環境科學技術及資源科學技術

環首都圈霾和霧的長期變化特征與典型個例的近地層輸送條件

吳兌，廖碧婷，吳蒙，等

摘要：目的：氣溶膠粒子對大氣輻射傳輸和水循環均有重要的影響。氣溶膠對氣候變化、云的形成、能見度的改變、環境質量變化、大氣微量成分的循環及人類健康有著重要影響。工業化以來，人類活動直接向大氣排放大量粒子和污染氣體，污染氣體通過非均相化學反應亦可轉化形成氣溶膠粒子。1999年歐美科學家發現，在亞洲南部上空經?；\罩著一層3 km厚的棕色氣溶膠云，并稱其為亞洲棕色云，其組成主要包括：黑碳、粉塵、硫酸鹽、銨鹽、硝酸鹽、有機碳等，后來發現各大洲都存在類似現象，因而又將其稱為大氣棕色云。氣溶膠因其重要的環境效應問題：大氣污染，而令人廣泛關注。大氣污染也是當前大多數發展中國家在城市化、工業化過程中普遍面臨的一個難題。Schichtel和Doyle曾分別分析了美國和英國霾與能見度的長期變化趨勢。環首都圈的京津冀晉作為近30年全球經濟發展最快的地區之一，也是國內氣溶膠導致大氣污染相當嚴重的區域之一。這里聚集了北京、天津、唐山、石家莊、太原這樣擁有數百萬以上人口的國際化城市和幾十個人口在幾十萬左右的中等城市，在大量土地被工業化利用、植被減少、交通工具迅猛增加、鄉鎮企業工廠蓬勃發展的情況下，這一地區頻繁發生的大氣污染事件已經引起政府和公眾的廣泛關注。尤其是2011年入秋之后，連續兩年出現了嚴重的霾天氣過程?？諝馕廴静粌H對居民的身體健康構成威脅，而且導致的能見度下降也給城市經濟活動和市民生活帶來顯著影響，并使一個地區或城市的景觀給人以很負面的形象，高頻多發的惡劣能見度事件對其有非常不利的影響，當地政府也將面臨改善空氣質量、美化城市景觀的艱巨任務。而進行環境影響因子和合理的改善措施建議的研究關系到京津冀晉整個地區城市群的協調、可持續發展。在京津冀地區有大量關于與氣溶膠相關聯的區域污染的研究成果，尤其是任陣海在分析北京地區重污染形勢的形成原因時明確指出了太行山與燕山對顆粒物污染的聚集作用。蘇福慶等認為太行山前西南風是北京邊界層外來污染物的輸送通道之一。徐祥德認為，北京地區污染的來源不僅有本地排放源，而且周邊地區（河北、山西、天津、唐山等）也有相當的影響，北京市及其周邊地區大氣污染物遷移、轉化、擴散影響及其總體效應，是調控首都經濟圈區域環境空氣質量水平的“瓶頸”問題。朱凌云通過數值試驗也得到了山西排放的氣溶膠可以影響北京的結果。但未見該地區20年以上顆粒物污染長期變化趨勢的分析，對于典型個例的近地層輸送特征也需要使用新工具進一步深入分析。為了解過去60年該區域霾和霧的長期變化特征，本文使用環首都圈京津冀晉長期的能見度等氣象資料分析其長期變化趨勢，討論能見度惡化的原因。亦使用時間空間矢量和工具分析了典型個例的近地層輸送特征。方法：本文主要使用了環首都圈京津冀晉氣象臺站1954—2012年的能見度、相對濕度、天氣現象資料，原始資料是每天4時次（夜間守班站）或者3時次（夜間不守班站）。和2013年1月518個稠密自動氣象站的風向與風速資料。定義當日均能見度小于10 km，日均相對濕度小于90%，并排除降水等其它能導致低能見度事件的情況為一個出現霾的日子；日均能見度小于10 km，日均相對濕度大于90%，并排除降水等其它能導致低能見度事件的情況為一個出現霧的日子。本文對近地層風求一定范圍一段時間內的矢量和，是為了更清晰的了解一段時間內環首都圈近地層空氣流動的總合效果，從而更為直觀的分析近地層風對霾天氣的影響。近地層風的矢量和分布圖是一定范圍n個小時風的矢量和分布，其具體方法是，首先分別對自動氣象站逐時風資料進行客觀分析，即先把逐時u、v分量的原始資料經客觀分析插值到網格點上，其中，客觀分析采用了Cressman逐步訂正法，分析范圍是109.0°E～120.0°E，33.0°N～43.0°N，網格大小為0.05°×0.05°經緯度。分析過程中風場資料經過了基本的資料預處理，去除野點后再分別對每個網格點上的逐時u、v資料按照吳兌的方案5點求和作為每個格點上周圍小區域內的水平空間矢量和，最后把每個網格點上nh的水平空間矢量和再進行加和，成為風的nh累積水平空間矢量和。矢量和分布圖中的每一個風矢代表了nh大約60 km2范圍內空氣流動的總合效果。風的矢量和分布圖與風的平均流場圖的物理意義不同。風的nh累積水平空間矢量和分布圖表示小區域某段時間內當地空氣流動的累積效應，而風的平均流場圖表示的是某段時間內空氣流動的平均情況。結果：為環首都圈京津冀晉過去60余年霾日的區域分布圖，可以看到，在1950—1960年代，區域內霾日非常少，1970年代開始增多，1980年代以后明顯增多，并形成幾個霾日集中區，比較明顯的是邯鄲—邢臺—石家莊—保定—北京—天津的帶狀分布，與任陣海等指出沿太行山東側的污染帶分布相一致。