大氣顆粒物特性及其環(huán)境影響-胡敏教授

1、顆粒物形貌和來源顆粒物形貌和來源顆粒物形貌和來源顆粒物形貌和來源一次來源一次來源 天然源天然源 生物源：細菌、花粉、植物生物源：細菌、花粉、植物蠟蠟森林大火、火山爆發(fā)、海鹽森林大火、火山爆發(fā)、海鹽沙塵、風(fēng)揚塵沙塵、風(fēng)揚塵 人為源人為源道路塵、建筑塵道路塵、建筑塵各種燃燒過程各種燃燒過程工業(yè)鍋爐、機動車排放、餐工業(yè)鍋爐、機動車排放、餐飲、生物質(zhì)燃燒飲、生物質(zhì)燃燒二次來源二次來源SO2SO2 SO42- SO42-NOx NOx NO3-NO3-NH3NH3 NH4+ NH4+VOCVOC揮發(fā)性揮發(fā)性 有機物有機物 SOASOA二次有機顆粒物二次有機顆粒物2燃煤飛灰（燃煤飛灰（PMPM2.52.5

2、）coal-burning flyashcoal-burning flyash燃重油顆粒物燃重油顆粒物diesel engine combustiondiesel engine combustion冶金粉塵（冶金粉塵（PM1）metal smelter內(nèi)燃機排放顆粒物內(nèi)燃機排放顆粒物gasoline engine combustion3地地殼殼類類1 18 8% %有有機機物物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 氣溶膠粒子無處不在，無時不在。氣溶膠粒子無處不在，無時不在。o 在大氣中的濃度：在大氣中的濃度：o 質(zhì)量濃度：質(zhì)量濃度：TSP, PM10, PM2.5。集中在積聚模和粗模態(tài)集中在積聚模和粗模態(tài)o 數(shù)濃度：數(shù)濃度：污染城市污染城市高達高達10105 5個個/ /cmcm3 3。集中在集中在核模和核模和積聚模積聚模o 表面積濃度表面積濃度o 體積濃度體積濃度o 粒徑：粒徑：跨跨4 45 5個數(shù)量級，從幾個個數(shù)量級，從幾個nm100 m。o 化學(xué)組成：化學(xué)組成：o 幾乎涵蓋了所有化學(xué)組成幾乎涵蓋了所有化學(xué)組成o 濃度含量從濃度含量從 g/m3-ng/m3o 多種采樣和分析方法

4、結(jié)合多種采樣和分析方法結(jié)合o 嚴格的嚴格的QA/QC氣溶膠粒徑濃度/化學(xué)組成性質(zhì)影響顆粒物的物理化學(xué)特性 大氣顆粒物已成為我國城市大氣的首要污染物大氣顆粒物已成為我國城市大氣的首要污染物隨著大氣污染控制和能源結(jié)構(gòu)的改變，顆粒物污染越來越表現(xiàn)為隨著大氣污染控制和能源結(jié)構(gòu)的改變，顆粒物污染越來越表現(xiàn)為細粒子和超細粒子的污染細粒子和超細粒子的污染;空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)TSPPM10PM2.5。02468100.010.1110100Particle Aerodynamic Diameter (m)Relative ConcentrationAccumulationCoarsePM 10PM 2.

5、5TSPPM 0.1 揚塵揚塵 花粉花粉 硫酸鹽硫酸鹽 硝酸鹽硝酸鹽 銨鹽銨鹽 有機碳化物有機碳化物 元素碳元素碳重金屬重金屬 土壤元素土壤元素碳碳UltrafineCondensationDroplet細粒子細粒子超細粒子超細粒子粗粒子粗粒子PM2.5 PM10100 m10 m m H2 O2 CO CO2 SO2等氣體分子等氣體分子可吸入顆粒物可吸入顆粒物 PM2.5納米級超細粉納米級超細粉1 m m預(yù)混火焰的煙炱預(yù)混火焰的煙炱風(fēng)沙風(fēng)沙內(nèi)燃機煙炱內(nèi)燃機煙炱香煙等煙霧香煙等煙霧面粉，煤粉等面粉，煤粉等 靜電除塵后的粉煤灰靜電除塵后的粉煤灰, ,冶煉灰等冶煉灰等海風(fēng)攜帶鹽海風(fēng)攜帶鹽病毒病毒細

6、菌細菌人呼吸道中沉積的顆粒人呼吸道中沉積的顆粒燃燒升華后的凝結(jié)微粒燃燒升華后的凝結(jié)微粒n m地面揚塵地面揚塵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氣管支氣管細、超細顆粒物進入人體的部位細、超細顆粒物進入人體的部位顆粒物空氣動力學(xué)直徑顆粒物空氣動力學(xué)直徑沉降量沉降量%顆粒物顆粒物化學(xué)組成大氣大氣顆粒物顆

7、粒物幾乎包含了自然界存在的所有元素幾乎包含了自然界存在的所有元素 海洋上空的氣溶膠的化學(xué)元素組成與海水的元素組成相似； 干凈大陸氣溶膠的元素組成與地殼物質(zhì)的元素組成相似； 城市大氣氣溶膠則不但包含了地殼中豐度很高的元素，還包括了各種各樣的工業(yè)污染元素。 化學(xué)特性 化學(xué)成分-大氣化學(xué)過程：二次組分的轉(zhuǎn)化機制。尤其是細和超細粒子中的二次組分 PM2.5/PM10 = 40%-70%; (NH4+SO42-+NO3-+SOC)/PM2.5 = 40-70% 化學(xué)成分-大氣環(huán)境質(zhì)量：PM2.5或PM10的化學(xué)組成，進而弄清來源(CMB源解析） 化學(xué)成分-粒徑：譜分布，不同模態(tài)顆粒物行為和來源 化學(xué)成分

8、-效應(yīng)：氣候變化IPCC報告中給出硫酸鹽,EC/OC, mineral dust的輻射強迫，而不是PM2.5或PM10，與健康效應(yīng)相關(guān)的有毒有害組分大氣顆粒物污染與灰霾大氣顆粒物污染與灰霾 灰霾反映在能見度下降，能見距降低；灰霾反映在能見度下降，能見距降低； 是由于顆粒物對光的散射和吸收造成的，與顆粒物是由于顆粒物對光的散射和吸收造成的，與顆粒物 粒徑大小有關(guān)，尺度參數(shù)，粒徑大小有關(guān)，尺度參數(shù)，0.1-1 m有效削光，有效削光，Mie散射。散射。 化學(xué)組成，不同化學(xué)組成折射率不同化學(xué)組成，不同化學(xué)組成折射率不同 吸濕性有關(guān)，硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等吸濕長大到有效吸濕性有關(guān)，硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽等

9、吸濕長大到有效消光的粒徑消光的粒徑 混合態(tài)：內(nèi)混和外混，內(nèi)混消光消光增強混合態(tài)：內(nèi)混和外混，內(nèi)混消光消光增強 目前僅有的目前僅有的PM10不足以說明灰霾的成因，需要對不足以說明灰霾的成因，需要對細和超細顆粒物物理、化學(xué)和光學(xué)特性多種參數(shù)的細和超細顆粒物物理、化學(xué)和光學(xué)特性多種參數(shù)的同時測定。同時測定。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 降低大氣能見度降低大氣能見度o 云凝結(jié)核云凝結(jié)核致酸物質(zhì)致酸物質(zhì)o 干沉降干沉降危害生態(tài)系統(tǒng)危害生態(tài)系統(tǒng)o 遠距離輸送遠距離輸送區(qū)域性酸沉降區(qū)域性酸沉降區(qū)域及全球氣候變化區(qū)域及全球氣候變化o 污染物載體污染物載體攜帶有害有毒污染物攜帶有害有毒污染物o 進入呼吸道進入呼吸道影響人體健康影響人體健康o 化學(xué)反應(yīng)床化學(xué)反應(yīng)床多相化學(xué)反應(yīng)多相化學(xué)反應(yīng)PM2.5的環(huán)境行為及效應(yīng)局地大氣污染局地大氣污染負面的健康效應(yīng)負面的健康效應(yīng)城市能見度下降城市能見度下降區(qū)域

