清华大学环境学院

(1)

贺克斌

清华大学环境学院

2012.05.28 台北

中国大陆PM2.5污染特征与控制

(2)

1. 基本背景 2. 污染特征 3. 控制对策

主要内容

(3)

PM _2.5 ：来源、成因与影响

气候

棕色云酸雨灰霾健康

NO 2

NO

HNO ₃

OH

RO ₂ , HO ₂

VOCs

SO 2

H ₂ SO ₄

H 2 O 2

O ₃

N ₂ O ₅ hv

NH 4 +

NO 3 -

SO 4 2 -

NH ₃ 大气化学反应

二次无机颗粒物

SNA

污染源排放

二次有机颗粒物

SOA

…

一次颗粒物

(如BC）

(4)

Energy Consumption Vehicle Population

Coal Combustion Steel Production

Rapid Industrialization Process in Ch ina

(5)

Trends of air pollutant emissions during 1990-2008

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

1990 1995 2000 2005

V O C

排放量，万吨

油品贮存与输送溶剂使用工业过程

固定燃烧源交通

0 50 100 150 200 250 300 350

1990 1993 1996 1999 2002 2005 年份

排放量/万吨

流动源其他固定源炼焦砖瓦石灰水泥钢铁民用生物质民用燃煤工业燃煤电力燃煤

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

1990 1993 1996 1999 2002 2005 年份

排放量/万吨

民用煤炉民用锅炉其他工业砖瓦石灰水泥钢铁炼焦工业锅炉电力

0 5 10 15 20 25 30 35 40

1990 1993 1996 1999 2002 2005 年份

排放量/万吨

民用煤炉民用锅炉其他工业砖瓦石灰水泥钢铁炼焦工业锅炉电力 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

1990 1993 1996 1999 2002 2005 年份

排放量/万吨

流动源其他固定源炼焦砖瓦石灰水泥钢铁民用生物质民用燃煤工业燃煤电力燃煤

SO ₂

VOCs

NH ₃ NOx

PM/PM ₁₀ /PM _2.5 OC

BC Ca ²⁺ Mg ²⁺

(6)

NH ₃ BC NO _x

SO ₂ VOC

China has abundant emissions of the primary air pollutants in the global scale

(7)

http://www.nasa.gov/topics/earth/features/health-sapping.html

全球PM _2.5 浓度分布: 2001-2006

van Donkelaar et al., Environmental Health Perspectives 2010

(8)

Trends of the visibility in the past 50 years

Zhang, X. Y et al., ACP , 2012

(9)

中国城市灰霾天数

(10)

环境空气质量标准（GB3095-2012）

(11)

1. 基本背景 2. 污染特征 3. 控制对策

主要内容

(12)

Annual concentrations of PM _2.5 in various cities

上海

中国城市 外国城市

From: Jacqueline Fu

(13)

大部分城市的PM _2.5 浓度超过WHO-IT1

北方城市

南方城市

(14)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 年度

浓度

(µ

g/m

3

)

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

PM

2.5

/PM

10

浓度比

CGZ TH MY

PM2.5/PM10 PM10

C once ntrations ( µ g m - 3 ) PM 2.5 /PM 10

Year

 PM _2.5 /PM ₁₀ 浓度的上升表明细粒子在可吸入颗粒物中的贡献在增加

 细粒子的富集反映北京颗粒物污染的区域性与复合型特征在增强

北京PM _2.5 /PM ₁₀ 浓度及其比值的年际变化：2000-2008

(15)

中国PM _2.5 浓度水平空间分布特征

(16)

Jimenez et al., Science, 2009

大气细颗粒物的主要化学组分为化学转化生成的硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物

等，中国代表性城市（北京）浓度（80ug/m ³ ）远高于世界上其他的大城市。

(17)

PM _2.5 speciation across China

Atmos. Chem. Phys., 2011, 11, 5207-5219



有机物

是中国PM _2.5 中的重要化学物种；

 SNA是中国东部地区PM _2.5 中最主要的化学物种；



土壤尘

的高含量是中国PM _2.5 的一个特征，在受沙尘影响的地区和季节尤甚。

(18)

