2000_2010北京大气重污染研究_李令军

中国环境科学 2012,32(1)：23~30 China Environmental Science 2000~2010北京大气重污染研究李令军1*,王英2,李金香1,辛连忠1,金军2(1.北京市环境保护监测中心,北京 100048；2.中央民族大学生命与环境科学学院,北京 100081)摘要：根据北京市环境保护局公布的大气污染数据及气象部门公布的气象资料,用时间序列分析法对空气污染指数大于200的大气重污染做了系统分析.结果表明,北京大气重污染可分为静稳积累型、沙尘型、复合型以及特殊型4个类型,2000~2010年各类型发生次数分别为69、53、23、6次.从季节分布看,北京大气重污染主要集中在春季和秋冬季,其中春季以沙尘型为主,而秋冬季大部分为静稳积累型.从年际变化看,21世纪初期沙尘天气活跃,造成了北京大气重污染的高峰期,2003~2005年大气重污染有所回落,2006年受沙尘天气明显增多及大规模奥运建设的共同影响,北京大气重污染再次出现明显峰值;2007年北京沙尘天气明显减少,但静稳积累型重污染相对突出;2008年奥运减排措施效果显著,全市静稳积累型重污染降至历史最低,其后则呈缓慢上升趋势.大气重污染既呈现区域共性,也受局地环境影响.定陵站大气重污染全部为沙尘型;近年来随着首钢的减产、搬迁,石景山区古城站大气重污染明显减少;而受周边大规模城市建设影响,奥体站大气重污染表现相对突出.关键词：北京；大气重污染；静稳积累；沙尘中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2012)01-0023-08The analysis of heavy air pollution in Beijing during 2000~2010. LI Ling-jun1*, WANG Ying2, LI Jin-xiang1, XIN Lian-zhong1, JIN Jun2 (1.Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100048, China；2.College of Life and Environmental Sciences, Minzu University of China, Beijing 100081, China). China Environmental Science, 2012,32(1)：23~30Abstract：Using air pollution data and meteorological data published by the local authorities, heavy air pollution, which means the Air Pollution Index >200, were closely examined in Beijing by means of time series analysis. There were 4 types of heavy air pollution in Beijing: namely the meteorological stagnant-accumulated, the sand-dust caused, the combined, and the special, which happened 69, 53, 23 and 6 times respectively, during 2000~2010. The four types of heavy air pollution presented in different seasons. Most of the sand-dust caused occurred in spring and the stagnant-accumulated mainly in fall and winter.There were yearly variations in the occurrences of the heavy air pollution in Beijing. Since sand-dust storms were in an active period, the occurrence became frequent during 2000~2002, then fell off during 2003~2005, followed by a peak in 2006 due to both dust-storm and large-scale construction for the 2008 Olympic facilities. In 2007, the stagnant-accumulated remained at a relatively high level, and in 2008 it occurred the least times because of effective countermeasures taken before and during