北京市區與背景區大氣污染物濃度變化對比研究

隨著經濟的發展，北京的空氣污染日益嚴重。冬季焚燒污染沒有得到解決，夏季光化學霧和霧的威脅也越來越嚴重。隨著2008年奧運會的開幕，解決環境問題是北京市政府的一項緊迫任務。近幾年已對北京大氣污染狀況開展了一系列的監測研究,但主要集中在市區,對于區域背景監測并不多見.為全面、準確地了解北京大氣污染物分布,評估大氣污染狀況,制定大氣污染控制方案,需要了解區域背景的大氣污染現狀.北京大氣污染具有明顯的季節變化特征,冬季污染較重,夏季相對較輕,秋季靜穩型污染多.夏末秋初是大氣污染由輕轉重的過渡時段,也正值奧運召開時期.筆者選擇該時段,對北京市區和背景區的大氣污染物濃度變化進行監測,對比分析了大氣污染物的日變化特征及其成因,以期為控制北京大氣污染提供理論基礎.1實驗方法1.1研究區和采樣點概況北京市區采樣點位于市內中國科學院大氣物理研究所鐵塔分部院內,介于北三環與北四環之間,南距三環約1km,東距八達嶺高速公路和北面的北土城西路分別約為200m和50m,周圍主要是居民住宅樓.顆粒物采樣儀安放在東小樓樓頂,大氣微量氣體分析儀安放在2層實驗室內,采樣頭固定在樓頂.區域背景采樣點選在國家天文臺監測基地,位于河北省興隆縣境內,在燕山山脈中,霧靈山主峰南麓,海拔高度為960m,周圍無明顯的人為污染源.顆粒物采樣儀置于屋頂平臺,微量氣體分析儀采樣頭固定在屋頂,采樣儀置于室內.1.2脈沖熒光so2/o3檢測PM10質量濃度采用TEOM系列RP1400a環境顆粒物監測儀實時監測,采樣流量為16.7L/min,時間分辨率為1min,質量濃度分辨率為0.01μg/m3,精確度為±1.5μg/m3(小時平均).φ(SO2),φ(NOx)和φ(O3)分別用TE43C型脈沖熒光SO2分析儀,42C型化學發光NO-NO2-NOx分析儀和49C型紫外光度法O3分析儀監測,最低檢測限分別為0.06×10-9,0.05×10-9和2×10-9.1.3大氣中so2,nox和o3的濃度變化于2006年8月15日—9月15日監測了兩地大氣中PM10,SO2,NOx和O3的濃度變化.其中背景點在8月29—30日因雷陣雨停止監測.監測數據日平均值以小時平均值為基礎.2結果與討論2.1總污染物濃度2.1.1北京市區和背景區的m10北京市區與背景區ρ(PM10)的日平均值變化見表1.從表1可知,夏末秋初背景區ρ(PM10)日均值變化為7.0~141.2μg/m3,平均為69.4μg/m3,與上甸子背景點的夏季質量濃度非常接近,卻遠高于洛杉磯和巴塞羅那等歐美大城市的濃度.雖然有效監測日內的日均值均低于150μg/m3的國家二級標準,但按我國空氣質量不同功能區的標準,背景區應執行一級標準(50μg/m3),據此背景區僅有1/3左右的天數達標(見圖1).無論與發達國家還是與我國空氣質量標準限值相比,華北區域背景區的污染都相當嚴重.與背景區相比,北京市區ρ(PM10)更高,日平均值為26.4~230.3μg/m3,平均為114μg/m3,是背景區的1.6倍,與以往北京同期監測值相當.監測期內,北京市區的ρ(PM10)超過國家二級標準的有8d,僅占25%,而且未出現重污染,顆粒物污染超標天數所占比例明顯低于2006年全年平均.可見,盡管北京市區ρ(PM10)平均值明顯高于背景區,但就全年而言,監測時段北京市區顆粒物污染相對較輕,較高的邊界層高度與較大的稀釋擴散能力可能是該時段污染較輕的主要原因.比較北京市區和背景區ρ(PM10)的變化可知,二者之間具有顯著的線性相關關系(R2=0.45,N=28,P<0.01),且斜率接近于1(見圖1),表明北京市區和背景區ρ(PM10)的逐日變化有相同的影響因子,氣象因子可能是主要影響因子之一.擬合線的截距顯示,局地污染對北京市區和背景區ρ(PM10)的貢獻約為50μg/m3,約占北京市區ρ(PM10)的一半,區域背景污染嚴重,這與趙越等的研究結果一致.2.1.2北京市和背景區夏末秋初、三級監測格局內大氣o3超標情況O3是大氣中重要的氧化劑,對流層O3對環境和人體健康影響較大.從表1可知,北京市區φ(O3)的小時均值變化較大,最小值接近檢測限,最大值達到153×10-9,遠高于國家二級標準,但是平均值只有29×10-9.與北京市區相比,背景區的φ(O3)小時均值的變化幅度稍小,但均值較高(達到64×10-9),超過了國家一級標準,是市區的2.2倍,這與邊智等在泰山的監測結果一致,可見背景區的O3污染比較嚴重,近幾年O3前體物NOx等排放的增加可能是背景區φ(O3)高的主要原因.