還有太原及以南的帶狀分布，最為嚴重的情況出現在1996—2000年，2000年以后有一定減少。從北京過去近60年霾日與霧（輕霧）日的長期變化趨勢圖，我們看到1950年代霾日比較多，最多達到1年有160天以上霾日，與同期沙塵天氣偏多相關聯，這主要與周邊地區的揚沙有關，隨著在首都周邊地區的大規模植樹造林，尤其是在西部永定河流域和北部山區及河北、內蒙古的壩上地區的植樹造林，以及北京城區道路硬化改造，到1967年，霾日已經減少到1年不足10 d，治理揚沙和浮塵的效果顯著；1970年代以后北京的能見度急劇惡化導致霾日迅速增加，到1980年代初增加到220 d以上，一直到1999年前后北京的霾日維持在每年160～200 d左右；2000年以后到北京奧運會前后，霾日持續下降，到2010年霾日僅有56 d，2012年有所反彈，增加到91 d。同期我們看到，霧（輕霧）日在60余年中沒有明顯的趨勢性變化，反映了年季和年代季的氣候波動。北京不同月份霾日和霧（輕霧）日的長期變化特征，一個突出的特點是除去采暖季有較多的霾日外，在盛夏季節霾日也明顯多，集中出現在6—9月，尤其是盛夏季節的7—8月，與所謂的桑拿天同期出現，這與全國大部分城市的變化趨勢完全不同，可能與盛夏季節華北平原特殊的邊界層結構，和在高濕度背景下氣溶膠的吸濕增長使得消光明顯增加造成能見度明顯惡化有關，值得深入研究。從環首都圈京津冀晉代表性城市過去60余年霾天和霧（輕霧）出現的天數。我們看到，華北北部的張家口和唐山霾日較少，除去個別年份霾日均不超過每年50 d；天津在1980—1990年代霾日較多，最多可達每年250 d以上，20世紀霾日緩慢增加，近年達到100 d以上，較北京明顯偏多；塘沽近10余年的情況與天津類似；太原自1970年代以來，霾日呈穩步增加趨勢，近年已經超過每年200 d；保定在1980年代曾經出現霾日峰值，接近每年300 d，近年維持在每年100～150 d左右；石家莊霾日自1970年代開始增加，至1990年代末期達到峰值，每年有霾日200余d，本世紀呈下降趨勢，2012年霾日不足50 d；邢臺霾日也是自1970年代開始增加，1980—2004年長期維持高位震蕩，每年霾日超過300余d，而后開始明顯下降。以上各地的霧（輕霧）日均沒有明顯的趨勢性變化，反映了年季和年代季的氣候波動?？傮w來看，是華北南部霾日明顯多于北部，不同城市之間在趨勢上可以看到明顯差異，重霾日段出現的年份也不一樣，造成這種差異的原因與其所處的地理位置與污染物排放強度都有關系。當然，中長期天氣氣候背景的波動也會對能見度的變化產生影響，但這個問題非常復雜，研究難度很大。以上分析有所體現，而且還發現京津冀晉各個城市的一個突出的特點是除去采暖季有較多的霾日外，在盛夏季節霾日也明顯多，集中出現在6—9月，尤其是盛夏季節的7—8月，與所謂的桑拿天同期出現，與前面分析北京的情況類似。2013年1月北京霾日數較常年異常偏多，顯著特點是連續出現霾的持續過程次數多、持續時間長。1月，北京共出現4次持續時間超過3 d（含3 d）的霾天氣過程，持續時間最長的一次過程是1月10—14日，連續5 d出現霾天氣，12日最小能見度不足500 m，僅為350 m。可以看到，北京1月份能見度最差共有3個階段，即10—14日，18—23日，27—31日。能見度最低僅有200 m，出現于2013年1月29日的02時和05時；其間除31日短暫時間外相對濕度均低于90%，是3個典型的霾天氣過程。能見度最高的時段出現于2013年1月1—3日，可以作為清潔對照過程。同期在黃淮海平原、長江三角洲亦出現了嚴重的霾天氣過程。最長的持續近20 d。利用京津冀晉近地層自動站網的風向風速資料，采用矢量和方法分析2013年1月華北四省區域近地層流場特征。通過3個霾過程和一個清潔過程的矢量和可以看出，霾過程的發生和矢量和的大小存在較為明顯的正相關關系?？煽闯觯?0—14日，18—23日，27—31日3個霾過程中，在華北平原均出現明顯的氣流停滯區，華北四省市大部處于氣流停滯區中，區域矢量和很小，不利于空氣中污染物的水平擴散，導致了1月份華北四省市多次出現持續時間久的嚴重霾過程?？梢钥吹?，該期華北地區冷空氣活動比較頻繁，1—3日，華北四省市尤其是北京地區受明顯的西北氣流影響，風矢量和為較一致的偏北方向，72 h區域矢量和較大，尤其在北京小平原風矢量和風速較大，水平擴散條件較好，不利于污染物的積累，較利于污染物的擴散，對應同期能見度較高，空氣質量較好。表1分別具體給出了以上四個過程的區域平均矢量和，可以看到1月1—3日清潔過程的矢量和高達596.53 m/s，為霾過程區域平均矢量和的2～2.5倍。