the Olympic Games to cut down emission. Nevertheless, the present of stagnant-accumulated bounced back slowly afterwards although its occurrence was still less than before 2008. Heavy air pollution in Beijing was not only a regional scale problem, but also affected by local pollution sources. The heavy pollution at Dingling Station was all sand-dust caused, and its frequency dropped obviously at Gucheng Station in accordance with the cutting of producing and finally moving out of a big steel plant nearby, while it became more severe at Aoti Station because of the extensive city construction around.Key words：Beijing；heavy air pollution；stagnant-accumulated；sand-dust研究发现,大气污染是人类死亡或致病的重要影响因素,随着污染程度的增加,死亡率会明显上升[1-3];大气污染造成我国每年有几十万城市居民的早逝[4],经济损失达上千亿元[5].北京因大收稿日期：2011-04-18基金项目：中央民族大学“985”工程项目(CUN985-3-3),高等学校学科创新引智计划 (B08044)* 责任作者, 高级工程师, lilj2000@24 中国环境科学 32卷气污染造成的健康经济损失已占到GDP的3.6%[6].北京经过多年污染治理,空气质量改善明显,二级及好于二级天数由2000的117d增加至2010年的286d,但PM10年均浓度超过国家二级标准,特别是每年都出现一些重污染[7].国内学者做过北京大气重污染的个例或类别研究[7-9],但缺乏对北京市大气重污染的整体了解.本研究利用北京市环境保护局公布的大气污染数据及气象部门公布的气象资料,全面分析北京大气重污染的类别特征、空间分布,及其时间变化,并进一步阐述北京大气重污染的成因.1数据及方法大气污染数据来自北京市环保局的监测资料,监测项目包括主要污染物PM10、SO2、NO2、NO x、CO逐日浓度,以及API(空气污染指数).站点包括背景点定陵,市区的东四、古城、奥体站,以及利用国控站点计算的全市平均状况.气象数据包括重污染日的逐时温度、湿度、风向风速、能见度及天气现象等.我国目前以API指数来评价每日空气质量状况,以PM10、SO2和NO2作为分级污染物.API 指数范围在0~500之间,按API指数大小将空气质量划分为5级[8].本文以API指数大于200作为重污染的分类标准.北京大气污染来源于局地排放和外来输送[9-11],同时又受气象条件的制约[8,12].利用大气污染特征和气象要素影响差异,将北京大气重污染分为4个类别:静稳积累型、沙尘型、复合型以及特殊型.静稳积累型主要指遇大气扩散条件不利,局地甚至区域污染明显积累而成的重污染;沙尘型是由沙尘天气造成的重污染;复合型是由多种因素共同影响导致的重污染,主要是指局地或区域污染积累叠加沙尘影响而致的重污染;特殊型主要为区域秸秆焚烧及春节鞭炮燃放等特殊因素造成的短时极端大气污染形式.具体判别标准:1)利用卫星遥感图像[13]分析大气污染区域分布特征,判识是否出现区域性的雾霾或沙尘天气,雾霾天气一般是静稳积累型重污染的表征,沙尘天气是沙尘型重污染的直接影响因素.2)察看重污染前后天气现象的逐时记录,是否出现雾霾或沙尘等特殊污染天气,期间天气现象若出现明显差异变化,进一步判断是否为复合型重污染.3)利用不同污染物的浓度变化差异,判定大气重污染的污染类别.沙尘天气往往伴随大风而出现,PM10浓度明显升高,SO2和NO2等气态污染物浓度反而降低[14];静稳积累型重污染爆发时主要大气污染物浓度往往同步升高.复合型重污染一般是前期污染局地明显积累,后期伴随沙尘天气的到来转为沙尘型污染,有时无风浮尘叠加到前者中造成更为严重的污染.秸秆焚烧及鞭炮燃放,也有明显的污染特征[15-17].2结果与讨论2.1北京重污染总体特征2000~2010年北京共出现151次大气重污染,年均14次,静稳积累型、沙尘型、复合型以及特殊型分别为69、53、23、6次.从季节分布看,重污染主要集中在春季和秋冬季,3~5月份75次,11~12月份39次,而7~9月份未出现重污染(图1a).北京大气重污染春季以沙尘型为主,而秋冬季大部分为静稳积累型.3~5月份75次重污染中50次完全由沙尘造成,受沙尘影响的复合型重污染14次.11~12月39次重污染中30次为静稳积累型,只有3次完全由沙尘影响所致.