Atmos. Chem. Phys., 2011, 11, 5207-5219

北京PM _2.5 化学组成的季节/年际变化

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋

F ra c ti o n s i n i d e n ti fi e d P M 2 .5 m a s s

EC 有机物 Cl K

微量元素矿物组分 NH4+

NO3- SO42- 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2007 2008

NH ₄ ⁺ NO ₃ ^- SO ₄ ^2- 矿物尘 2006

OM

Trace Crustal

S F S F S F S F S F S F S F S F S F S F

 SNA与EC在北京PM _2.5 中的份额在持续增加；

其消光效率最高，因而对能见度降低的贡献相应在增加。

(19)

Urban site_Tsinghua (1999~2010)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

20~50 50~80 80~100 100~120 120~170 170~360 PM _2.5 concentration range (μg m ^-3 )

P e r c e n ta g e

trace elements crustal matter EC

POA SOA NH4+

SO42- NO3-

不同浓度水平PM _2.5 化学组成

(20)

二次颗粒物来源与成因

SO

₂

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

1990 1995 2000 2005

VOC排放量，万吨

油品贮存与输送溶剂使用工业过程

固定燃烧源交通

VOCs NOx

NH

₃

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

1990 1993 1996 1999 2002 2005 年份

排放量/万吨

流动源其他固定源炼焦砖瓦石灰水泥钢铁民用生物质民用燃煤工业燃煤电力燃煤

BC

SO ₄ ^2-

和NO

₃ ^-

气固转化率持续增长

SO ₄ ^2- + NO ₃ ^- +NH ₄ ⁺ (SNA)和BC

在PM

_2.5

中贡献逐年增加

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 浓度(μgm-3)

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

NO3-/(NO2+NO3-), SO42-/(SO2+SO42-)

NO3- SO42-

区域能见度下降 大气氧化性增强

前体物排放

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋春秋

Fractions in identified PM 2.5 mass

EC 有机物 Cl K 微量元素矿物组分 NH4+

NO3- SO42- 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2007 2008

NH4+ NO3 - SO4 2-

矿物尘 2006

OM

Trace Crustal

S F S F S F S F S F S F S F S F S F S F 2001-2005

1961-1965 1971-1975

1991-1995 2001-20052001-2005

1961-1965 1971-19751971-1975

1991-1995 1991-1995

0 10 20 30 40 50

1990 1993 1996 1999 2002 2005 2008 2011

浓度，

ppb

灰霾天数北京O3

珠三角O3 香港O3

上海O3 台湾O3

(21)

SNA vs. NH ₃

Atmos. Chem. Phys. 2009: 5131-5153，2010: 2615-2630； Sci.Total Environ. 2006：264-275

PM

_2.5含水量

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

重庆

Y=0.65X+9.9 R²=0.70

富

NH₄⁺

江北大渡口北碚清华密云

NO3 - / nmol m-3

( NH

₄⁺

)

_Excess

/ nmol m

^-3

1:1

贫

NH₄⁺

北京

Y=0.95X+4.9 R²=0.70

贫NH

₄⁺

富NH

₄⁺

高酸度低酸度

高酸度 低酸度

(22)

0 5 10 15 20 25 30

1 2 3 4 5 6

OC/EC

Frequency

November 0

5 10 15 20 25 30

1 2 3 4 5 6

OC/EC

Frequency

September &

October

OC/EC 秋季

OC/EC 冬季

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-10 -5 0 5 10 15

Temperature (^oC) SOC(ug C m-3)

冬季

SOA vs. 温度冬季

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-10 0 10 20 30 40

Temperature (^oC) SOC (ug C m-3)

秋季

SOA vs. 温度秋季

Atmos. Chem. Phys. 2005: 1449-1457, 2011: 5207-5219, 2011: 7893-7903 (IF=5.3) Atmos. Environ. 2011: 2060-2066 (IF=3.2)； Chemosphere 2005: 355-364 (IF=3.2)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 20 40 60 80 100

RH（%）

SOC (ug C m-3)

冬季

SOA vs. RH 冬季

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 20 40 60 80 100 120

RH (%) SOC (ug C m-3)

秋季

SOA vs. RH 秋季

PM2.5中二次无机/有机颗粒物成因（3）

人为源VOCs

天然源VOCs



发现冬季二次有机颗粒物SOA高达40%，明显高于欧美发达国家；



冬季天然源排放和温湿度等因素均不利于二次有机颗粒物生成，如此高比例的二次有机颗粒物说明人为源排放的前体物已十分严重

。

(23)

全球不同地区的观测都发现大气颗粒物中二次有机组分远高于一次有机组分

Zhang et al, GRL, 2007

二次有机颗粒物 vs. 一次有机颗粒物

(24)