從圖9中可看出華北四省市區域矢量和與北京能見度的時間變化趨勢較為一致，能見度與區域風場矢量和風速呈明顯的正相關。圖中的紅色 虛線處的能見度為10 km，對應區域矢量和日均值為 100 m/s左右，說明當華北四省市區域矢量和日均值小 于100 m/s時，北京地區較容易出現霾天氣過程。依據2013年1月典型霾天氣過程近地層流場，總結了環首都圈霾天氣過程的近地層輸送概念模型，京津冀西側、北側靠山、東鄰渤海，尤其是北京小平原三面環山。太行山、燕山和軍都山形成的“弓狀山脈”對冷空氣活動起到了阻擋和削弱作用，導致山前暖區空氣流動性較小形成氣流停滯區、污染物和水汽容易聚集從而有利于霾和霧的形成。由于受太行山的阻擋和背風坡氣流下沉作用的影響，使得沿北京、保定、石家莊、邢臺和邯鄲一線的污染物不易擴散，形成一條西南—東北走向的高污染帶；山西省的高濃度污染物亦在低空偏南氣流輸送下沿桑干河河谷和洋河河谷以及滹沱河—拒馬河河谷向北京輸送，任陣海、徐祥德等在分析周邊地區包括山西大氣污染物向北京輸送時也指出了類似的輸送通道。河北中南部與山西諸河谷的累積污染帶疊加近地層輸送流場是造成北京嚴重霾天氣過程的重要原因之一。此外，在山谷風、城市熱島環流和海陸風環流的共同影響下，環首都圈低層大氣環流具有特殊性，因此污染物的輸送過程也較復雜，值得進一步深入研究。結論：（1）在1950—1960年代，環首都圈京津冀晉四省市霾日極少，1970年代開始增多，1980年代以后明顯增多，并形成幾個霾日集中區，比較明顯的是邯鄲—邢臺—石家莊—保定—北京—天津的帶狀分布，還有太原及以南的帶狀分布，最為嚴重的情況出現在1996—2000年，2000年以后有減少趨勢。（2）北京1950年代霾日比較多，最多時年霾日有160 d以上，與同期沙塵天氣偏多相關聯，主要與周邊地區的揚沙有關，隨著在首都周邊地區的大規模植樹造林，尤其是在西部永定河流域和北部山區及河北、內蒙古的壩上地區的植樹造林，以及北京城區道路硬化改造，到1967年，霾日已經減少到1年不足10 d，治理揚沙和浮塵的效果明顯；1970年代中后期北京能見度急劇惡化導致霾日迅速增加，到1980年代初增至220 d以上，到1999年北京的霾日維持在每年160～200 d左右；2000年后到北京奧運會前后，霾日持續下降，到2010年霾日僅有56 d，2012年有所反彈，增加到91 d。（3）北京及華北地區霾日季節分布突出的特點是，除采暖季有較多的霾日外，在盛夏季節霾日也明顯偏多，出現在6—9月，尤其是盛夏季節的7—8月，與所謂的桑拿天同期出現。這與全國大部分城市的變化趨勢完全不同，可能與盛夏季節華北平原特殊的邊界層結構，造成在高濕度背景下氣溶膠的吸濕增長使得消光明顯增加使得能見度明顯惡化有關。（4）華北地區霾日有南部多于北部的顯著特點。北部張家口和唐山霾日較少，除個別年份霾日均不超過每年50 d；天津在1980—1990年代霾日較多，最多可達每年250 d以上，本世紀霾日緩慢增加，近年達到100 d以上，較北京明顯偏多；太原自1970年代以來，霾日呈穩步增加趨勢，近年已超過每年200天；保定在1980年代曾經出現霾日峰值，接近每年300天，近年維持在每年100～150天左右；石家莊霾日自1970年代開始增加，至1990年代末期達到峰值，每年有霾日200余d，本世紀呈下降趨勢，2012年霾日不足50 d；邢臺霾日也是自1970年代開始增加，1980—2004年長期維持高位震蕩，每年霾日超過300余d，而后開始明顯下降。（5）霾過程的發生和矢量和的大小存在較明顯的正相關關系。霾過程中，華北平原均出現明顯的氣流停滯區，區域矢量和很小，不利于空氣中污染物的水平擴散，導致了1月份華北四省市多次出現持續時間久的嚴重霾過程。清潔過程時華北四省市尤其是北京地區受明顯的西北氣流影響，風矢量和為較一致的偏北方向，區域矢量和較大，尤其在北京小平原風矢量和明顯較大，水平擴散條件較好，不利于污染物的積累，對應同期能見度較高，空氣質量較好。（6）華北四省市區域風矢量和與北京能見度的時間變化趨勢相關明顯，能見度與區域風矢量和呈明顯的正相關。（7）京津冀西、北側靠山、東鄰渤海，尤其是北京小平原三面環山，太行山、燕山和軍都山形成的“弓狀山脈”對冷空氣活動起到阻擋和削弱作用，導致山前暖區空氣流動性較小形成氣流停滯區，污染物和水汽容易聚集從而有利于霾和霧的形成。由于受太行山的阻擋和背風坡氣流下沉作用的影響，使得沿北京、保定、石家莊、邢臺和邯鄲一線的污染物不易擴散，形成一條西南—東北走向的高污染帶；山西省的高濃度污染物亦在低空偏南氣流輸送下沿桑干河河谷和洋河河谷以及滹沱河—拒馬河河谷向北京輸送。河北中南部與山西諸河谷的累積污染帶疊加近地層輸送流場是造成北京嚴重霾天氣過程的重要原因之一。