统计数据显示,北京大气重污染时首要污染物全部为PM10,主要表现为颗粒物污染.2000~2010年上海大气重污染共计26次,主要集中在前期,2000~2003年出现18次,2004~2010年年均仅为1次.从月份分布看,上海大气重污染更为集中,仅出现在1、3、4、11和12月,其中3月和11月为8次和7次,占重污染总次数的一半以上.与上海相比,北京大气重污染更为频繁.究其原因,主要有两点,一是上海受沙尘影响明显弱于北京;二是秋冬季上海没有北京及周边的大规模采暖现象.因此上海春季的沙尘型重污染和秋冬季的静稳积累型重污染明显少于北京.2000年以来,北京大气重污染年际变化较大.2000~2002年北京大气重污染相对突出,且以沙尘型为主.2003~2005年沙尘型重污染明显减26 中 国 环 境 科 学 32卷显缓解作用.此外,工业源排放受季节影响相对较小,夏季遇不利气象条件也会出现重污染,古城站是唯一7月份出现过大气重污染的站点.2004年以前奥体站点周边污染源排放较少,大气重污染在市区站点中处于较低水平.2005~2007年紧邻北侧的奥运场馆及周边相关配套建设进入高峰期,局地源排放明显增加,大气重污染在市区站点中相对突出.东四站点位于居民区,周边源排放相对稳定,大气重污染次数基本处于全市平均水平,年际变化起伏较小.月份次数2000200120022003200420052006200720082009210年份次数图2 2000~2010年北京4个站点大气重污染月际变化及年际变化Fig.2 Monthly and yearly variations of heavy airpollution at 4 different stationsa.平均月际变化;b.年际变化从全市整体水平看,21世纪初期沙尘天气活跃[22],形成了北京大气重污染的高峰期;2003~2005年北京大气重污染有所回落;2006年北京沙尘天气突然增多,同时受奥运前城市大规模建设影响,北京大气重污染明显回升;2007年沙尘天气减弱,但局地污染源排放造成的静稳积累型重污染相对突出;2008年奥运减排措施使得全市静稳积累型重污染降至历史最低.近年大气重污染整体水平较低,但静稳积累型呈缓慢上升趋势. 2.3 大气重污染特征分析 各类大气重污染特征差异较大,主要在于污染来源的不同及气象因素影响的差异.以下分别统计分析静稳积累型、沙尘型、复合型以及特殊型大气重污染的污染物浓度差异及气象影响要素特征. 从图3中可以看出,静稳积累型重污染时,能见度低、风速小、相对湿度大;沙尘型重污染时,能见度升高,风速增大,相对湿度明显降低;复合型和特殊型大气重污染时,相关气象要素介于静稳积累型和沙尘型之间. 从图4中可以看出,静稳积累型重污染时,CO 浓度绝大部分在4.5mg/m 3以上,PM 10浓度大部分集中在350~450μg/m 3;沙尘型重污染时CO 浓度全部低于4.0mg/m 3,但PM 10浓度分布较为分散;复合型重污染由于受不同污染源影响差异较大,PM 10与CO 浓度分布都较为分散;特殊型重污染时PM 10与CO 浓度介于静稳积累型与沙尘型之间. 2.3.1 静稳积累型重污染 统计了2005~2010年北京发生的28次静稳积累型重污染.结果显示,静稳积累型重污染天气现象一般为雾霾或烟雾,平均风速为1.5m/s,平均相对湿度72.7%,平均能见度为 2.5km.说明静稳积累型大气重污染发生时风速小,湿度大,能见度较低.静稳积累型重污染的出现还往往伴随明显的近地层逆温[7],致使大气污染物难以扩散,形成明显的污染积累过程. 2005~2010年北京静稳积累型重污染发生时,PM 10、SO 2、NO 2、NO x 和CO 平均浓度分别为414,128,139,262μg/m 3和7.5mg/m 3.静稳积累型大气重污染过程中,各种污染物浓度基本同步升高,污染物浓度呈明显正相关.各类高浓度污染物的协同作用,致使污染危害更严重.静稳积累型重污染爆发时,虽然呈明显的污染积累过程,但高污染时段污染物浓度变化相对稳定,可吸入颗粒1期 李令军等：2000~2010北京大气重污染研究 27 物超过600μg/m 3的比例不高.0.00 0.25 0.500.75 1.000.00能见度图3 2005~2010年北京大气重污染时能见度、风速以及相对湿度的三元相图Fig.3 Distributions of visibility, wind speed and humidityin triangular diagram during heavy air pollution periods36912150.00.20.40.60.8 1.0PM 10(mg/m 3)C O (m g /m 3)图4 2005~2010年北京大气重污染时PM 10与CO 浓度的散点分布Fig.4 Scatter plot between PM 10 and CO concentrationsduring heavy air pollution periods北京城市源排放的季节变化主要表现在采暖期和非采暖期的差别,北京采暖年用煤量(600~700)×104 t,约占全年煤炭用量的20%~25%.