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      2020年2月以來北京大氣污染化學成分及來源分析
      ——
      2020-02-14 | 【 【關閉】

      (中國科學院大氣物理研究所王躍思研究員課題組)

        2020年春節期間北京污染過程上文已經有所分析(參見昨日微信)。本報告是對2月份以來,重點是對元宵節直到今日的重霾污染化學成分及其來源進行分析。數據主要來源于本人課題組觀測和合作伙伴共享,但都已經過了質量控制。

        1、常規空氣污染要素。2月1-12日PM2.5平均濃度均低于春節期間(1.20-1.31) 。PM2.5從2月1日到今天13日有一個明顯的積累過程,昨日日均濃度已經超過200微克/立方米,屬于重度污染(PM2.5大于150微克/立方米屬于重度污染)。同時SO2、NO2和氨氣等氣態污染物濃度也呈現波動上升。PM2.5、NO2和CO峰值濃度分別為207、56和2300微克/立方米,比春節期間分別高21%、8%和10%,但SO2濃度比春節期間低。

        2、爆發點。PM2.5開始快速上升的“時間點”分別為 “春節”和“元宵節”,與燃放煙花爆竹引發有關。

      圖1 北京空氣常規污染物濃度水平及逐日變化

        3、2月8-11日京津冀及周邊重污染區域受變性高壓和均壓場控制,弱風高濕,氣溫略有升高,北京受弱南風和弱東北風交織影響,大氣靜穩,加重污染累積和形成;結合天氣過程分析,北京2月6-8日污染物以為區域傳輸為主,但9-12日轉變為局地積累為主(天氣過程圖省略)。

      圖2 北京地面氣象要素

        4、大氣邊界層高度。2月1日-6日期間未有明顯的污染過程,午間大氣邊界層超過1500m;2月6日降雪后,污染開始逐漸匯聚形成,大氣邊界層出現多層結構,且邊界層高度無明顯日變化。即使在午間時段,2月7日以后,大氣邊界層高度仍僅有500m左右。低的邊界層高度造成污染被壓縮于地面無法擴散,而極其有利于顆粒物的非均相化學反應和物理的吸濕增長,均會造成顆粒物的濃度增加,粒徑變大,水平能見度惡化。

      圖3 2月1日-12日北京站大氣邊界層高度演變

        5、2020年2月1-12日, 大氣中非難熔PM2.5(簡稱NR-PM2.5,不包括礦塵和黑炭)及其化學組分有機物(綠色Org)、硝酸鹽(藍色NO3-)、硫酸鹽(紅色SO42-)、銨鹽(橘黃NH4+)和氯鹽(紫色Cl-)平均濃度分別為56、12、20、11、12和1微克/立方米;比例分別為27%、29%、23%、19%和2%。硝酸鹽增長速度快,所占比例最高,表明本次污染過程是一次以硝酸鹽非均相化學爆發增長主導重顆粒物污染過程。

      圖4 北京大氣中PM2.5主要化學組成逐時變化圖

        6、按照PM2.5濃度將等級分為優良天、中度污染和重度污染時,NR-PM2.5濃度依次為34、123和195微克/立方米, SO42-、NO3-、NH4+絕對濃度逐漸增加,其中,重污染時 NO3-上升15個百分點,占被測組分的40%;Org和SO42-占比分別下降9和8個百分點。細顆粒物中,二次生成的硝酸銨和硫酸銨占到了78%,它們極易溶于水,造成細顆粒物吸濕增長變“胖”,表觀大氣能見度急劇惡化!

      圖5 北京大氣中PM2.5主要化學組成逐時變化圖

        7、圖3數據變化分析表明,北京從優良天向中度污染天的轉化,主要受到了北京西南和東南兩個方向巨大污染源的影響。但后期轉化過程,區域傳輸減弱,幾乎終止。

       

      圖6 北京及周邊地區NO2柱總量變化衛星圖(引子中國科技大學劉誠)

        8、與春節期間重污染過程相比,元宵節后的重污染過程硝酸鹽比例上升10個百分點,硫酸鹽下降5個百分點。說明隨著元宵節后復工,本地排放氮氧化物生成轉化硝酸鹽(及相關成分)比例增加,但周邊硫酸鹽為主的污染輸送依然很強。這也是氣象條件相仿的情況下,本次污染過程峰值高于春節期間的原因之一。

        總結:2020年元宵節后期重霾過程由氣象過程主導,北京西南和東南方向重工業區高大點源排放的污染物向北京城市區域擴散匯聚,與北京市區污染排放疊加,低風速、高濕度和過低的大氣邊界層高度,造成以硝酸鹽非均相爆發增長為主的顆粒物重污染過程。節后復工交通流增大是本次污染略強于春節期間污染過程的重要原因之一。

        (本報告僅作為內參和科普,暫不作為公開發表文獻之引用。有數據需求,可直接與作者聯系:wys@mail.iap.ac.cn;王躍思 中國科學院大氣物理研究所)

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