11、大氣污染區(qū)域大氣污染酸沉降，對湖泊、森林等生態(tài)系統(tǒng)造成危害酸沉降，對湖泊、森林等生態(tài)系統(tǒng)造成危害水體富營養(yǎng)化，影響水體質(zhì)量水體富營養(yǎng)化，影響水體質(zhì)量全球大氣污染全球大氣污染影響地球輻射平衡，以及全球變化影響地球輻射平衡，以及全球變化氣溶膠平流層臭氧損耗提供反應(yīng)表面并催化，南極臭氧洞氣溶膠平流層臭氧損耗提供反應(yīng)表面并催化，南極臭氧洞小粒子，大問題我國大氣顆粒物物理化學(xué)特性我國大氣顆粒物物理化學(xué)特性Highlight 1:來源復(fù)雜（人為一次，天然，二次）來源復(fù)雜（人為一次，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)二次顆粒物組成的二次轉(zhuǎn)化二次顆粒物組成的二次轉(zhuǎn)化 二次顆粒物組成的重要性 從氣態(tài)前提物經(jīng)過核化成從氣態(tài)

13、前提物經(jīng)過核化成新生成的粒子新生成的粒子（納米級（納米級粒子）和非均相轉(zhuǎn)化成粒子）和非均相轉(zhuǎn)化成積聚模態(tài)粒子積聚模態(tài)粒子，二次顆粒，二次顆粒物在大氣中存在物在大氣中存在壽命長壽命長，可以，可以傳輸幾百和上千公傳輸幾百和上千公里。里。 將局地問題演變?yōu)閰^(qū)域問題；城市和周邊聯(lián)系起將局地問題演變?yōu)閰^(qū)域問題；城市和周邊聯(lián)系起來；來； 二次組分所在的粒徑及其吸濕性，對能見度的下二次組分所在的粒徑及其吸濕性，對能見度的下降貢獻大，造成區(qū)域性灰霾；降貢獻大，造成區(qū)域性灰霾； 給城市和區(qū)域大氣污染監(jiān)測、預(yù)報和控制帶來新給城市和區(qū)域大氣污染監(jiān)測、預(yù)報和控制帶來新的挑戰(zhàn)。的挑戰(zhàn)。Highlight 2: 各種濃度

14、水平高（數(shù)濃度、表面積濃度、各種濃度水平高（數(shù)濃度、表面積濃度、質(zhì)量濃度和化學(xué)組成濃度）質(zhì)量濃度和化學(xué)組成濃度）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%兩點PM2.5一致性較好兩點二次組分NO3- 、SO42-、NH4+相關(guān)性較好(0.84-0.88) ，區(qū)域二次污染的特征夏季濃度低，波動小，07年秋季濃度高、波動最大兩點兩點PM2.5PM2.5質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度2424小時均值小時均值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:有機顆粒物成為有機

16、顆粒物成為PM2.5主要組分主要組分POC from combustion process and biogenic VOC, SOC has to be paid more attention新粒子研究意義新粒子研究意義 新粒子生成普遍存在：自由對流層，大陸邊界層，新粒子生成普遍存在：自由對流層，大陸邊界層，污染城區(qū)，工業(yè)煙羽，對流云附近，暴露潮汐污染城區(qū)，工業(yè)煙羽，對流云附近，暴露潮汐區(qū)區(qū) 改變顆粒物粒徑譜分布：是大氣顆粒物的重要來改變顆粒物粒徑譜分布：是大氣顆粒物的重要來源之一源之一 影響影響CCN：影響云的光學(xué)性質(zhì)從而影響全球輻射：影響云的光學(xué)性質(zhì)從而影響全球輻射平衡平衡 潛在的健康效