同时,采暖期多出现静稳、逆温天气[7],两者共同作用使采暖期,特别11~12月份频发大气重污染.遇持续静稳天气时,大气污染物浓度会长时间维持在较高水平,出现连续几天的重污染.2000~2010年出现了4次连续4天的重污染过程,分别为2000年1月15~18日、2004年10月7~10日、2005年11月2~5日以及2007年12月25~28日. 2.3.2 沙尘型重污染 北京的沙尘型重污染往往伴随大风而出现,气象条件异于静稳积累型. 2005~2010年18次沙尘型重污染污染特征统计显示:沙尘型重污染的天气现象一般表现为浮尘或扬沙.沙尘型重污染的平均风速为4.5m/s,平均相对湿度24.9%,平均能见度为11.3km.相对于静稳积累型重污染来说,沙尘型重污染风速大、湿度小,能见度相对较高.沙尘重污染时大气颗粒物以粗颗粒为主[9],且湿度小,消光作用低于静稳积累型重污染,能见度明显偏高. 沙尘型重污染发生时,因沙尘粒子的大量增加而使颗粒物浓度迅速升高,但伴随大风的出现,气态污染物迅速扩散,浓度较低.2005~2010年北京沙尘重污染时PM 10、SO 2、NO 2、NO x 和CO 的平均浓度分别为440,35,48,62μg/m 3和1.9mg/m 3.与静稳积累型重污染相比,PM 10浓度有所增加,但CO 、SO 2、NO 2等气态污染物明显偏低.PM 10/CO 比值为0.24,为静稳积累型重污染的 4.3倍.沙尘型重污染一般以地壳源粗颗粒为主,对人体健康的危害低于静稳积累型. 持续不断的风沙天气影响,也会造成连续的沙尘型重污染.2000~2010年出现连续3天以上沙尘型重污染的时段统计如下:2001年3月22~24日、2001年5月1~5日、2002年4月7~9日、2008年5月27~29日.近年来随着沙尘天气的减弱,持续性沙尘重污染明显减少. 2.3.3 复合型重污染 大气重污染有时是由多种因素先后或同时影响所形致,一般是静稳积累型及沙尘共同作用的结果.多数情况下,复合型重污染前期,各种大气污染物逐渐积累,大气污染呈显著静稳积累型特征;后期伴随沙尘的出现而表现为典型的沙尘型重污染.有时近地面大气污染出现明显积累,与此同时外来浮尘由高空输送而至,但风速不大,基本表现为无风浮尘,两者的叠加往往造成更加严重的大气污染.2006年4月9日和10日的复合型重污染,API 都高达500,PM 10浓度分别为722,621μg/m 3;CO 浓度8~10日分别28 中国环境科学 32卷为1.9,2.5,3.1 mg/m3,呈缓慢增长趋势.复合型重污染期间天气现象往往发生明显变化,表现为雾霭转烟霾或烟雾转沙尘等,平均风速为3.1m/s,平均相对湿度47.0%,平均能见度为6.8km,介于静稳积累型和沙尘型重污染之间.2005~2010年北京复合型重污染共计15次,PM10、SO2、NO2、NO x和CO平均浓度分别为49,80,97,171μg/m3和5.9mg/m3.复合型重污染的颗粒物浓度高于静稳积累型和沙尘型重污染,气态污染物浓度介于两者之间.2.3.4特殊型重污染特殊性重污染是指由特定因素影响而形成的频率较低的大气重污染,污染的形成及结束都较为突然,主要为秸秆焚烧及春节鞭炮燃放所形成,2000年以来全市共发生3次.华北冬小麦产区每年都会出现秸秆焚烧现象,短期内大规模的麦秸焚烧配合合适气象条件就会造成严重大气污染事件,北京每年都会或多或少受其影响[15].2006年以来春季期间的鞭炮燃放解禁造成短时燃放污染排放的大量增加,特别是除夕夜及元宵夜鞭炮燃放相对集中,大气污染物浓度会短时剧烈升高,短时PM10浓度甚至超过1000μg/m3 [16],5年中出现了2次由鞭炮燃放造成的大气重污染.2.4大气重污染个例分析2.4.1 2005年11月2~5日静稳积累型重污染过程 2005年11月2~5日北京出现了连续4天的大气重污染过程.从污染物浓度变化看,11月1~5日,各种污染物浓度呈缓慢上升趋势,5日污染达到最高后,迅速降至极低水平(图5a).期间各种污染物浓度都有较明显的日变化,一般是零时前后污染较重,午后降至较低水平.各类污染物浓度变化趋势较为一致,CO浓度与NO2、NO x以及PM10浓度相关系数高达0.85、0.90 和0.81.NO x中NO 比例相对较高.从气象条件看,重污染期间天气现象表现为烟雾、霾以及霭等,2日12:00~5日12:00平均相对湿度为71%,平均能见度为1.9km.