Long-term trends of fine particulate matter and chemical composition in the Pearl River Delta Economic Zone (PRDEZ), China

Abstract

Understanding the trends in PM_2.5 levels is essential for formulating clean air plans. This paper analyzes PM_2.5 data from various published sources for the years 2000 to 2010 in the Pearl River Delta Economic Zone (PRDEZ). The long-term variation in PM_2.5 mass concentration is analyzed. Results show that PM_2.5, organic carbon (OC), elemental carbon (EC), and \mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}-} show a similar trend, increasing before 2005 and then decreasing slightly. The annual average PM_2.5 concentration ranges from 49.1 μg·m⁻³ in 2000 to 64.3 μg·m⁻³ in 2010, with a peak of 84.1 μg·m⁻³ in 2004. None of these 11 years meets the new National Ambient Air Quality standard (NAAQS) for PM_2.5 (35 μg·m⁻³). Overall average concentrations of OC, EC, and \mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}-} are 13.0, 6.5, and 11.8 μg·m⁻³, respectively. \mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-} and \mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+} respectively have concentrations of 1.5 μg·m⁻³ and 2.9 μg·m⁻³ in 2000 and 6.4 μg·m⁻³ and 5.3 μg·m⁻³ in 2010, with a statistically significant average annual trend of+ 0.2 μg·m⁻³·yr⁻¹ and+ 0.1 μg·m⁻³·yr⁻¹. In certain geographic regions, OC and EC contribute most of the PM_2.5, while in other regions secondary water-soluble ions are more important. In general, OC and \mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}-} are the dominant components of PM_2.5, contributing 20.6% and 18.6%, respectively. These results provide, for the first time, a better understanding of the long-term PM_2.5 characteristics and trends, on a species-by-species basis, in the PRDEZ. The results indicate that PM_2.5 abatement needs to prioritize secondary species.

Keywords

long-term trends / fine particulate matter / chemical components / Pearl River Delta Economic Zone (PRDEZ)

References

[1] Wang K, Dickinson R E, Liang S. Clear sky visibility has decreased over land globally from 1973 to 2007. Science, 2009, 323(5920): 1468–1470

[2] Appel B R, Tokiwa Y, Hsu J, Kothny E L, Hahn E. Visibility as related to atmospheric aerosol constituents. Atmospheric Environment, 1985, 19(9): 1525–1534

[3] Murray C J L, Ezzati M, Flaxman A D, Lim S, Lozano R, Michaud C, Naghavi M, Salomon J A, Shibuya K, Vos T, Wikler D, Lopez A D. GBD 2010: design, definitions, and metrics. Lancet, 2012, 380(9859): 2063–2066

[4] CCICED Special Policy Study Executive Report, Regional air quality integrated control system research. Beijing, 2012, 1–27

[5] Liu H, Wang X M, Pang J M, He K B. Feasibility and difficulties of China’s new air quality standard compliance: PRD case of PM_2.5 and ozone from 2010 to 2025. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013, 13(23): 12013–12027

[6] Peng G, Wang X, Wu Z, Wang Z, Yang L, Zhong L, Chen D. Characteristics of particulate matter pollution in the Pearl River Delta region, China: an observational-based analysis of two monitoring sites. Journal of Environmental Monitoring, 2011, 13(7): 1927–1934

[7] Che W W, Zheng J Y, Wang S S, Zhong L J, Lau A. Assessment of motor vehicle emission control policies using Model-3/CMAQ model for the Pearl River Delta region, China. Atmospheric Environment, 2011, 45(9): 1740–1751

[8] Zhang Y H, Hu M, Zhong L J, Wiedensohler A, Liu S C, Andreae M O, Wang W, Fan S J. Regional Integrated Experiments on Air Quality over Pearl River Delta 2004 (PRIDE-PRD2004): Overview. Atmospheric Environment, 2008, 42(25): 6157–6173

[9] Zhang Y H, Hu M, Shao M, Brauers M, Chang C C, Hofzumahaus A, Holland F, Li X, Lu K, Kita K, Kondo Y, Nowak A, Poschi U, Rohrer F, Zeng L, Wiedensohler A, Wahner A. Amplified Trace Gas Removal in the Troposphere. Science, 2009, 324 (5935): 1702–1704

[10] Hua W, Chen Z M, Jie C Y, Kondo Y, Hofzumahaus A, Takegawa N, Chang C C, Lu K D, Miyazaki Y, Kita K, Wang H L, Zhang Y H, Hu M. Atmospheric hydrogen peroxide and organic hydroperoxides during PRIDE-PRD'06, China: their concentration, formation mechanism and contribution to secondary aerosols. Atmospheric Chemistry and Physics, 2008, 8(22): 6755–6773

[11] Nie W, Wang T, Wang W X, Wei X L, Liu Q. Atmospheric concentrations of particulate sulfate and nitrate in Hong Kong during 1995–2008: Impact of local emission and super-regional transport. Atmospheric Environment, 2013, 76: 43–51

[12] Yuan Z B, Yadav V, Turner J R, Louie P K K, Lau A K H. Long-term trends of ambient particulate matter emission source contributions and the accountability of control strategies in Hong Kong over 1998-2008. Atmospheric Environment, 2013, 76: 21–31

[13] Lu Q, Zheng J Y, Ye S Q, Shen X L, Yuan Z B, Yin S S. Emission trends and source characteristics of SO₂, NO_x, PM₁₀ and VOCs in the Pearl River Delta region from 2000 to 2009. Atmospheric Environment, 2013, 76: 11–20

[14] Wang X M, Wu Z Y, Liang G X. WRF/CHEM modeling of impacts of weather conditions modified by urban expansion on secondary organic aerosol formation over Pearl River Delta. Particuology, 2009a, 7(5): 384–391