無論是北京市區還是背景區,夏末秋初監測期內都發生了大氣O3超標現象(見表2).北京市區φ(O3)小時均值超過國家二級標準的占7.7%,其中超過三級標準的占到2.8%;超標天數達到15d,占46.9%;最大日超標小時數為7h,超標率與超標程度均遠高于PM10.與北京市區相比,背景區大氣O3污染狀況更為糟糕,φ(O3)小時均值超過二級標準的占21.9%,超標率是北京市區的3倍,其中超過三級標準的占5.5%,是北京市區的2倍,天數超標率也大大高于市區,達到了65.5%,日超標小時數的最大值達到了20h.可見,夏末秋初大氣O3污染大于PM10污染,背景區O3污染比北京市區更為嚴重.2.1.3標準溶液與so2污染的關系監測期間,大氣φ(SO2)較低(見表1),背景區平均值僅為1.54×10-9,北京市區平均值為6.12×10-9,是背景區的4倍.無論北京市區還是背景區的小時均值或日均值均未超過國家一級標準,表明夏末秋初基本上沒有SO2污染,低燃煤消耗、強稀釋對流擴散是該時段φ(SO2)低的主要原因.與SO2一樣,背景區的φ(NOx)也很低(見表1),均值為7.33×10-9,小時均值最大也只有31.04×10-9,無論是小時均值或日均值均低于國家二級標準.但是,受機動車尾氣排放的影響,北京市區φ(NOx)均值相對較高,日均值是背景區的3.1倍,達到22.40×10-9,小時均值最大達141.74×10-9,超過國家二級標準,這與劉烽等在夏季的測定結果一致.整個監測期內共有5h超標,主要是φ(NO)迅速上升造成的,而且超標時段集中在午夜24:00前后,可能與夜間大貨車進城有關.盡管整體上看該監測時段的NOx污染較輕,但夜間的超標高值應引起注意.2.2日污染2.2.1日有東南角北京市區和背景區的ρ(PM10)日變化見圖2.從圖2可知,北京市區和背景區的ρ(PM10)日變化規律明顯不同.北京市區ρ(PM10)日變化表現為雙峰型,由于人為活動和交通早高峰比較集中,上午09:00左右出現第1個高峰;夜間由于邊界層高度降低,稀釋對流擴散作用減弱,造成人為排放污染物累積,因而在夜晚出現第2個峰值.北京市區的ρ(PM10)日變化明顯受到人為活動的影響.與北京市區不同,背景區的ρ(PM10)日變化表現為單峰型.夜間由于邊界層高度降低和逆溫的形成使污染物累積,因而僅在夜間20:00左右出現峰值.2.2.2光化學反應反應與ρ(PM10)日變化一樣,北京市區和背景區的φ(O3)與φ(NOx)日變化規律不同.北京市區的φ(O3)與φ(NOx)呈現出典型的城市日變化特征(見圖3(a)).白天,在較強的太陽輻射作用下,NOx與NMHC,CO等共同作用通過光化學反應產生O3,而夜晚O3則被高濃度的NO消耗,形成夜間φ(O3)低值區,φ(O3)日變化幅度大,最大值與最小值之差達到30×10-9,φ(NOx)與φ(O3)日變化明顯負相關.與北京市區不同,背景區的φ(O3)在09:00左右達到最低值,夜間20:00左右達到最大值,峰值出現時間晚于北京市區,日變化幅度僅為15×10-9左右,遠小于市區,這與泰山頂和美國一些郊區點的監測結果一致.白天同樣的光化學反應產生了O3,由于背景區φ(NOx)較低,因而O3產生速率較慢.夜間φ(O3)積累的同時,φ(NOx)也逐漸上升,但是由于缺乏局地源,φ(NO)相對較低,對O3消耗不大,因而背景區φ(O3)在夜間仍然較高.2.2.3不穩定區域內和3個導水因子的日變化夏末秋初,由于排放源較少,北京市區與背景區的φ(SO2)日變化幅度較小,約為4×10-9.北京市區φ(SO2)日變化為雙峰型,早晨上班高峰期有一不很明顯的小峰,白天峰值出現在中午前后,日變化的第2個峰值出現在午夜前后.非采暖期SO2主要來自火力發電廠等工業排放高架源,其輸送特征是由上向下.夜間由于邊界層較低、湍流活動較弱使地面污染物累積,形成了午夜高峰,而高架源排放的SO2則累積在一定高度.白天隨著湍流的發展,累積的SO2被輸送到地表,出現了中午峰值.與北京市區相比,背景區的φ(SO2)日變化為單峰型,白天高,最大值出現在下午14:00左右,晚于市區,其來源還有待于進一步研究,而夜間值較低,沒有出現與市區類似的累積峰,可能與背景區植物的吸收有關.3北京市和背景區大氣污染物日變化特征a.大氣污染