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以北京为中心加之周边省市所构成的京津冀区域由于城市化进程、工农业发展、机动车保有量激增等,导致大气污染人为排放源较大,是全国典型的重污染区之一,同时由于特殊的地形以及静稳天气的影响加剧高污染事件的发生,区域复合污染严重。给居民健康带来极大危害.本文基于课题组长期观测数据,详细评估了北京及周边区域大气污染特征,并利用天气分型和后向轨迹分析的方法定量评估了气团属性对北京及周边地区大气污染的影响.评估了北京地区颗粒物的区域输送贡献量以及天气对2008年奥运大气污染消减的贡献.从而为深入理解区域污染机理,制定切实可行的大气污染区域联防联控策略提供了基础数据支持,并为定量污染预报和研究天气和污染对人体健康的影响提供依据.本论文得到的主要结果如下:
北京地区2005-2010年Nox、SO2、O3_max(日小时最大值)、Ox、PM2.5和PM10,气溶胶光学厚度(AOD)和Angstrom指数日均值的年平均值分别为59±47ppb,17±17ppb,45±34ppb,53±20ppb,73±55μg/m3,138±94μg/m3,0.51±0.41,1.06±0.34,其中PM2.5约占PM10的53%;北京地区虽然一次排放的气态污染物得到了有效控制,但二次光化学污染以及颗粒物污染都相对较重,尤其值得关注的是从后奥运时段(2008-2010年)秋冬季颗粒物高污染事件频次逐年增加.2009年8月-2011年8月北京及周边区域城市及城郊站污染物平均浓度值Nox为37ppb,O3(日均值)为23ppb,O3_maxm为47ppb,Ox为46ppb,SO2为14ppb,PM2.5为65μg/m3,pM10为142μg/m3,相对乡村站,一次气态污染物Nox和SO2分别高29ppb和10ppb,细粒子高27μg/m3;二次气态污染物O3比受区域传输影响显著的兴隆站低29ppb,而比西北乡村灵山站低8ppb,区域污染不容乐观.区域颗粒物污染最为严重,PM10污染超标率为6%～63%,细粒子超标达12%～66%,而夏季区域臭氧超标事件比重较大;此外,京津冀城市具有较强的大气光化学氧化性,气粒转化较强,细粒子中硫氧化率(SOR)年均值为0.25,氮氧化率(NOR)年均值为0.18.京津冀区域大气污染季节分布表现为秋末及冬季一次气态污染物和颗粒物污染严重,而夏季二次污染物臭氧以及细粒子污染严重;污染空间分布表现为以北京为中心的NOx污染.河北城市地区的高浓度的颗粒物和SO2污染,西北及北部山区臭氧浓度最高,整个区域大气氧化能力强.
基于北京地面和高空气象要素利用主成分分析和两步聚类法进行客观天气分型,共得到14类典型天气型,导致污染最严重的天气型为弱南风为主的冷湿气团(10、12、14),水平消光系数,AOD,PM2.5,PM10以及SO2、NOx和Ox均值分别为0.49(能见度6km),0.63,115μg/m3,215μg/m3,36ppb,107ppb,53ppb;O3污染最重的为热偏干气团(1,5,6,9,13),日小时最大值的均值为72ppb.天气对2008年奥运大气污染消减的贡献为PM10～19%,SO2～20%,PM2.5～37%,O3_max～90%,Ox～49%,水平消光系数～46%,反映源控制措施对一次污染物较为有效,而二次污染物的消减天气贡献大.
利用气团后向轨迹分析得到北京PM10和PM2.5年平均的区域传输贡献分别为40.7%和52.6%(63和51μg/m3),余下的为本地贡献,而南部和西部气流传输贡献更高,为80(47.9%)and64(60.4%)μg/m3.从2005年到2010年PM10和PM2.5传输贡献逐年增长,而背景浓度显示下降趋势,线性增长率为3.2%/year(PM2.5)以及4.9%/year(PM10).轨迹传输路径结果显示水平消光系数(能见度)、AOD、PM2.5和PM10质量浓度以及臭氧(O3_max)和Ox在南部气流控制下浓度值较高,分别为0.44(7.1km)、0.95、105μg/m3、170μg/m3、61ppb和62ppb.
天气分型和后向轨迹综合评估显示天气型仍是控制污染浓度变化的主因,但同一天气型在不同轨迹来向控制时,高污染天气型中各轨迹来向对应的污染浓度变幅较大,以叠加在南部气流的高污染天气型对应的污染最为严重.
基于NCEP FNL1*1度的海平面气压场格点数据,利用T-mode旋转主成分分析方法,对区域大气环流进行了分型,得到11类环流型,并评估与区域污染的关系.区域二次污染生成的O3和其前体物Nox,以及受二次生成影响较大的PM2.5,环流型对区域各站影响较一致,说明这三种污染物的区域性和一致性特征;环流型1(西北高压)控制时区域最为清洁,O3和PM2.5各站日均值平均分别为19±6ppb,47±28μg/m3;受天气型4(东部高压)、7(低压型)和8(西北低压)控制时,区域污染最重,并表现为高臭氧和高细粒子叠加的区域复合污染,3类天气型对应的O3日均值(日小时最大值)分别为32±10ppb(62±11ppb),28±8ppb(56±8ppb),26±8ppb(51±9ppb);PM2.5分别为86±31μg/m3,77±9μg/m3,91±36μg/m3.