來源出版物：環境科學學報, 2014, 34(1): 42746

入選年份：2015

北京城市道路灰塵重金屬污染的健康風險評價

唐榮莉，馬克明，張育新，等

摘要：目的：道路灰塵是城市中一類重要的環境介質，人群可通過吸入、攝食及皮膚接觸3種途徑攝入灰塵中的污染物，長期暴露在灰塵環境中會對人體造成慢性傷害。本研究調查了北京市六環內道路地表灰塵重金屬含量特征，旨在探討北京市居民暴露在街道灰塵環境中的潛在的健康風險；以及北京市不同行政區街道灰塵健康風險的差異以及與社會因子的聯系。方法：本研究于2009年對北京六環內城市道路網絡地表灰塵進行調查并獲得有效樣品225個。研究測定了樣品中常見重金屬Cd、Cr、Cu、Mn、Ni和Pb的總含量，并應用U.S.EPA所提出的土壤健康風險模型為基本框架對北京居民暴露在灰塵中的風險進行評價。六種重金屬均具有慢性非致癌風險，其中Cd、Cr、Ni還具有致癌風險。模型假設街道附近的居民主要通過手-口攝食、經皮膚接觸和通過呼吸系統吸入灰塵這3種暴露途徑攝入街道灰塵中的重金屬。簡單認為整個非致癌暴露風險可以通過不同元素在3條暴露途徑的風險簡單加和算出，不考慮各種金屬進入人體的相互作用以及污染物的毒性差異。本研究中攝取率、粒子釋放量，揮發因子和生物暴露參數等數據參考國內場地環境評價指南，美國環境保護署所提出的土壤健康評價的標準。結果：研究區域道路地表灰塵中重金屬Mn、Ni的平均含量略低于北京市的土壤背景值，Cr含量略高于土壤背景值，Cu、Pb均值為背景值的2～3倍，Cd含量幾乎超出背景值的5倍。不同途徑重金屬慢性每日平均暴露量排序為：手-口攝食途徑＞皮膚接觸途徑＞吸入途徑。重金屬成人非致癌風險排序為Cr＞Mn＞Pb＞Cu＞Ni＞Cd，兒童非致癌風險排序為Cr＞Pb＞Mn＞Cu＞Ni＞Cd，均小于非致癌風險閾值；重金屬致癌風險排序為Cr＞Ni＞Cd，均低于致癌風險閾值。對比采樣涉及的各行政區內兒童非致癌風險均值發現，風險值隨城市功能區定位呈現梯度變化，即首都功能核心區＞城市功能拓展區＞城市發展新區。兒非致癌健康風險從城區到郊區總體呈現降低的趨勢，主城四區的特點是Pb的總致癌風險高于Cr，其余區域則相反。結論：重金屬污染健康風險總體較低，Cr，Pb是城市中具有最高潛在健康風險的元素。單元素對人體不構成非致癌和致癌健康威脅，兒童的健康風險高于成人，經手-口接觸行為直接攝入是兒童地表灰塵暴露風險的主要途徑。兒童的各種重金屬多途徑疊加非致癌風險接近安全限。街道灰塵中的Pb含量可能受到舊建成區歷史遺留在環境中的Pb輸入和交通輸入的共同影響，在老城區的風險高于其他區域。Cu、Ni和Pb的健康風險與人口密度、建筑用地等因子顯著相關，其含量受人為活動的影響較大，應加強管理控制其風險。

來源出版物：環境科學學報, 2012, 32(8): 2006-2015

入選年份：2015

湖南省不同土地利用方式的碳排放效應及時空格局分析

趙先超，朱翔，周躍云

摘要：目的：土地利用變化是造成碳排放量增長的主要原因。隨著當前城市化、工業化的加速推進，土地利用變化所導致的碳排放量也呈現出進一步增多趨勢。研究不同土地利用方式的總體碳排放效應，有助于更好地進行未來碳排放量的預測。以中部典型省份-湖南省為例，從不同土地利用方式所具有的碳源或碳匯作用入手，以土地利用類型與結構變化來分析省域土地利用的碳排放效應及時空特征，旨在為湖南省優化土地利用結構、加快區域低碳轉型發展提供參考。方法：基于簡化分類方法，主要測算耕地與建設用地的碳排放以及林地和草地的碳吸收。其中，對耕地、林地、草地碳排放（碳吸收）的計算采用基于用地類型的碳排放（碳吸收）系數進行；將建設用地碳排放等同為建設用地利用過程中能源消耗產生的碳排放，并采用美國橡樹嶺國家重點實驗室碳排放系數法進行計算，結果：2003—2009年，湖南省不同土地利用方式的碳排放效應差異較大：（1）從湖南省不同土地利用方式的碳排放比例來看，建設用地碳排放從3329.35萬t增加到6711.70萬t，年均增加約483.19萬t，對凈碳排放量的年均貢獻率超過84%，林地碳吸收量從763.82萬t增加到794.83萬t，林地為主要碳匯，其碳匯量年均可達769.67萬t；（2）從湖南省土地利用凈碳排放量增長趨勢來看，土地利用凈碳排放量從2729.52萬t增加至6076.57萬t，年均增加478.15萬t；（3）從湖南省土地利用單位GDP凈碳排放量與人均GDP關系來看，單位GDP碳排放強度呈下降趨勢，單位GDP碳排放量與人均GDP呈現出倒U型曲線關系，曲線拐點在人均GDP達到0.97～1.00 t萬元·人-1附近；（4）從湖南省土地利用凈碳排放量的區域差異來看，岳陽市凈碳排放量最高（853.33萬t），其次是婁底（694.17萬t）、衡陽（438.34萬t）、郴州（397.35萬t）、湘潭（334.13萬t）、長沙（310.00萬t）、常德（269.74萬t）、益陽（251.70萬t）、株洲（242.85萬t）、邵陽（73.04萬t）、吉首（21.84萬t）、張家界（13.56萬t）、懷化（12.84萬t），最小的是永州（10.74萬t），總體上呈現出從東到西、從北到南逐漸減小的趨勢；（5）從湖南省土地利用碳排放-效率的組合空間差異類型來看，婁底、岳陽、湘潭與郴州4市屬于高排放-低效率類型，永州、懷化、吉首與張家界4市屬于低排放-高效率類型，邵陽、長沙、常德、株洲、衡陽與益陽6市屬于中排放-中效率類型。結論：運用相關統計數據，測算分析了湖南省不同土地利用方式的碳排放效應及時空差異。鑒于湖南省土地利用凈碳排放量呈現逐年增加的現狀，預計短期內湖南省建設用地碳排放量及對凈碳排放的貢獻將進一步提高。湖南省土地利用單位GDP凈排放強度與人均GDP之間存在著倒U型曲線關系，短期內湖南省多數城市會表現出碳排放強度隨人均GDP增加而增加的趨勢。與湖南省人均GDP區域差異類似，湖南省凈碳排放量也呈現出從東至西，從北到南逐漸減小的趨勢。鑒于上述嚴峻現狀，建議湖南省采取 “適度限二與積極促三”的產業發展新思路，提高能效與開發清潔能源并重的能源開發利用新舉措，優化空間功能與土地利用結構的新途徑。

