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在我国城市化进程中,由于经济发展、能源消耗和机动车保有量不断上升,大气污染问题日渐突出。目前,以臭氧和细粒子为代表的城市群大气复合污染已经成为首都北京亟需治理的重大环境问题。与气态污染物不同,大气颗粒物在大气中的行为、转化及其对气候、环境和人体健康的影响,不仅取决于其质量浓度,还与其粒径大小、粒谱分布、光学特性、化学组成和大气寿命等因素有关。因此,探究大气颗粒物的物理特性和化学组成,有助于深入研究大气颗粒物的环境行为和气候效应。
本课题组在北京325m气象观测铁塔院内设置大气环境综合观测点,通过长年对大气颗粒物PM10和PM2.5的连续监测(2004～2010),以及对夏季(2008年6月～8月)和冬季(2009年12月～2010年2月)大气颗粒物膜采样及化学成分分析,系统阐述了北京地区大气颗粒物质量浓度的年际变化趋势、季节和日变化规律,结合颗粒物的化学组成解析,阐述了北京大气颗粒物的形成机制及可能来源；针对2008年北京夏季奥运会期间北京及周边省市采取的污染源协同控制措施,本研究通过奥运前后同步观测实验分析,评价了奥运临时措施对北京地区大气颗粒物浓度下降的作用。主要研究结果如下:
1)2004～2010年7年间,PM10和PM2.5平均值分别为140μg·m-3和75μg·m-3,整体呈现出下降趋势。PM10下降趋势明显,平均年递减率约为15.6μg·m-3·yr；而PM2.5下降趋势较缓,年递减率为6.4μg·m-3·yr。北京大气颗粒物浓度的变化受周边地区污染源变化的影响。气流后向轨迹模型结合聚类分析表明,偏北及西北气流对北京大气颗粒物输送的贡献逐年减弱,而偏南和偏西气流输送的贡献在2008年显著降低,2010年其输送能力再次增强。
2)北京大气颗粒物浓度存在明显季节变化。沙尘天出现频次较低时,粗粒子浓度季节分布表现为冬季>秋季>夏季>春季；而沙尘天气出现频次较高时,春季则粗粒子浓度最高。大气细粒子质量浓度和数浓度均表现出冬季和夏季较高-秋季次之-春季最低的分布特征。
3)北京大气颗粒物浓度的上升是导致城市大气能见度下降的主要原因。观测期间PM10和PM2.5与能见度间呈幂指数关系(p<0.001)。当PM2.5和PM10的日均值分别大于50μg·m-3和100μg·m-3时,北京往往就处于较低的大气能见度(<10km)。
4)OM、SO42-、NO3-、NH4+和地壳元素是北京大气细粒子中的主要化学组成,5种化学成分浓度之和占PM2.1的比例为83％～85％;而地壳元素、OM、SO42-和NO3-是北京大气粗粒子中的主要化学组成,4种化学成分的浓度之和占PM2.1-9的比例为69％～78％。夏季颗粒物中的SO42-主要通过SO2均相反应或是非均相反应分别存在于凝结模态(细粒子模态)和粗模态中,而冬季硫酸盐则主要通过SO2非均相反应产生；受温度和湿度影响,夏季NOx通过光化学反应生成的硝酸往往以气态形式存在,通过与粗粒子受体中的CaCO3或者NaCl发生酸解反应而存在于粗模态粒子中；冬季气温较低,硝酸盐挥发度下降,往往以NH4NO3形式存在于液滴模态中。
5)PMF模型对北京大气PM2.5和PM10的来源解析结果表明,观测期间北京大气PM2.5中二次粒子的贡献为30％(包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐和二次有机物)、燃煤贡献为6.2％、道路扬尘4.6％、生物质燃烧6.2％、工业源5.7％、机动车排放12％、沙尘贡献3.2％；北京大气PM10中二次粒子的贡献为18％、燃煤贡献为6.4％、道路扬尘5.5％、生物质燃烧5.3％、工业源3.5％、机动车直接排放8.5％、土壤尘3.4％、沙尘2.8％。与以往研究结果相比,细粒子中二次粒子和机动车的贡献明显增强,燃煤贡献显著降低。
6)2008年奥运期间,北京大气颗粒物粗、细粒子质量浓度(PM2.5-10和PM2.5)平均值分别为231μg·m-3和56μg·m-3,粗、细粒子数浓度(PN2.5-10和PN0.5-2.5)平均值分别为15cm-3和3138cm-3,均明显低于非奥运时段,直接表观为大气能见度显著改善。局地污染源高强度减排和区域输送减弱使北京大气颗粒物质量浓度和数浓度显著降低,不利的气象条件仍然造成污染物积累,但未能造成PM10超出国家现行标准。较为频繁的降水和气温的下降,尤其是颗粒物气态前体物的降低,使整个区域细粒子的光化学形成受到显著抑制。
北京局地污染源在2008得到削减,2009年存在一定的滞后效应,而2010年则进一步增强；北京及周边六省(市、区)污染源协同减排措施的实施,是奥运期间北京良好的空气质量的最重要保障；考虑到我国目前PM10二级空气质量标准远高于发达国家,根据本文研究结果,建议提高北京空气质量的有效途径之一是严格PM10标准,同时制定PM2.5控制标准并逐步实施。