王跃思数据详解:为何北京治霾“力气下很大,但收效不显著”

王跃思/知识分子

2016-08-14 11:29 来源:澎湃新闻

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【编者按】
王跃思,中科院大气物理所研究员,博士生导师,国家杰出青年基金和政府特殊津贴获得者,主要从事大气化学与环境研究工作。
在本文中,王跃思详解了北京市大气污染治理现状及面临的机遇与挑战。他认为,未来两年必须下决心采取超常规措施破解北京大气污染防治中的若干难点问题,才能突破大气污染治理瓶颈,达到预定目标。
“大气十条”实施以来,全国城市PM2.5浓度呈下降趋势,预期能够实现国家规定的2017年空气质量改善目标。若按现有力度措施,北京市2017年PM2.5浓度达到年均值60μg/m3左右的目标难以实现,同时臭氧(O3)污染迅速抬头。未来两年必须下决心采取超常规措施破解北京大气污染防治中的若干难点问题,才能突破大气污染治理瓶颈,达到预定目标。
据中科院站点长期观测,北京市近12年PM2.5的年平均值为92.7μg/m3, 2006年PM2.5年均值最高,达到110.7μg/m3,此后PM2.5浓度逐年下降,平均每年下降3.36μg/m3。综合环保部和北京市2013年以来公布的数据,以2015年北京市PM2.5年均值80.6 μg/m3为基准,如按目前下降速度,预计北京市在 2021年以后才能达到60μg/m3左右的年均值。
最近3年,即2013-2015年,全国74个城市PM2.5浓度总体呈下降趋势,京津冀、长三角、珠三角和成渝地区PM2.5浓度分别下降了27.4%、20.9%、 27.7%和27.7%。北京市从89.5μg/m3降至80.6μg/m3,仅下降9.9%。
2013-2015年北京PM2.5年均浓度和O3日最大8小时平均浓度第90百分位数
2015年北京PM2.5年均浓度为80.6μg/m3,为全国31个省自治区直辖市年均值之首位(与河南省80.1μg/m3相当),全国338个地级及以上城市有24个城市年均值高于北京(除去受自然沙尘影响严重的新疆和田、喀什和克城),而且均分布在北京偏南区域的河北、河南和山东3省,其中与北京西南部接壤的河北保定市为京津冀及周边地区最高城市,2015 年PM2.5年均值为107μg/m3,高于北京33%;省会城市石家庄、郑州和济南2015年PM2.5年均值分别为89μg/m3、96μg/m3和90μg/m3,分别高于北京10%、19%和12%。与北京东南部接壤的河北廊坊PM2.5年均值也比北京高5%以上。北京周边区域高浓度的细颗粒物对北京重霾污染形成具有重要影响,但这一影响一直在被低估。
从观测数据分析,北京市大气PM2.5下降缓慢的原因有两个。
(1)冬季PM2.5污染未得到有效控制。近3年冬季浓度一直高于其他3个季节平均浓度的20% 左右,并且近10年来一直呈上升趋势,平均每年上升1.3μg/m3
(2)PM2.5导致的重霾污染天数减少缓慢。2015年,北京市共发生重度、严重污染31天次、15天次,与2014的32天次、15天次基本持平;比2013年 45 天次、13天次相比重污染减少了14天,但严重污染天数增加了2天。2015 年,全国重度及以上污染天数超过30天的有13个城市,北京位居7位,而其他6个城市也在北京偏南区域,包括保定、廊坊、石家庄、郑州和济南等。
北京2015年共发生46天次重度及严重污染,其中冬季22天、秋季13天、春季8天和夏季1天,分别占50.0%、29.5%、18.2% 和2.3%。与全国大多数城市相比有所不同的是,北京不仅冬季PM2.5污染严重,而且秋季污染也十分严重,“秋高气爽”和“金秋十月”已经成为北京的回忆。造成北京秋季重霾锁城的重要客观原因之一是风速减小。2006—2015年北京全年风速波动下降显著,平均每年下降0.03m/s,其中北风风速平均每年下降0.028 m/s;风频统计显示大于2m/s的南风和北风频次显著下降,而弱风(风速≤ 2m/s)频次显著增加。仅秋季,近10年平均风速每年下降0.028m/s,主要缘于弱风(≤2 m/s)频次从70%上升至79%,并且弱风中南风频次显著增加,北风频次显著减小。
而主观原因除了整个区域巨大的工业排放基数外,北京偏南区域秋收换播季节秸秆燃烧起到了推波助澜的作用。对近年来北京及京津冀秋季重霾污染形成过程的机理研究表明,高架源的高排高放和大面积的秸秆燃烧造成大量细颗粒物的排放,在弱偏南风或静风的气象条件下,污染水平扩散微弱,弥漫在大气较高层中的原始排放颗粒物造成对阳光的散射和吸收,一方面耗散辐射能量造成上部空气升温,另一方面阻挡了部分太阳辐射到达地面造成地面温度下降,更易形成稳定的大气边界层逆温结构。这个逆温层就像一个“大罩子”罩住了京津冀城市群,造成局地污染排放难以对流扩散,并且“大罩子”中的各种化学物质相互反应,生成了大量新的粒子——“二次颗粒物”。不难想象,此时哪里的地面污染源排放越多,哪里的空气污染就会越加严重。北京的机动车排放污染最多,因此重度污染红色预警时停驶部分机动车能在一定程度上缓解大气污染的严重程度。但这一秋季重污染形成的始作俑者却是区域高架源和秸秆燃烧。作为应急措施可以停驶部分机动车辆,但从根本上解决污染问题必须从区域联防联控着手,消减大型点源和面源污染的原始排放量。
卫星资料显示,2013-2015 年,全国NO2和SO2垂直柱浓度年均值总体呈下降趋势,与地面监测数据分析结果一致,气溶胶光学厚度(AOD)呈现波动变化。北京市NO2和 SO2柱总量分别下降15%和48%。卫星观测的北京大气气溶胶光学厚度(AOD)2014年比2013年增加9%,2015年又降至2013 年水平。地面遥测AOD变化与卫星观测值总体趋势一致,但绝对值高于卫星观测值,其原因是由于探测技术的局限性,卫星观测AOD结果有效值的平均低于实际的20%—30%,有些地区的观测偏差更大(如四川盆地)。卫星AOD数据仅能作为地面观测数据趋势判断的一个参考。
北京市PM2.5治理初见成效,但2017年难以达到60μg/m3,有当初对治理进程过于乐观的估计,也有治理过程中难以预料的难题,尤其是区域协同治理的问题,其对北京重霾污染过程形成的作用一直在被低估。例如,不能仅从近地面 PM2.5的源解析结果判断北京周边高架工业源和生物质燃烧源对北京重霾形成的作用大小,其对整个区域大气边界层的影响和对大气污染物容量的降低作用一直在被低估,很可能影响到整个京津冀及周边区域大气污染联合防控措施的制定和效果的评估,也有可能是北京“力气下的很大,但收效不显著”的重要原因。
全国城市大气 O3问题日渐显现。2015 年,全国74个重点城市O3日最大8小时平均浓度第90百分位数在95-203μg/m3,平均为150 μg/m3,较2013年上升7.9%;超标城市由2013年的17个升至2015年的28个,超标城市的比例达37.8%,升高14.8个百分点。与2014年相比,2015年161个城市O3日最大 8 小时平均浓度第90百分位数上升了3.6%,日均值超标天数上升了0.8个百分点,超标城市增加了9个。
北京大气O3问题更为严峻。2015年,北京大气 O3日最大8小时平均浓度第90百分位数为203μg/m3 ,较2014 年、2013年的200μg/m3、188 μg/m3分别上升1.5%和8.0%;以O3 的8小时日最大浓度为指标,2013-2015年北京大气O3的8小时日最大浓度分别为267μg/m3、311μg/m3和283μg/m3。近3年北京大气O3浓度水平高、增长速度快,并且以O3为首要污染物污染天数也持续增加。2015 年,北京以O3为首要污染物污染天数为56天,较2014 年、 2013 年的50天和43天分别上升12%和30%;同样,2015年北京O3超标天数为69天,较2014 年的59天上升17%。北京大气颗粒物污染严重,但相对周边城市浓度水平并不是最高;O3污染则不同,不但夏季超标天数多,而且浓度水平在京津冀乃至全国均处最高水平。2013-2015年,无论是O3日最大8 小时平均浓度第90百分位数还是O3的8小时日最大浓度,北京均是京津冀区域内浓度水平最高的城市,分别较区域平均浓度水平高23%和16%,相应地,北京也是京津冀地区以O3为首要污染物污染天数和O3超标天数最多的城市,分别较区域平均天数高73%和102%。与国内其他城市相比,北京大气 O3浓度除2013年低于济南的190μg/m3外,2014年和2015年北京大气O3日最大8小时平均浓度第90百分位数均为全国74个重点城市之最。
北京大气PM2.5浓度呈现冬秋季节“高”,夏春季节低;而O3在“春末-夏季-秋初”都会出现超标的“高”值。“双高”污染的反季节出现,造成全市居民全年均生活在较差质量的空气环境中。2016年上半年,北京入夏以来O3污染高值频现,将北京市空气质量拖入了全国地级及以上城市(338个)空气质量排名的后10名。
2013-2015年PM2.5月平均浓度和O3日最大8小时平均浓度第90百分位数
中科院大气物理所2006—2015年长期定点观测显示,北京大气O3前体物之一,挥发性有机物(VOCs)总浓度(TVOCs)最近10年平均为31.4ppbv,其中烷烃所占比例(39%)最高,其次是芳香烃(26%)、烯烃(13%)及卤代烃等(24%);TVOCs呈波动缓慢下降趋势,平均每年下降 0.46 ppbv,烷烃下降明显,但活性更强的芳香烃和烯烃呈上升趋势。最近3年,即2013-2015年,3类 VOC均呈显著上升趋势,与北京大气O3总体上升趋势具有一致性。