 有机气溶胶的模拟值和观测值还有数量级的差别 烟

雾箱模拟

Volkamer et al, 2006, GRL

Robinson et al, 2007, Science

环境观测

 SOA的估算方法都还存在局限性，不同方法的估算结果尚有较大差距

（1）OC/EC比值法

结果受OC、EC测定方法的影响大，

难以确定一次排放源OC/EC特征比值

（2）WSOC法

难以扣除生物质燃烧对WSOC的贡献

（3）CMB源解析模型

结果受源谱选取的影响大

（4）AMS法

OOA实际上仅代表含氧的有机颗粒物，

并不完全等同于SOA Docherty et al., 2008, ES&T

SOA形成机制的研究刚刚起步

(25)

0 100 200 300 400

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

S O A 、棕色碳和生物质燃烧

0 400 800 1200 1600

颗粒物和气溶胶

系列2 系列1

SOA

0 100 200 300 400

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

S O A 、棕色碳和生物质燃烧

0 400 800 1200 1600

系列2 系列1

颗粒物和气溶胶

统计范围：ACP、JGR、EST、AE、GRL

作者研究对象刊物

献

Science，

2011 0

100 200 300

2000 2002 2004 2006 2008 2010

S O A

0 400 800 1200 1600

SOA的研究日趋活跃，其观测 手段不断进步，对其前体物和 生成路径的认识也不断深入。

(26)

1. 基本背景 2. 主要问题 3. 控制对策

主要内容

(27)

全国汽车保有量的43%

以特大城市为中心的城市群区域联防联控

全国总人口的13%

国民生产总值的31%

总用电量的38%

长三角京津唐

珠三角

(28)

北京奥运空气质量保障（1）

全国

多尺度高时空分辨率网格化排放清单

北京华北联防联控范围：北京、天津、河北

山西、内蒙、山东

(29)

二次无机气溶胶的区域排放源解析

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0

0.4 0.8 1.2 1.6 2.0

NO 3 - re sp on se

Emission ratio

Local NH ₃ Local SO ₂ Local NOx Regional NH ₃ Regional SO ₂ Regional NOx

2005

年

₇

月月均

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

SO

4 2-

re sp on se

Emission ratio

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0

NO

3 -

re sp on se

Emission ratio

-1 0 1 2 3

安徽北京河北河南江苏江西山东上海天津浙江湖北

北京市区的硫酸盐浓度削减量（ug m

^-3

） SO2 NOx TOT

0 2 4

安徽北京河北河南江苏江西山东上海天津浙江湖北

北京市区的硝酸盐浓度削减量（ug m

^-3

） SO2 NOx TOT

北京

NO ₃ ^- SO ₄ ^2-

区域区域

80% 50%

(30)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 0

10 20 30 40 50 60

NO

2

日期（8月份）

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 0

5 10 15 20 25 30 35

SO

2

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 0

20 40 60 80 100 120 140 160

PM

10

2007 2008

2009 PM ₁₀

SO ₂

NO ₂ PM ₁₀

SO ₂

NO ₂

污染物削减50%以上空气质量全部达到奥委会要求

50 100 150 200 250 300

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

二级以上天数

2001-2009达标天数

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

2005 2006 2007 2008

天数

二级以下二级天一级天

奥运期间近50％天数达1级

区域联防联控：北京奥运空气质量保障（4）

(31)

北京奥运期间PM _2.5 vs.能见度

y = 1,043.97 x ^-1.20 R ² = 0.95

0 10 20 30 40

0 50 100 150 200

PM _2.5 (µ g m ^-3 )

Vi s u a l ra n g e (K m )

Light extinction budget

0%

20%

40%

60%

80%

100%

All days Before Olympics Paralympics 20% worst 20% best

F r a c ti o n s in b ext

NO2

Rayleigh scattering Coarse Mass Sea salt Fine soil EC OM NH4NO3 (NH4)2SO4

PM _2.5 : 18~164 µg m ^-3 68.3 µg m ^-3

 在夏季削减PM _2.5 对于改善能见度效果比较明显；

 化学消光分析表明，奥运期间能见度改善可能主要归因于SNA

（关键成分）的削减。

(32)

PM2.5

July August September

PM10

——Tao J., Zhang M., Chen L., SCIENCE CHINA (Series D), in press

PM10/PM2.5 concentration spatial distribution

(33)