17、應(yīng)潛在的健康效應(yīng)(Biswas&Wu,2005);3肺泡巨噬細胞分泌物上皮細胞纖維原細胞淋巴分泌物分泌物支氣管大氣細粒子大氣細粒子PM2.5作為區(qū)域大氣作為區(qū)域大氣復(fù)合污染的復(fù)合污染的核心污染物核心污染物，對大氣污染監(jiān)測的要求和挑戰(zhàn)對大氣污染監(jiān)測的要求和挑戰(zhàn)環(huán)保系統(tǒng)監(jiān)測站大多設(shè)于城區(qū)，主要監(jiān)測常規(guī)一次污染物：SO2、NO2和PM10。不具備區(qū)域復(fù)合污染監(jiān)測能力，未能形成真正意義的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和實時監(jiān)測與監(jiān)控?，F(xiàn)有的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不能很好地反映區(qū)域大氣復(fù)合污染的特征，準(zhǔn)確地評價空氣質(zhì)量，難以為環(huán)境管理和環(huán)境決策提供科學(xué)支持。針對區(qū)域針對區(qū)域大氣大氣復(fù)合污染，建立科學(xué)合理的區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)復(fù)合污染

18、，建立科學(xué)合理的區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫。需要解決區(qū)域復(fù)合污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、絡(luò)迫在眉睫。需要解決區(qū)域復(fù)合污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、優(yōu)化、監(jiān)測技術(shù)配置、集成等關(guān)鍵技術(shù)。優(yōu)化、監(jiān)測技術(shù)配置、集成等關(guān)鍵技術(shù)。全國尚未有真正意義的超級站（Supersites）。反映區(qū)域復(fù)合污染現(xiàn)狀的監(jiān)測能力嚴重滯后覆蓋面和代表性差：監(jiān)測點位集中于城市地區(qū)，原有的清潔對照點由于快速的城市化，其所代表的大氣環(huán)境功能已經(jīng)發(fā)生變化，失去了應(yīng)有的意義。l 監(jiān)測指標(biāo)偏少：主要監(jiān)測SO2、NO2、CO和PM10，監(jiān)測的項目不能滿足具有區(qū)域影響的特征污染物如大氣臭氧和PM2.5及相關(guān)組分（如VOC）的需要。l 監(jiān)測手段單一：主要集中監(jiān)測近地

19、面大氣，缺乏流動觀測和立體觀測的技術(shù)手段。l 監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量不高：質(zhì)量控制質(zhì)量保證體系不夠完善，實施手段不多，機制不夠健全。目前我國城市空氣質(zhì)量監(jiān)測主要問題美國情況：從上世紀70年代初逐漸建立了涵蓋整個國家，針對不同目的、不同級別的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，被認為是保護、評估大氣環(huán)境質(zhì)量、污染綜合防治的重要手段。nSLAMS(State and Local Air Monitoring Stations)，4000多個子站；nNAMS（National Air Monitoring Network）,1080個子站；nCASTNET(Clear Air Status and Trends Network

20、)，主要位于鄉(xiāng)村區(qū)域; nPAMS（Photochemical Assessment Monitoring Network）, 22個子站,監(jiān)測臭氧及其前體物;nSupersites從1999年開始8個超級站。國外國外空氣質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)狀空氣質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)狀歐洲的情況：歐洲的酸雨觀測計劃（EMEP）是迄今最成功的跨國大氣污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。該監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)依據(jù)歐洲污染物跨國輸送公約，按照統(tǒng)一的規(guī)范建立和運行，監(jiān)測范圍覆蓋了除前蘇聯(lián)之外的歐洲全境。該監(jiān)測網(wǎng)不僅揭示了酸雨在歐洲的輸送規(guī)律，也提供了評估歐洲各國致酸物質(zhì)排放削減的酸沉降量變化的實際效果，為歐洲酸沉降控制的決策提供了堅實的基礎(chǔ)。國外空氣質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)狀國外空氣

21、質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)狀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“城市大氣環(huán)境定位觀測站城市大氣環(huán)境定位觀測站” 長期綜合研究顆粒物物理化學(xué)特性長期綜合研究顆粒物物理化學(xué)特性“城市大氣環(huán)境城市大氣環(huán)境定位觀測站定位觀測站”氣態(tài)污染物氣態(tài)污染物氣態(tài)硫酸氣態(tài)硫酸顆粒物物理顆粒物物理顆粒物化學(xué)組成顆粒物化學(xué)組成降水化學(xué)降水化學(xué)氣象參數(shù)氣象參數(shù)城市大氣環(huán)境定