北京市大气细粒子的来源分析

北京市大气细粒子的来源分析

宋宇,唐孝炎,方晨,张远航,胡敏,曾立民(北京大学环境科学中心环境模拟与污染控制国家重点联

合实验室,北京　100871)

摘要:细粒子(空气动力学直径小于215

μm 的颗粒物)污染是许多城市重要的大气环境问题.从1999年至2000年对北京市细粒子展开了4次采样和化学分析,有效采样天数为40d.利用正定矩阵分解(PMF )方法对细粒子的来

源进行了分析.化学成分包括EC (元素碳)、有机物、SO 2-4、

F -、Cl -、Fe 、Ca 、K 、Mg 、Al 、Na 、Zn 、Mn 、Ti 、Pb 、Ba 和P 等17种.发现主要来源有6类:地面扬尘、建筑源、生物质燃烧、二次源、机动车排放和燃煤.关键词:源解析;正定矩阵分解(PMF )方法;细粒子(PM 215);北京市

中图分类号:X513　文献标识码:A 文章编号:025023301(2002)0620620011

基金项目:北京市“蓝天工程”———能见度影响因素和改善途径研究

作者简介:宋宇(1970～),男,博士,讲师,主要从事大气环境

模拟方面的研究.

收稿日期:2001206209;修订日期:2001211214

Source Apportionment on Fine Particles in Beijing

Song Yu ,Tang Xiaoyan ,Fang Chen ,Zhang Yuanhang ,Hu Min ,Zeng Limin (State K ey Joint Laboratory

of Enviornmental Simulation and Pollution Control ,Center for Environmental Sciences ,Pekin g University ,Beijing 100871,Chin )

Abstract :The positive matrix factorization (PMF )method was used to apportion the sources for fine particles in Bejing.The data were obtained from four sam plings from 1999to 2000.The number of this data set was 40.The chemical com 2

positions used in analysis include element carbon (EC ),organics ,SO 2-4,F -,Cl -,Fe ,Ca ,K ,Mg ,Al ,Na ,Zn ,Mn ,Ti ,Pb ,Ba and P.Six main sources ,soil dust ,construction dust ,secondar y source (by photochemical action ),biomass burning ,motor vehicle and coal burning were found.

K eyw ords :source apportionment ;positive matrix factorization ;fine particles (PM2.5);Beijing

细粒子可以通过呼吸系统进入人的肺部并沉积下来,通过大气消光作用导致能见度下降等,对人体健康和交通等方面都有影响.北京市

细粒子来源非常复杂,科学准确地了解细粒子的主要来源,对制定相应的控制对策是十分有意义的.

目前,颗粒物源解析方法依然以受体模式

为主.主要分为化学质量平衡方法(CMB )和多元分析方法2类.前者需要对可能来源的化学成分谱进行测量,往往花费大量财力和人力,后者可以分为主元素分析方法和因子分析方法等,但是解析出来的成分谱和载荷有时为负值[1,2].

PMF (positive matrix factorization )方法是近年来出现的一种有效、新颖的颗粒物源解析方法.和其它方法相比,它具有不需要测量源成分谱、分解矩阵中元素非负、可以利用数据标准偏差来进行优化等优点.该方法已经成功地对

香港、泰国和西班牙等国家和地区大气中颗粒物的来源进行过研究[1～5].

本文将利用1999年至2000年4次对北京市大气细粒子的化学成分数据,尝试运用PMF 方法来分析其主要来源.

1　粒子采样、组分分析和气象背景利用分级撞击式采样器(Anderson 和Mou 2di )对PM 215的质量浓度进行样品采集,时间间隔为24h.为了解不同季节北京市细粒子的来源,考虑到夏季是光化学比较活跃的季节,冬季

采暖燃煤量大以及扩散条件较差(如冬季较强的逆温),1999210201为国庆50周年等特点,总

共进行了4次观测和采样,有效采样天数为40d ,时间、地点和气象条件见表1.第23卷第6期2002年11月

环 境 科 学ENV IRONM EN TAL SCIENCE

Vol.23,No.6Nov.,2002

表1　采样时间和气象背景

Table 1　Sampling durations and meteorological conditions

采样时间

天气简况采样地点

有效采样天数及编号

1999201230～02209从01231晚至02203晚,有蒙古地区南下的冷高压过境,给北京市带来晴好、干燥和寒冷的大风天气(北风四五级间六级)国安宾馆21层(约80m )