來源出版物：環境科學學報, 2013, 33(3): 941-949

入選年份：2015

大氣細顆粒物的污染特征及對人體健康的影響

陶燕，劉亞夢，米生權，等

摘要：目的：大氣顆粒物已成為影響大氣環境質量和人體健康的主要危害因素之一。而不同粒徑大氣顆粒物的來源和組成不盡相同，其污染特征及產生的健康效應也有所不同，為此，本文以蘭州市為研究區域，探討不同粒徑大氣顆粒物（TSP、PM10、PM2.5和PM1.0）的污染特征及其對呼吸系統疾病和心腦血管疾病入院人數的影響。方法：首先應用SPSS13.0軟件探討蘭州市2005—2007年不同粒徑大氣顆粒物污染特征及其與氣象因素的相關關系。其次，采用時間序列半參數廣義相加模型（GAM），在排除星期幾（day of week）效應，用樣條平滑函數排除長期趨勢、氣象因子等混雜因素影響的基礎上，將當天（lag0）、1 d前至7 d前PM10、PM2.5、PM1.0濃度分別引入模型，分析不同粒徑大氣顆粒物與呼吸系統疾病和心腦血管疾病日入院人次的暴露反應關系，并采用Akaike信息標準（AIC）作為評判標準，進行模型優度檢驗。最后，根據GAM模型估算出大氣顆粒物的回歸系數β，計算相對危險度（RR）及其95%的可信區間（95%CI）。結果：（1）從不同粒徑大氣顆粒物的污染特征看出，蘭州市2005—2007年期間TSP、PM10和PM2.5年際變化呈先升后降，且年均值均高于國家空氣質量二級標準（GB3095—2012），而PM1.0則呈逐年下降趨勢；季節變化TSP與PM10呈冬春明顯高于夏秋且春季較高，而PM2.5與PM1.0則呈秋冬遠高于春夏且冬季較高；年變化TSP和PM10呈典型雙峰型，PM2.5和PM1.0則呈“U”型曲線；粒徑分布表現為2.5～10 μm的顆粒物最多，10～100 μm次之，≤2.5 μm最少，分別占TSP的46.83%、39.67%和13.50%。（2）不同粒徑大氣顆粒物與氣象因素相關分析表明，除平均氣壓外，TSP和PM10與其他氣象因素均顯著相關，僅與平均風速呈正相關，與其余氣象因素均呈負相關；而PM2.5和PM1.0與各氣象因素均顯著相關，僅與平均氣壓呈正相關，與其余氣象因素呈負相關；其中，TSP與露點溫度的相關性較強，而PM10、PM2.5和PM1.0與能見度的相關性較強。（3）不同粒徑大氣顆粒物的人體健康效應表明，對于呼吸系統疾病來說，PM10、PM2.5和PM1.0在滯后4～5 d具有顯著的健康效應，PM10和PM2.5每升高10 μg·m-3，入院危險分別增加0.052%（0.035%～0.069%）和0.604%（0.441%～0.789%），PM1.0每升高10粒子數·m-3，入院危險增加0.652%（0.425%～0.850%）。而對于心腦血管疾病來說，PM10在滯后5～6 d有較為的顯著健康效應，每升高10 μg·m-3，入院危險增加0.046%（0.029%～0.063%）；而PM2.5和PM1.0均在當天和5～7 d有較為顯著的健康效應，且均在當天影響最顯著，PM2.5每升高10 μg·m-3，入院危險增加0.697%（0.464%～0.906%），PM1.0每升高10粒子數·m-3，入院危險增加0.935%（0.680%～1.190%）。結論：2005—2007年蘭州市不同粒徑大氣顆粒物具有不同程度的污染，且具有明顯的季節性，TSP和PM10春季最高，PM2.5和PM1.0則冬季最高，年變化TSP和PM10呈雙峰曲線，而PM2.5和PM1.0則為“U”型曲線。不同粒徑顆粒物健康效應不盡相同，PM10對呼吸系統疾病和心腦血管疾病入院人次的影響具有顯著滯后效應，而PM2.5和PM1.0在當天即可對呼吸系統疾病和心腦血管疾病入院人次產生影響，且PM10對呼吸系統疾病的影響較心腦血管疾病明顯，而PM2.5和PM1.0則正好相反。