北京夏季大气O3污染治理面临极大的挑战,同时也为北京市大气污染全方位治理带来了机遇。O3浓度持续升高的原因首先在于O3前体物未能得到合理控制,此外颗粒物浓度下降,大气紫外辐射恢复增强,O3产生率也会有所提高。解决的途径仍然是源头减排,减少O3前体物向大气中排放。目前多数研究结果表明,我国城市区域的O3浓度水平均为VOCs所控制,要极大消减VOCs才能遏制不断增长的O3污染,同时要等比消减NOx排放,才能最终使空气O3浓度达标。目前我国O3标准与PM2.5采用的是WHO(世界卫生组织)不同阶段的标准,O3标准已经与发达国家标准基本接轨,但 PM2.5采用的仅是WHO第一阶段目标值,如果采用WHO指导值作为标准,则北京在O3作为首要污染物的超标天,PM2.5往往也超标。因此,要正确理解目前北京夏季O3超标现象,O3作为首要污染物超标,并不意味着PM2.5治理有了显著的效果、不用再治理了,而是治理进入了更加复杂的僵持阶段,必须将单一治理大气污染目标调整为多目标协同治理。因此,现阶段在努力控制PM2.5使其达到2017年阶段性目标(60μg/m3左右)的同时,要协同控制日渐增长的大气O3浓度。VOC中活性强的物质对O3产生有更强的作用,但活性低的物质可能直接导致 PM2.5中有机碳(OC)浓度的增加,因此要全面源头减排; NOx的消减可能造成某些区域O3的阶段性浓度升高,但其对大气中硝酸及硝酸盐的增加乃至二次有机气溶胶(SOA)的形成,均具有极其重要的作用。因此,建议北京大气污染的控制策略,应优先减排NOx,不能应其对O3暂时性的增加影响而放松对NOx的严格控制。对北京及我国O3和PM2.5协同控制的科学研究势在必行。在治理PM2.5的同时,兼顾O3的治理,双管齐下,寻找突破口,循序渐进,科学综合治理,才可能最终有效控制空气污染。
2015年,北京市大气SO2 、NO2和CO及PM10浓度均已达到国家制定的2017年目标。但大气中VOCs、NH3和元素碳(EC)浓度偏高,变化趋势不稳定,将成为进一步治理的挑战。预计2030年前后,当我国碳排放出现拐点时,VOCs和EC会出现全面持续下降;而NH3的问题,不仅取决于农牧业的发展和管理,也涉及到越来越多的工业 NH3排放。氨中N同位素研究表明,北京在空气质量优良的天气条件下,大气中NH3主要来自于周边农牧业排放的传输,而在重霾污染积累加强过程中,NH3的主要来源则为机动车尾气和工业燃煤脱硝过程中的氨逃逸。
北京市空气污染治理工作一直走在全国的前列,工作扎实有效不反弹,但“双高”污染给北京空气污染治理带来了前所未有的挑战,同时也带来了极大的机遇,如何突破治理瓶颈实现绿色北京的梦想,是对政府部门领导、全市环保工作者和全市人民的考验。率先行动,成功治理,将给我国其他城市治理大气污染提供经验和样板。
(1)结合冬季取暖燃烧过程管理,最大限度地消减冬季重霾污染天数。 治理散烧煤,有条件地煤改电和有条件地限制机动车出行数量,仍是北京降低冬季重霾污染程度的最有效措施;加强对大气NH3的来源研究,尤其是工业脱硝NH3逃逸和机动车尾气排放,研究有效的控制技术方法。
(2)优先控制NOx的同时,全面控制VOCs排放量。 重点排放源包括机动车、加油站、工业喷涂、石化产业、印刷和有机溶剂使用等。实现VOCs的业务化观测,是减少夏季O3超标的关键。
(3)调控高架点源、高强度面源。 研究区域高架点源(燃煤烟囱)和高强度面源(秸秆燃烧)排放的污染物对整个区域大气边界层结构的影响,特别是对北京大气混合层高度和大气容量的影响,提前预测预警,调控收获季节秸秆燃烧时间和燃烧量,加大秸秆的利用率,降低北京及区域秋季重霾污染爆发频次。
(4)治理扬尘,保护植被。 坚持不懈地治理道路扬尘、建筑工地扬尘和工业粉尘,重点保护北京西北广大区域水源涵养地的植被,并杜绝任何污染企业进驻,是保障北京地区春季空气污染逐步改善的重要方面。
(5)精细规划,科学评估。 加强科学研究的投入,对每一项环保措施进行效益评估,特别对预警措施的有效性进行科学评估,探索精确预报预警的可行性,在达到污染控制预期目标的同时,应尽可能地减少经济损失,尽可能地减少对社会正常秩序的扰动。需要政府部门更加精细化的工作。
(6)加强科普宣传,提高公众环保意识,保障环保工作者的权益。 鼓励环保科学工作者定期走进社区、学校和企事业单位进行环保科普知识讲解,宣传环保政策,传授简单易行的家庭环保技术方法。我国大气污染的治理进程、空气质量的改进速度,在某种程度上取决于公众公共环保意识的成长速度,取决于全民文化素养的全面提高。
本文原载《中科院院刊》(微信号:CASbulletin),《知识分子》获授权刊载。
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关键词 >> 颗粒物 臭氧 秸秆燃烧

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