气象条件呈明显日变化,一般是白天湿度降低,能见度升高,午后湿度降至最低而能见度达到最大;夜间反之,湿度增加而能见度降低,凌晨前后达到极值(图5b).5日傍晚西北气流明显加大,湿度降低,能见度升高,所有污染物都迅速降至极低.2468101214161812::12::12::12::12::12::时刻CO(mg/m3)100200300400500600700800900PM1,NO2,NO x(μg/m3)102030405060708090100:12::12::12::12::时刻相对湿度(%)123456能见度(km)图5 2005年11月1~6日大气重污染过程污染物浓度及气象要素变化Fig.5 Pollutants concentration and meteorological elements change during November 2~6, 2005a. 2005年11月1~6日东四站主要大气污染物浓度逐时变化;b. 2005年11月2~6日相对湿度与大气能见度逐时变化2.4.2 2008年5月27~29日沙尘型重污染过程 2008年5月27~29日的沙尘天气造成了北京持续的大气重污染.5月26日北京为低压控制,大气稳定,湿度较大,3:00~10:00北京地面平均风速为1.9m/s,平均相对湿度为65%.与此同时大气污染积累明显,5月26日CO与PM10浓度从最低0.9mg/m3和181μg/m3升至4.5mg/m3和380μg/m3,升幅达5.0倍和1.1倍(图6a).27日0:00左右,一股西北气流开始影响北京,风速明显增大,而大气湿度迅速降低,4:00后相对湿度降至30%以下(图6b);与此同时所有大气污染物浓度也出现明显回落,PM10与CO浓度分别1期 李令军等：2000~2010北京大气重污染研究 29 由26日23:00的358μg/m 3、3.1mg/m 3降至27日2:00的75μg/m 3和0.5mg/m 3.3:00后浮尘随西北气流进入北京,PM 10浓度瞬间升至极高,4:00~ 6:00都超过1500μg/m 3,CO 浓度则一直维持在0.1mg/m 3左右.0:0012:000:0012:000:0012:000:0012:000:0012:00时刻C O (m g /m 3) 0300600 900 12001500PM1(μg/m 3)0:0012:000:0012:000:0012:000:0012:000:0012:0时刻风速(m /s) 00.20.40.60.81相对湿度(%)图6 2008年5月26~30日大气重污染过程污染物浓度及气象要素变化Fig.6 Pollutants concentration and meteorologicalelements change during May 26~30, 2008a. 奥体站主要大气污染物浓度逐时变化;b. 相对湿度与风速逐时变化随着浮尘影响的减弱,PM 10浓度逐渐回落,28日4:00降至106μg/m 3.7:00又有一股浮尘开始影响北京,PM 10浓度再度升高,9:00达到1008μg/m 3.28日14:00~24:00北京转为东南气流控制,导致浮尘回流,颗粒物浓度一直维持在较高水平,PM 10平均浓度达531μg/m 3.29日1:00风向再次转为偏北方向后,最后一股沙尘影响北京,PM 10浓度再度升高,4:00升至1000μg/m 3以上.30日随着沙尘过程的结束,该次连续性沙尘型重污染也随之结束.复合型重污染为静稳积累型和沙尘型的叠加,主要分为前段静稳积累后半段受沙尘影响,特殊型重污染过程文献中[15-17]有详细描述.3 结论 3.1 2000~2010年北京共发生了151次大气重污染,大致可以分为4种类型:静稳积累型、沙尘型、复合型以及特殊型,各类别发生次数分别为69、53、23、6次.北京大气重污染主要发生在春季和秋冬季节,春季以沙尘型为主,秋冬季以静稳积累型为主. 3.2 静稳积累型重污染发生时,风速小、湿度较大,常伴随雾霾天气而出现,大气消光作用强烈,能见度较低;相对而言,沙尘型重污染发生时,风速大、湿度小,且以粗颗粒为主,能见度明显高于静稳积累型;复合型重污染气象要素介于以上两者之间;特殊型重污染成因较多,没有明显共性. 3.3 静稳积累型重污染时各种污染物浓度都处于较高水平,呈明显正相关,连续的静稳天气造成持续多日的静稳积累型重污染;沙尘型重污染时颗粒物浓度较高,而气态污染物浓度相对较低,连续的沙尘天气也会造成持续的沙尘型重污染;复合型重污染时一般前期大气污染局地积累显著,后期叠加沙尘影响,污染往往较重,在所有类型中颗粒物浓度最高,但气态污染物浓度介于静稳积累型和沙尘型之间.特殊性重污染频次相对较低,原因各异. 3.4 21世纪初期沙尘天气较为频繁,北京沙尘型大气重污染显著.2003~2005年北京大气重污染回落.2006~2007年是北京奥运会前大规模建设时期,局地源排放的增加导致了静稳积累型重污染的增多,奥运减排措施的相继执行使得2008年静稳积累型重污染降至历史最低.近年大气重污染整体水平较低,但静稳积累型呈缓慢上升趋势.局地源排放的差异也造成了具体站点大气重污染的不同. 3.5 北京大气重污染既表现出一定的区域性特征,也受局地环境影响.定陵站大气污染主要受外来输送影响,重污染全为沙尘型;古城站位于工业区,是唯一7月份出现重污染的站点,近年来随着30 中国环境科学 32卷首钢的减产、搬迁,大气重污染明显减缓;奥体站随着奥运村的大规模建设,大气重污染在市区站点中变得相对突出.参考文献：[1]Samet J M, Dominici F, Curriero F C, et al. 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