來源出版物：環境科學學報, 2014, 34(3): 592-597

入選年份：2015

重慶市PM2.5濃度空間分異模擬及影響因子

吳健生，廖星，彭建，等

摘要：目的：近年來，PM2.5成為社會各界關注的熱點問題。受自然和人為因素影響，重慶是中國空氣污染較嚴重的城市之一。本文以重慶市為研究區域，嘗試理論與實踐相結合實現PM2.5濃度高空間分辨率全域覆蓋模擬，同時定量分析PM2.5濃度空間分異影響因子。方法：從重慶市環保局網上獲取17個空氣質量監測站點的PM2.5數據，利用16個監測點數據，結合土地利用數據、路網數據、DEM數據和人口數據建立土地利用回歸模型，利用剩余的1個監測點數據來對回歸映射結果進行檢驗。模型基于ARCGIS強大空間分析能力和SPSS統計分析能力討論變量和PM2.5、變量和變量之間的相關性，并得到回歸映射結果。模型的構建分為了模型變量的生成、模型函數形式與先驗假定、模型算法設置、回歸映射和模型檢驗5個部分。其中，模型算法的過程包括以下7步：（1）計算各變量與PM2.5的相關性；（2）剔除變量與PM2.5的正負相關性與先驗假定不一致的變量；（3）找出每個子類別中排序最高的變量；（4）去除每個子類別中與最高排序變量相關的變量（皮爾森檢驗r＞0.6）；（5）將剩余變量代入Stepwise線性回歸；（6）將不滿足t檢驗（α＝0.05）的變量從有效性庫中剔除；（7）重復步驟（5）和（6），直至再去掉一個變量，對模型R2貢獻率小于1%。結果：按照模型設置的變量生成方法，對監測點建立多種尺度的緩沖區，提取變量數據，最終生成了56個變量。按照土地利用回歸模型的設置，56個自變量最終有3個變量進入PM2.5的回歸方程，模型的R2逐步增大，且最終R2為0.84，模型擬合程度非常好。回歸方程中，與研究區PM2.5濃度空間分布相關性最大的因素是空氣質量監測站點500 m范圍內的農用地面積，然后依次是DEM和1000 m范圍內一級公路總長度，它們與PM2.5的皮爾森相關系數依次是：0.695，-0.599和0.394?；貧w映射檢驗結果顯示，檢驗點的誤差率為2.7%，誤差可以接受?；貧w映射結果顯示，PM2.5濃度以高值分布于主城區，沿一級公路分布趨勢明顯，與高層緊密相關，模擬結果與實際情況相符?；貧w方程如公式（1）PM2.5＝48.202+0.00004614דcropland_500”+0.003דprimary_1000”-0.024דdem”（2）式中，“cropland_500”是指監測站點500 m范圍內農用地面積，“primary_1000”是指監測站點1000 m范圍內的一級公路總長度，“dem”是指監測站點的DEM。根據回歸映射結果，檢驗點楊家坪模擬濃度是41.7 μg·m-3，同時根據監測數據計算，平均濃度是40.6 μg·m-3。誤差率＝（模擬值-監測值）/監測值×100%（3）根據公式檢驗點楊家坪誤差率為2.7%，誤差可接受。結論：（1）應用土地利用回歸模型，模擬PM2.5平均濃度，其多元線性逐步回歸方程的最后模型R2達到0.840，模型的擬合程度非常好，解釋能力非常強。（2）回歸方程中，與PM2.5平均濃度空間分布關系最大的因素是監測點的500 m范圍內的農用地面積、然后依次是DEM和1000 m范圍內一級公路總長度。（3）研究區PM2.5平均濃度分布，以高值分布于主城區中心，沿道路分布趨勢明顯，與高程緊密相關，高值分布于谷底，低值分布于山脈，模擬結果與實際情況相符。（4）檢驗點楊家坪的誤差率為2.7%，本研究基本實現了對城市尺度區域的PM2.5濃度空間分布高辨率模擬。

來源出版物：環境科學, 2015, 36(3): 759-767

入選年份：2015

北京冬季霧霾天氣下顆粒物及其化學組分的粒徑分布特征研究

常清，楊復沫，李興華，等

摘要：目的：近幾年冬季，北京市乃至華北、華東地區霧霾天氣頻發，其引發的環境效應和氣候效應已成為大氣科學與環境科學領域研究的熱點。本研究針對北京一次典型霧霾形成和消退過程中顆粒物濃度及化學組分的粒徑分布分析，探究顆粒物的來源、化學形成和增長機制。方法：利用13級低壓撞擊器（Dekati公司，芬蘭）在北航校園采集不同粒徑段的顆粒物樣品。自2013-01-07至2013-01-20連續采樣，獲得10組共130個樣品。采樣期間包括晴、多云、雨雪、霧霾四種天氣，以及二級良、三級輕度污染、四級中度污染、六級嚴重污染四種污染狀態。使用百萬分之一的微量天平對對采樣后樣品進行稱重；使用ICS-2000、ICS-1000離子色譜儀（美國Dionex公司）分別分析樣品中的陰、陽離子；采用熱光碳分析儀（Thermal/Optical Carbon Analyzer，DRI Model 2001），應用IMPROVE熱光反射法分析樣品的有機碳（OC）和元素碳（EC）。結果：（1）霧霾天的PM10、PM2.5和PM1日均濃度在4種天氣中最高，最大值分別為691.8 μg·m-3，522.2 μg·m-3和190.4 μg·m-3，平均質量濃度分別為（369.4±223.9）μg·m-3，（299.6±175.8）μg·m-3，（128±49.2）μg·m-3。PM10和PM2.5日均濃度值均遠遠高于環境空氣質量標準（GB3095-2012）中規定的日均二級濃度限值（150 μg·m-3和75 μg·m-3）。多云天和雪天的PM10質量濃度接近二級濃度最高限值，PM2.5達到三級輕度污染，多云天PM10、PM2.5和PM1濃度分別為132.4、104.6和68 μg·m-3，雪天分別為91.9、79.1、56.8 μg·m-3。晴天空氣質量為二級良，顆粒物質量濃度最低，PM10、PM2.5和PM1濃度分別為65.7、48.4和34.6 μg·m-3。只有空氣質量為二級良時，空氣質量濃度譜呈現雙模態分布，一個位于0.48～0.76 μm（積聚模態），一個位于5.13 μm（粗粒子模態）；當霧霾發生時，大氣顆粒物的質量濃度譜分布呈現單模態、細模態分布，僅在積聚模態出現峰值，并主要集中于液滴模態，峰值粒徑隨污染的加重從0.76 μm右移至1.22 μm。（2）10種水溶性離子的粒徑分布規律大致可以分為4類：（1）在0.76 μm出現單峰的細粒子主要存在于液滴模態；（2）在0.31和5.13～8.09 μm出現雙峰，并以粗模態為主的Ca2+和Mg2+；（3）在0.76和5.13 μm出現雙峰，并以細模態為主的Cl-和K+；（4）濃度較低，在0.12、0.31、0.76、1.94 μm、5.13 μm多處出現峰值的（3）OC、EC均主要富集于細粒子，分別占86%和94%，粒徑分布呈單峰結構，OC峰值出現在0.76～1.22 μm，EC峰值出現在0.48～0.76 μm，且其峰值粒徑始終小于OC；二者在不同污染下的粒徑分布及變化趨勢與PM10的質量濃度譜分布相似，峰值粒徑均隨污染加重向大粒徑方向偏移，特別是OC與霧霾發生時顆粒物質量濃度譜的峰值變化一致。結論：（1）4種天氣下PM2.5/PM10均大于74%，說明重污染主要是由細顆粒物污染引起。（2）空氣質量二級良時，顆粒物質量濃度譜分布呈雙模態。霧霾發生時，呈細模態分布，且隨污染加劇，粒徑峰值向大粒徑方向偏移。（3）和Ca2+是顆粒物中最主要的水溶性離子，除Ca2+隨污染加重質量濃度降低外，其余四種主要離子質量濃度均明顯升高。六級污染時，占水溶性離子總質量的比例增加至二級良的2倍，說明二次無機物是污染的主要來源，燃煤污染的區域輸送對重污染的發生有重要貢獻，土壤揚塵對此次污染基本沒有貢獻。（4）均呈細模態分布，主要分布在液滴模態。主要是采暖燃煤排放的SO2在高濕、穩定的氣象條件下，通過氣粒轉化及非降水的云滴或者霧滴反應不斷累積造成的。主要來自于機動車尾氣排放NOX的二次轉化。分析的粒徑分布發現，機動車尾氣對愛根核模態及凝結模態的亞微米模態（＜1 μm）貢獻突出；在積聚態粒徑段，燃煤貢獻大于機動車?？諝赓|量越好，流動源貢獻越大；污染越嚴重時，固定源貢獻越大。（5）OC、EC均主要富集于細粒子，顯單峰結構。OC粒徑分布對顆粒物的質量濃度譜分布有很大影響，是污染的主要成分。二次有機物在嚴重霧霾事件的爆發過程中發揮了重要作用。在霧霾持續期，機動車排放的EC等一次污染物貢獻增加。

