣污染物擴散的穩(wěn)定類型天氣出現(xiàn)頻率為45%,惡劣的自然條件又加重了大氣污染。北京市治理大氣污染的任務(wù)十分艱巨,首要的是要治理可吸入顆粒物和二氧化硫等煤煙型的污染物。參考文獻1周淑貞,束炯.城市氣候?qū)W.北京:氣象出版社,1994.49114.2LeiXE,HanZW,ZhangMG.Physical,Chemical,BiologicalProcessesandMat

22、hematicalModelonAirPollution.Beijing:ChinaMeteorologicalPress,1998.3WeberML.AirPollution,AssessmentMethodologyandModeling.NewYork:NewYorkPress,1983.329.4雷孝恩,張美根,韓志偉,等.大氣污染數(shù)值預(yù)報基礎(chǔ)和模式.北京:氣象出版社,1998.1843.5北京市環(huán)境保護局.1994年北京市環(huán)境狀況公報.,2001.6北京市環(huán)境保護局.1996年北京市環(huán)境狀況公報.,2001.7北京市環(huán)境保護局.1997年北京市環(huán)境狀況公報.,2001.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 特刊于淑秋等:北京市區(qū)大氣污染的時空特征8北京市環(huán)境保護局.1998年北京市環(huán)境狀況公報.,2001.9北京市環(huán)境保護局.1999年北京市環(huán)境狀況公報.,2001.TEMPORALANDSPATIALCHARACTERISTICSOFAIRPOLLUTIONINB