关键技术需求

要实现大气复合污染控制目标，不仅需要针对特定污染源的单项减排技术，

更需要支持不同空间位置排放源和不同种类前体物协同控制的综合关键技术

排放清单

减排模拟

监测评估

工业源

(电厂、水泥厂、钢铁厂)

流动源

(机动车)

面源

(民用、商用、天然源)

PM

AQI PM _2.5 /灰霾全球变化

NO _x VOC

多目标、多污染物协同控制

非线性响应关系模型高分

辨率排放清单

SO ₂ NH ₃

Nature, 2012, Vol. 484: 161-162

(34)

多层嵌套高时空分辨率排放清单技术基于机组信息的电厂SO ₂ 排放

基于行业信息的水泥厂PM _2.5 排放基于设备信息的水泥厂PM _2.5 排放

 建立基于设备信息的固定源排放清单，将排放控制重点的辨识精度由省市级提高至具体企业，显著提高了排放清单的准确性和空间分辨率。

代表论文：

Atmos. Chem. Phys., 2011: 931-954 (IF=5.3) Atmos. Environ., 2011 : 147-154 (IF=3.2)

软件著作权：

2011SR033357（中国多尺度排放清单模型软件V1.0)

基于各省燃煤量的电厂SO ₂ 排放

(35)

1. 数百辆车载测试 2. 数千辆台架测试 3. 数万辆 I/M检测

 建立了适于中国城市特点的机动车排放因子模型

道路机动车排放模型

Environ. Sci. Technol., 2011 : 6683-6689 (IF=4.8)

Atmos. Environ., 2009 : 2442-2448 (IF=3.2), Fuel, 2009: 504-510 (IF=3.6)

(36)

基于交通流信息的机动车排放清单基于设备信息的固定源

排放清单

空间分配

时间分配

化学物种分配

多尺度高时空分辨率网格化排放清单

多层嵌套高时空分辨率排放清单技术

构建包括空间、时间和化学物种分配等功能的网格化排放清单技术方法，实现与不同化学机制空气质量模型的耦合导入。

0 1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Power Plant lps Industry lps Heating boiler lps Industry Industry fugitive dust Boiler Trasportation Restaurant Water boiler Domestic cooking stove Domestic heating stove Gas station Solvent use Biogenic_Iso Biogenic_Ter Biogenic_OVOC Construction fugitive dust Traffic fugitive dust Pile dust unpaved ground dust

PM:

by sectors Source profile NO₃^- SO42-

……

OC BC

(37)

采用改进的方法更新的排放清单基于可获得数据建立的排放清单基于TRACE-P计划的排放清单

多层嵌套高时空分辨率排放清单技术

清单不确定性明显优于 TRACEP-P

支持了INTEX-B 等多个国内外大型研究计划

；技术方法和数据水平领先于亚洲其它地区

在全球40多家研究机构广泛应用；目前正应邀牵头GEOS-Chem全球模式 新一代排放清单模块开发。

北美应用情况欧洲应用情况东亚应用情况

(38)

清华大学开发的在线排放清单处理系统 MEIC (www.meicmodel.org) Multi-resolution Emission Inventory for China

中国多尺度区域排放清单

(39)

MEIC 数据库提供的排放资料：

(41)

民用生物质燃料

工业燃煤

道路交通

MEIC 数据库中的分部门排放资料

(42)

MEIC数据库中的5公里

分辨率排放资料

(43)

中国大陆近20年主要大气污染物的排放演变

(44)

长三角，1990、2010年NO _x 、SO ₂ 、PM _2.5 排放分布图(0.1° 分辨率)

(45)

成渝城市群，1990、2010年NO _x 、SO ₂ 、PM _2.5 排放分布图(0.1° 分辨率)

(46)

The evolution of NO _x emissions observed from satellite during 1996-2010

The regional characteristics of NO _x emissions in China become more and more significant,

expanding in space, and new intensive emission regions turn up throughout the country

The 12 major city-clusters in the “joint control and

prevention strategy” cover most of the areas with intensive NO _x emissions, indicated the

representativeness and

rationality of the strategy

Qiang Zhang and Kebin He,

submitted

(47)

Trends of the NO ₂ columns in the 12 major city-clusters

 Within the 12 major city-clusters, BTH, Shandong Peninsula, and YRD have the most rapid increases of NO ₂ columns

 The increases of NO ₂ columns in the large cities began to slow down during 2003- 2010, meanwhile, the middle cities increased very fast in this period

清华大学环境学院

贺克斌