來源出版物：環境科學學報, 2015, 35(2): 30-37

入選年份：2015

2050年中國能源消費的情景預測

沈鐳，劉立濤，王禮茂，等

摘要：目的：能源消費與氣候變化、經濟增長高度相關，是關系到中國社會經濟可持續發展的全局性、戰略性問題。從人均能耗與人均累計能耗視角出發，對中國能源消費峰值作出理性和科學的判斷，是積極應對全球氣候變化談判，保障中國能源安全和促進中國社會經濟可持續發展的基礎與前提。本文的目的：是參考主要發達國家社會經濟發展過程中人均能耗與人均累計能耗的變化規律，設置情景預測中國未來能源消費需求，并對各情景合理性進行探討。方法：本文假設某一時期，一國社會經濟發展到一定發展階段，其人均能耗與人均累計能耗呈相似變化規律。選取美國、德國、英國、法國、日本、韓國作為研究對象，在揭示其能源消耗總量、人均能耗、人均能耗與人均GDP、人均累計能耗變化規律的基礎上，分別設置美國情景、德國情景、英國情景、法國情景、日本情景、韓國情景以及中國基準情景，以2012年為起始年，對我國2050年前能源需求進行預測。中國人均能耗情景模擬假定某一時期一國經濟發展（人均GDP）達到一定水平需要消耗相似的人均累計能耗，且人均累計能耗和經濟發展水平相似的國家，人均能耗增速變化規律趨同。依據中國人均GDP假定、人均能耗基準情景和國別情景開展中國人均能耗情景預測。基于此，結合中國人口預測數據開展中國基準情景和國別情景下能源需求的總量預測。比較本文與國內外具有代表性的中國能源消費預測成果，對各種情景的合理性進行分析。結果：研究表明：（1）中國人均能耗、總量和人均累計消費量均有較大的發展潛力。2050年中國人均能耗分布在4.75～9.31 tce之間，上限也只相當于美國人均能耗峰值的76%；中國能源消費總量還將持續增長，2050年中國能源消費總量分布在61.91×108～121.33×108tce之間；1870—2050年，中國人均累計能耗最佳分布區間為207～294 tce，僅相當于1870—2012年美國人均累計能耗的46%、德國人均累計能耗的56%、英國人均累計能耗的57%。（2）當前大多數研究成果預測表明，中國能源消費峰值分布區間為62×108～79×108tce，而峰值年份則出現在2035—2045年，本文研究表明除美國、英國和德國情景將出現峰值外，其他情景尚無峰值；（3）中國未來能源消費預測采用法國、日本、韓國情景較為合理，美國、英國和德國情景存在低估，基準情景則偏高；（4）法國情景下中國能源消費“零”增長將于2040年左右出現；日本、韓國以及基準情景預測顯示，2035年以后中國能源消費將進入到2%左右的低速增長期。結論：（1）過早過于樂觀提出中國能源消費峰值，并不利于我國社會經濟建設和長遠目標的實現，并有可能對我們應對國際氣候變化談判戰略的制定造成負面影響，易于使中國參與全球氣候變化談判陷入被動；（2）中國人均收入不高，人均能耗、尤其是人均累計能耗低，需給社會經濟發展留有能耗空間；（3）促進能源資源的節約集約使用，積極倡導節能型生產生活方式，是促進中國社會經濟可持續發展、保障能源安全、積極應對全球氣候變化的現實需要。