4d 1～4

1999206220～30

从24日开始北京市出现气温超过35℃的持续高温天气,风速在3m/

s 左右,相对湿度在40%左右国安宾馆21层(约

80m )9d 5～131999210201～13气温在14℃左右,风速低于2m/s ,有时甚至处于静风状态,相对湿度

较高,在80%左右.除了10201至2日外,其它时间大气扩散条件较差

北京大学光华管理学院楼顶(约30m )15d 14～282000201220～29气温在-6℃左右.23日前,天气系统比较稳定,风速小于1m/s ,相对

湿度在80%左右.24日开始,冷空气南下,风速为3m/s 左右,相对湿度40%左右,27日后风速变小

国安宾馆21层(约

80m )

12d 29～40

细粒子的化学成分包括:离子为SO 2-4、NO -3、F -、Cl -、N H +45种,元素为Fe ,S ,Ca ,K ,Mg ,Al ,Na ,Zn ,Mn ,Ti ,Pb ,Ba ,Sr ,Cu ,Li ,Ni ,Co ,Be ,P ,V ,Cr 等,以及有机物,元素碳/有机碳

(EC/OC ).其中EC 和OC 由美国乔治亚理工学院帮助分析.

2　PMF 方法原理

假设X 为n ×m 矩阵,n 为样品数,m 为化学成分(如OC 、EC 、各种离子和元素等)数目,那么X 可以分解为X =GF +E ,其中G 为n ×p 的矩阵,F 为p ×m 的矩阵,p 为主要污染源的数目,E 为残数矩阵.定义

e ij =x ij -

∑p

k =1

g

ik f kj

(i =1,……n ;j =1……m ;k =1……p )

Q (E )=

∑n

i =1∑m

j =1

(e ij

/s

ij )

2

其中,s ij 为X 的标准偏差.约束条件为G 和F 中的元素都为非负值,最优化目标是使Q 趋于自由度值,这样可以确定出G 和F 来.通常,认为G 为源的载荷,F 为主要污染源的源廓线.在PMF 中可以提供“重要性”来表示不同化学成分在源廓线中的重要性.3　细粒子主要来源分析考虑到有些化学成分的分析方法不准确,或者数据中过多的浓度低于检测下限,因此,在分析中将化学成分规范为:EC 、有机物(为OC 的114倍,在以下图中以Ogcs 表示)、SO 2-4、F -、

Cl -、Fe 、Ca 、K 、Mg 、Al 、Na 、Zn 、Mn 、Ti 、Pb 、Ba 和P 等17种.通过比较分析,确定选择6种来源比较合理.

图1和图2表示不同化学成分在各类来源中的重要性.可以看出,第1个源中,Ca 、

Mg 、Al 、Na 和Fe 等地壳元素重要性较大,因此,认为它来自地面扬尘[2,5];Ca 在第2个源中的重要性异常高,认为它为建筑源[5]

;K 在第3个源中的重要性很大,同时有机物也比较高,因此,

认为它来自生物质燃烧[5];SO 2-4和有机物在第

4个源中的比例很大,而且元素碳和金属元素

的重要性都不大,认为它是大气细粒子通过光化学反应的二次来源[2,5];第5个源中元素碳和Pb 的重要性很高,而且有机物也比较高,同时

SO 2-4

不高,因此认为它来自机动车尾气排放[6];第6个源中元素碳、有机物和SO 2-4

的重要性大,尤其是Cl -的重要性很大,它是燃煤的

标志,因此,认为它来自燃煤(包括工业燃烧、居民生活等).具体见表2.图3和图4表示6类主要来源中化学成分的相对浓度值(可以称为相对源廓线),它们和各类源中化学成分的重要性是比较吻合的(图1、图2和表2).4　主要来源对细粒子的载荷分析

细粒子的6种来源在不同季节(共40d )的载荷见图5和图6(为G 矩阵中的元素值).地面扬尘在1999年2月和6月对细粒子

是起到一定贡献,这是沙尘受风力作用被卷挟

图1　地面扬尘、建筑源和生物质燃烧等源中化学成分的重要性

Fig.1　The importance of chemical compositions in soil dust,construction dust and biomass burning

图2　二次源、机动车和燃煤等源中化学种类的重要性

Fig.2　The importance of chemical compositions in secondary source,motor vehicle and coal burning

表2　北京市细粒子6类主要来源中重要性较高

和较低的化学成分

Table2　The importance of chemical compositions in fine particles 来源重要性较高的化学成分重要性较低的化学成分地面扬尘Ca、Mg、Al、Na、Fe EC、有机物

建筑源Ca有机物

生物质燃烧K、有机物

二次源SO2-4、有机物EC

机动力排放EC、有机物、Pb SO2-4

燃煤EC、有机物、SO2-4、Cl-

到大气中的结果.2000年1月地面扬尘几乎对细粒子没有影响,分析原因,在2000年采样前和采样期间北京市不间断有多次大量降雪,雪水覆盖地表,使沙尘不能卷挟到空气中.

