專家組已基本弄清京津冀及周邊地區大氣重污染成因

2019/5/9 0 317

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2017年4月以來,我國開展了大氣重污染成因與治理攻關項目,匯集國內2000多名環境科學、大氣科學、氣象科學以及行業治理等方面的優秀科學家和一線科研工作者,建成了天地空綜合立體觀測網,通過外場觀測、實驗室分析和數值模擬等綜合研究手段,集中開展聯合攻關,目前已基本弄清了京津冀及周邊地區大氣重污染的成因,實現了對重污染過程的精細化定量化描述。

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硝酸鹽超過硫酸鹽成為京津冀大氣細顆粒物(PM2.5)中最主要的二次無機組分

2017–2018年采暖季期間(11月15日-次年3月15日),京津冀及周邊地區大氣污染傳輸通道城市(“2+26”城市)PM2.5的平均濃度為85微克/立方米,其中有機物、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽等主要組分的占比分別為28%、19%、12%和11%,揭示京津冀大氣PM2.5化學特征發生了顯著變化,2018年11月–2019年2月主要站點在線測量的結果再次印證了這一變化規律。

觀測期間的數據分析表明,京津冀硝酸鹽區域性污染十分突出,硝酸鹽絕對濃度和占比大幅度超過硫酸鹽,成為PM2.5中最主要的二次無機組分,其濃度快速上升已成為PM2.5爆發式增長的關鍵因素之一。究其原因,主要是京津冀及周邊地區散煤“雙代”、燃煤鍋爐和“散亂污”企業綜合整治措施成效顯著,使得硫酸鹽濃度及占比大幅降低,同時也凸顯出強化氮氧化物(NOx)控制的重要性和緊迫性。

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遠超環境承載力的污染排放強度是京津冀及周邊地區大氣重污染形成的主因

京津冀及周邊地區偏重的產業結構、以煤為主的能源結構、以公路為主的交通結構,導致單位國土面積煤炭消費量是全國平均水平的4倍,鋼鐵、焦炭、玻璃、原料藥等產量均占全國40%以上,大宗物料80%依靠柴油貨車運輸。

從時間分布上看,受采暖影響,秋冬季一次PM2.5和有機碳、黑碳等組分的月均排放水平是非采暖季的1.5–4倍,而保定、濮陽、太原、陽泉、長治、晉城等散煤用量大的城市,上述污染物在秋冬季的排放水平更高。

從空間分布上看,區域內污染物排放總量大的城市為唐山、天津、石家莊、邯鄲、淄博,排放強度大的城市為唐山、淄博、濮陽、安陽、濱州。從行業分布來看,鋼鐵及焦化行業主要分布在唐山和晉冀魯豫交界地區,玻璃行業集中在邢臺、淄博等地,石化化工主要集中在淄博、天津、滄州、石家莊等地。在“2+26”城市PM2.5年均濃度達標(35微克/立方米)約束下,一次PM2.5、NOx、VOCs及NH3等污染物排放量仍遠超環境容量。

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不利氣象條件造成污染快速累積是京津冀及周邊地區大氣重污染形成的誘因

京津冀及周邊地區位于太行山東側“背風坡”和燕山南側的半封閉地形中,削弱了該地區秋冬季盛行西北季風的作用,同時受中層暖蓋的影響,“弱風區”特征明顯,污染物擴散條件較差。在當前高強度的污染物排放背景下,一旦出現近地面風速小于2米/秒、相對濕度高于60%、邊界層高度低于500米、逆溫等不利氣象條件,極容易產生本地積累型污染。

京津冀及周邊地區各城市污染程度受到整個區域的傳輸影響,全年平均貢獻約為20%–30%,重污染期間的貢獻還會再提升約15%–20%。

對北京市而言,區域傳輸貢獻最高可達60%–70%,其中西南通道(太行山前輸送帶)、東南通道(濟南-滄州-天津輸送帶)和偏東通道(燕山前輸送帶)影響較大。西南通道的定量分析顯示,在典型污染過程的起始階段,向北京的輸送通量可達500–800微克/(平方米秒),污染形成階段的輸送通量在100–200微克/(平方米秒)左右。

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大氣氧化驅動的二次轉化是京津冀大氣污染積累過程中爆發式增長的動力

PM2.5二次轉化微觀機理十分復雜,硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽和二次有機物等組分快速生成助推了PM2.5爆發式增長,不同時段、不同城市和不同氣象條件下,各二次組分增長的貢獻不同。

硝酸鹽主要受NOx的氣相氧化驅動,日間羥基自由基氧化貢獻約70%–90%,夜間硝基自由基氧化貢獻約10%–30%。硫酸鹽主要通過二氧化硫(SO2)的多相化學反應生成,其生成速率與顆粒物的酸堿度密切相關,在偏酸性條件下,過渡金屬催化氧化占90%以上;在近中性條件下,過氧化氫(H2O2)和二氧化氮(NO2)的氧化各占50%。

銨鹽主要通過氨(NH3)與含硫、含氮等酸性物質的中和反應生成;京津冀及周邊地區大氣中NH3的濃度顯著高于美國等發達國家和地區,處于富氨狀態,近年來區域內SO2的濃度不斷下降,大氣中NH3的濃度不降反升,更加有利于硝酸鹽的形成。

PM2.5中的有機物來自一次排放和揮發性有機物(VOCs)的二次轉化,其中二次有機顆粒物在PM2.5有機物中約占30%–50%,高濕條件下其生成速率顯著升高。

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京津冀及周邊地區大氣重污染的成因是污染物本地積累、區域傳輸和二次轉化綜合作用的結果

2017年10月至2019年3月初的秋冬季期間,京津冀及周邊地區共出現23次區域重污染過程。對23次污染過程的精細化定量化分析表明,每次污染過程都可以解釋為污染物本地積累、區域傳輸和二次轉化綜合作用的結果。

以2019年2月19日–3月2日期間的污染過程為例,受高空緯向環流控制,影響區域的冷空氣勢力總體偏弱;同時受西北太平洋反氣旋性環流影響,華北地區的偏南風有利于低緯度水汽向區域的輸送,導致區域近地面風速小于2米/秒(較同期偏小0.5米/秒以上),且存在逆溫,造成污染局地積累在約500米高度的邊界層內。

晉冀魯豫交界地區因高污染、高能耗企業密集,排放強度大,在污染前期往往成為區域重污染的“熱點”,如本次過程污染最重的濮陽市和安陽市,PM2.5濃度在4–8小時從優良狀態躍升至重度污染水平,同時PM2.5中鉀離子、鎂離子、氯離子、硫酸根離子和硝酸根離子的濃度出現數倍至上百倍增長,反映元宵節期間煙花爆竹燃放和節后大面積復工等多種因素導致高強度的排放,遇不利氣象條件時快速積累,從而顯著加重污染程度。

污染中期,在偏南風的持續作用下,污染物向北京等京津冀中北部地區的輸送特征明顯;空氣質量模式模擬結果表明,北京市在3月1–2日出現重度污染期間,本地積累對PM2.5的貢獻約40%,區域傳輸的貢獻約60%,污染物沿西南和東南通道的傳輸作用最大,各貢獻約20%-30%。

同時,北京等典型城市PM2.5中硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽等二次無機組分的濃度快速上升,占比總和超過60%,表明NOx、SO2、NH3等氣態污染物在高濕條件下快速發生二次轉化,推高區域PM2.5濃度,加重了污染程度,部分城市多日持續重度污染,個別城市甚至達到日均嚴重污染。

(來源:國家大氣污染防治攻關聯合中心)

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