來源出版物：自然資源學報, 2015, 30(3): 361-373

入選年份：2015

畜禽糞便生物處理與土地利用全過程中抗生素和重金屬抗性基因的賦存與轉歸特征研究進展

張俊亞，魏源送，陳梅雪，等

摘要：目的：我國是世界上最大的抗生素生產和使用國。據統計2013年，我國抗生素的使用量為162000噸，位居世界第一，是美國的9.05倍，英國的152.83倍，而我國DID（每1000常住人口每天的抗生素使用量）也是世界最高，是美國的近6倍。這導致了我國醫院中篩選出的致病菌約41%為耐藥菌，并且以26%的速率在增加，位居世界第二。因此，我國的抗生素抗性污染問題應該引起足夠的重視。越來越多的證據顯示抗生素和重金屬對抗生素抗性基因在環境中的分布和傳播起到了重要作用。畜禽糞便是環境中抗生素和重金屬的主要污染源之一，并已成為抗生素抗性基因重要的蓄積庫。生物處理（如厭氧發酵和好氧堆肥）和土地利用是畜禽糞便廣泛應用的處理與處置方式。在控制、治理和資源化利用畜禽養殖糞便中常規C、N、P污染物的基礎上，如何有效控制和削減抗生素與重金屬的復合污染及其抗性基因的水平傳遞，降低畜禽養殖糞便土地利用的生態風險將是本領域的技術難題和前瞻性課題。方法：本文通過文獻調研，綜述國內外抗生素抗性基因和重金屬抗性基因在畜禽糞便生物處理及土地利用全過程中的傳播、分布及控制的研究進展，并對今后的研究重點和方向提出建議和展望，以期為我國畜禽養殖糞便的風險控制和資源化利用提供借鑒。結果：盡管國內外開展了大量的研究，但已有研究主要針對畜禽糞污、生物處理或土地利用的單一過程進行，缺乏對畜禽糞污—生物處理—土地利用的全過程進行考察，導致人們對全過程的抗生素和重金屬及其抗性基因的遷移轉化缺乏全面、系統的認識，難以進行全面的風險評價，進而難以提出有效的抗性基因污染削減與控制策略。例如，在全過程中，抗生素是如何一步步降解？哪一步是抗生素降解的關鍵步驟？全過程中重金屬形態的變化規律？復合污染條件下對抗性基因在全過程中的遷移轉化有何影響？如何在全過程中有效削減和控制抗生素抗性基因？現階段不僅抗生素和重金屬抗性基因在環境中復合分布特征的研究較少，而且非常缺乏在畜禽糞便生物處理過程中的遷移轉化規律、工藝參數對抗性基因削減、復合分布形態的影響等方面的研究。結論：（1）目前人們尚未對畜禽糞便中抗生素和重金屬抗性基因的控制和削減提出明確的策略和出臺相關的規定。針對以上情況，可在以下幾個方面開展研究：針對畜禽糞便處理處置全過程中抗性基因的削減與控制，深入研究畜禽糞便生物處理及其土地利用全過程中抗生素抗性基因和重金屬抗性基因的分布特征及其影響因素，并對其進行風險評估。（2）深入研究畜禽糞便生物處理及其工藝操作參數對抗生素、重金屬、抗生素和重金屬抗性基因、微生物群落結構的影響，尤其是高溫厭氧消化和堆肥工藝。（3）加強畜禽養殖糞便風險控制與資源化利用的綜合管理研究，從源頭上削減抗生素和重金屬的使用量，進而削減和控制抗性基因污染。（4）從前端（飼料獸藥）、過程（糞污處理）和末端（土地利用）控制入手，研發適于全過程抗生素、重金屬及其抗性基因的協同控制關鍵技術，為控制和削減畜禽養殖糞污中抗生素、重金屬及其抗性基因提供科學依據和技術支撐。

來源出版物：環境科學學報, 2015, 35(4): 935-946

入選年份：2015

基于生態系統服務的生態承載力：概念、內涵與評估模型及應用

曹智，閔慶文，劉某承，等

摘要：目的：近年來，隨著科學技術和經濟快速發展，全球和區域性環境問題加劇，人類與自然的關系越來越受到學者關注。生態承載力作為研究人與自然關系的理論之一，反映自然能夠承受人類活動的干擾程度，對緩解環境問題、實現可持續發展具有指導意義。然而，生態承載力比之前出現的資源承載力、環境承載力等更為復雜和綜合，是生態學研究的難點之一。目前，生態承載力研究主要集中在評估區域可持續發展程度，脫離了承載力關注增長極限的初衷，本文從生態系統出發分析生態承載力的內涵，試圖從生態系統服務角度研究生態承載力，回歸承載力研究的增長極限問題。方法：（1）以傳統承載力研究的增長極限為指導，從生態系統服務的角度提出以“生態系統-生態系統服務-人口和經濟（承載力）”為研究主線的基于生態系統服務的生態承載力的概念及評估模型。基于生態系統服務的生態承載力（Ecosystem-Services-based Ecological Carrying Capacity，ESECC）的定義是某個區域生態系統的結構、過程及其空間格局決定的生態系統服務所能支撐的具有一定發展水平的人口數量和經濟規模。ESECC評估模型是將所有與人類密切相關的生態系統服務納入評估模型，把生態系統和人類活動看作“黑箱”，針對每種生態系統服務分別評估其承載力，并根據“短板效應”取最小值作為區域生態承載力。（2）評估模型按照人類活動與生態系統服務的關系程度及對生態系統服務的消耗特征重新劃分生態系統服務類型，ESECC的限制因素主要集中在直接消耗性服務，當前主要包括食物供給、生物原材料供給、薪柴供給、水資源供給、污水凈化、廢氣吸收、固廢容納7種服務。7種生態系統服務的估算方法采用物質量估算法。結果：結合云南省紅河縣實際情況，選取食物供給、生物原材料供給、水資源供給、污水凈化、廢氣吸收和固廢容納6種服務，利用基于生態系統服務的生態承載力評估模型對云南省紅河縣生態承載力計算結果為：基于食物供給服務的生態承載力的人口規模為251189人，經濟規模為115755.6萬元；基于生物原材料供給服務的生態承載力的人口規模為331089人，經濟規模為152575.9萬元；基于廢氣吸收服務的生態承載力的人口規模為10495054人，經濟規模為4836440.1萬元；基于污水凈化和水資源供給服務的生態承載力的人口規模為1448637人，經濟規模為667576.0萬元；基于固廢容納服務的生態承載力的人口規模為386680人，經濟規模為178193.7萬元。根據“短板效應”以基于食物供給服務的生態承載力作為紅河縣生態承載力，紅河縣生態承載力人口為251189人，經濟規模為115755.6萬元。結論：紅河縣實際人口數量為296480人，經濟規模為136627萬元，說明當前生態承載力處于超載狀況，當前的發展需從外地進口一部分食物以滿足需要。除食物供給服務外，其他生態系統服務都能滿足當前發展需求，環境狀況良好。

來源出版物：自然資源學報, 2015, 30(1): 42746

入選年份：2015