从建筑来源看,在1999年6月,采样附近出现高强度的建筑施工,表现出载荷很大,这也可以从检测的化学样品中看出,其中Ca的含量非常高.

生物质燃烧一般集中在秋季,而且对细粒子的载荷也高,这是因为秋季在北京市郊区仍然存在农田里燃烧麦秸的情况,它们可以传输到城区.此外,冬季居民炊事和各种餐饮(来自处于近地层的大量餐馆)都会对细粒子有一定的贡献.

Fig.3　The source profiles for soil dust,construction dust and biomass burning

Fig.4　The source profiles for secondary source,motor vehicle and coal burning

Fig.5　Loading for soil dust,construction dust and biomass burning

二次源(SO2等气体污染物通过光化学反应氧化成硫酸盐等)是细粒子的重要来源,而且夏季比冬季活跃(1999年6月).在1999年10月份出现了比较厉害的二次源,SO2-4很高(10月5日),但这并不意味秋季光化学更加活跃,而是这些气象条件很不利于大气扩散(出现静风、湿度大、贴地逆温等),使二次源产生的细粒子富集起来.

机动车对细粒子的载荷在全年都有一定的比例,尤其在冬季,这是因为机动车排放属于低层污染源,冬季逆温使它们不容易扩散出去.

燃煤一般包括高架点源和地面源(尤其冬季居民采暖燃煤),它在全年都会对细粒子有一定贡献.不同于地面扬尘,高架来源使它在多雪的2000年1月依然对细粒子产生贡献.

确定利用PMF方法是否成功地得出了主要来源,还可以通过比较细粒子中重要化学成分的计算值和测量值之间的吻合程度来判断[3].图

7

和图8表示一些主要化学成分质量浓度的观测

值和计算值(G×F),单位为绝对浓度),二者的

吻合程度比较好

.也就是说,PMF方法在比较完

全地解析出了北京市细粒子的主要来源.

5　小结

(1)北京市细粒子主要有6类来源:地面扬

尘、建筑源、生物质燃烧、二次源、机动车排放和

燃煤.

(2)地面扬尘中Ca、Mg、Al等地壳元素占

有较高的比例.从载荷来看,在地表干燥的春冬

图6　二次源、机动车和燃煤等源在不同时间的载荷

Fig.6　Loading for secondary source,motor vehicle and coal buning

图7　EC和有机物的观测值和计算值对比

Fig.7　The comparison of measurements and modeled results for EC and organics

图8　C a和SO2-4的观测值和计算值对比

Fig.8　The comparison of mensurements and modeled results for Ca and SO2-4

季节,或者高温的夏季,由于风的卷挟作用,可以将其中的部分细粒子带到大气中,但在有持续降水的天气里(如2000年采样期间发生多次降雪),由于覆盖作用而不能进入大气.

(3)建筑源中Ca的含量异常高.从载荷来看,当出现建筑施工密集的时候(如1999年6月国安宾馆附近),它对细粒子污染的贡献会很大.

(4)生物质燃烧中K和有机物的含量很高.从载荷可以看出,它在秋季普遍较高,可能是由于北京市附近麦秸等燃烧带来的.

(5)二次来源中SO2-4和有机物的含量很高,而且EC含量不高.在湿度大、温度高的夏季(1999年6月的持续高温),载荷会很高,而在低温湿度小的冬季,载荷就小一些.值得注意的是,在湿度大、风速小、逆温现象严重的天气里,二次来源生成的大量硫酸盐可以富集起来(如1999210205).

(6)机动车的尾气排放中EC和有机物、Pb 含量很高,是细粒子一个重要来源.由于它是低层污染源,它在冬季由于逆温富集效果比较明显,所以其载荷也会较高.在扩散条件相对好一些的夏季和秋季,载荷就明显低.

(7)燃煤(包括工业燃烧和居民生活等)也是细粒子的一个重要来源,其且扩散条件差,载荷就高.而在夏季由于扩散条件较好,而且没有采暖燃煤等因素,影响反而小一些.

本文利用PMF方法可以比较全面地确定北京市细粒子的主要来源,但是为确定它们在细粒子中的贡献比例,应该加强化学分析方法,更准确测量各种化学成分.

致谢:感谢芬兰Helsinki大学Pentti Paatero教授提供了PMF模式.

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