[15] Wang X M, Chen F, Wu Z Y, Zhang M G, Tewari M, Guenther A, Wiedinmyer C. Impacts of weather conditions modified by urban expansion on surface ozone: Comparison between the Pearl River Delta and Yangtze River Delta regions. Advances in Atmospheric Sciences, 2009b, 26(5): 962–972

[16] Liu S, Hu M, Wu Z J, Wehner B, Wiedensohler A, Cheng Y F. Aerosol number size distribution and new particle formation at a rural/coastal site in Pearl River Delta (PRD) of China. Atmospheric Environment, 2008, 42(25): 6275–6283

[17] Turpin B J, Huntzicker J J. Identification of secondary organic aerosol episodes and quantitation of primary and secondary organic aerosol concentrations during SCAQS. Atmospheric Environment, 1995, 29(23): 3527–3544

[18] Pathak R K, Louie P K K, Chan C K. Characteristics of aerosol acidity in Hong kong. Atmospheric Environment, 2004, 38(19): 2965–2974

[19] Yao X, Chan C K, Fang M, Cadle S, Chan T, Mulawa P, He K, Ye B. The water-soluble ionic composition of PM₂.₅ in Shanghai and Beijing, China. Atmospheric Environment, 2002, 36(26): 4223–4234

[20] Vutukuru S, Dabdub D. Modeling the effects of ship emissions on coastal air quality: A case study of southern California. Atmospheric Environment, 2008, 42(16): 3751–3764

[21] Zhang L J, Zheng J Y, Yin S S, Peng K, Zhong L J. Development of non-road mobile source emission inventory for the Pearl River Delta region. Environmental Sciences, 2010, 31(4): 886–891 (in Chinese)

[22] Wang H, Fu L, Zhou Y, Du X, Ge W. Trends in vehicular emissions in China’s mega cities from 1995 to 2005. Environ Pollution, 2010, 158(2): 394–400

[23] Ying S S. Study on anthropogenical ammonia emission inventory in the Pearl River Delta and effects of source contribution to particulate matter formation. Dissertation for the Master Degree. Guangzhou: South China University of Technology, 2011 (in Chinese)

[24] Huebert B J, Wang M X, Lü W X. Atmospheric nitrate, sulphate, ammonium and calcium concentrations in China. Tellus B, 1988, 40B (4): 260–269

[25] Hu M, Wu Z J, Slanina J, Lin P, Liu S, Zeng L M. Acidic gases, ammonia and water-soluble ions in PM_2.5 at a coastal site in the Pearl River Delta, China. Atmospheric Environment, 2008, 42(25): 6310–6320

[26] Louie P K K, Ho J W K, Tsang R C W, Blake D R, Lau A K H, Yu J Z, Yuan Z B, Wang X M, Shao M, Zhong L J. VOCs and OVOCs distribution and control policy implications in Pearl River Delta region, China. Atmospheric Environment, 2013, 76: 125–135

[27] Wang T, Wei X L, Ding A J, Poon C N, Lam K S, Li Y S, Chan L Y, Anson M. Increasing surface ozone concentrations in the background atmosphere of Southern China, 1994–2007. Atmospheric Chemistry and Physics, 2009, 9(16): 6217–6227

[28] Jones A M, Harrison R M. Interpretation of particulate elemental and organic carbon concentrations at rural, urban and kerbside sites. Atmospheric Environment, 2005, 39(37): 7114–7126

[29] Street D G, Bond T C, Carmichael G R, Fernandes S D, Fu Q, He D, Klimont Z, Nelson S M, Tsai N Y, Wang M Q, Woo J H, Yarber K F.An inventory of gaseous and primary aerosol emissions in Asia in the year 2000. Journal of Geophysical Research, 2003, 108(D21): 8809

[30] Zheng J Y, Yin S S, Kang D W, Che W W, Zhong L J. Development and uncertainty analysis of a high-resolution NH₃ emissions inventory and its implications with precipitation over the Pearl River Delta region, China. Atmospheric Chemistry and Physics, 2012, 12(15): 7041–7058

[31] Yang Z P. Estimation of ammonia emission from livestock in China based on mass-flow method and regional comparison. Dissertation for the Master Degree. Beijing: Peking University, China, 2008 (in Chinese)

[32] Kean A J, Littlejohn D, Ban-weiss G A, Harley R A, Kirchstetter T W, Lunden M M. Trends in on-road vehicle emissions of ammonia. Atmospheric Environment, 2009, 43(8): 1565–1570

[33] Plessow K, Spindler G, Zimmermann F, Matschullat J. Seasonal variations and interactions of N-containing gases and particles over a coniferous forest, Saxony, Germany. Atmospheric Environment, 2005, 39(37): 6995–7007

[34] Schauer J J, Kleeman M J, Cass G R, Simoneit B R T. Measurement of emissions from air pollution sources. 5. C1-C32 organic compounds from gasoline-powered motor vehicles. Environ Sci Technol, 2002, 36(6): 1169–1180

[35] Harrison R M, Jones A M, Lawrence R G. Major component composition of PM₁₀ and PM_2.5 from roadside and urban background sites. Atmospheric Environment, 2004, 38(27): 4531–4538

Acknowledgements

This work was supported by the National Natural Science Foundation of Guangdong Province as key project (S201202 0011044) and Public Sector (Meteorological) Scientific Research Project (GYHY201406031). It was also partly supported by the Jiangsu Collaborative Innovation Center for Climate Change and Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education in China.

Appendix A1 is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/ 10.1007/s11783-014-0728-z and is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg