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      發布者:桂詩源 發布時間:2020-04-24 浏覽者:489

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      “如何根治北方霧霾”


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      技術中心研發總監 | 許昌日

      本文于2020年4月20日被《中國能源報》刊發



      近年來,随着經濟快速發展,人口迅速膨脹,城市化規模不斷擴大,環境污染現象日益嚴重。但同時,人們對以環境質量為首的生活品質要求逐漸提高,使得經濟和環境可持續發展之間的矛盾日益增長。其中,以霧霾為首的大氣污染問題尤為受到關注。



      主要污染物是PM2.5和O₃ 


      統計顯示,北京霧霾主要出現在1-3月、7月及10-12月。從季節上看,春、秋及冬季霧霾發生次數遠高于夏季,冬季霧霾發生次數最多。


      分析2014-2017年大氣污染物排放濃度均值的月度變化趨勢,發現大氣PM2.5、PM10、SO2、NO₂、CO的平均濃度與月度霧霾天數的趨勢相吻合,其平均濃度都是5月-9月較低,10月-次年4月較高;O₃的趨勢剛好相反。
          同時,2014-2017年,與霧霾相關的首要污染物,主要集中在PM2.5、PM10和O₃,其中6-8月首要污染物PM2.5和O₃各占約50%,而其他月份中PM2.5幾乎獨占鳌頭。這表明,夏季O₃對霧霾的影響顯著,PM2.5在一年四季都對霧霾産生影響。 


      研究表明,北京地區PM2.5主要由元素碳、有機碳、硫酸鹽、硝酸鹽、铵鹽等組成。霧霾越嚴重,PM2.5中的硫酸鹽、硝酸鹽、铵鹽比例越高,元素碳、有機碳比例則越低。機動車、散煤燃燒、居民面源及生物質燃燒等污染源直接排放的一次有機碳,對華北地區灰霾的早期形成具有重要貢獻,因為一次排放的有機碳可以為SO2和NOx的非均相化學反應提供反應界面,促進了硫酸鹽和硝酸鹽大量生成,是重污染期間PM2.5爆發性增長的主要原因。


      除了一次有機碳,污染源排放的VOCs在大氣中經光化學反應生成的二次有機碳也影響着北京大氣環境。二次有機碳更容易在粒徑較小的PM1中積聚,而北京的PM1占PM2.5的質量濃度比例達到了60%-74%。O₃與霧霾的相互作用中,主流觀點是臭氧的強氧化性導緻大氣中的SO2、NO₂、VOCs被氧化并逐漸凝結成顆粒物,從而增加PM2.5濃度,即間接加重PM2.5的形成。


      關于O₃,氣象因素(高溫、低濕、低壓)和高前體物體積濃度(CO、VOCs和NOx)都影響這着O₃的形成。北京地區夏季副熱帶高壓系統或均壓場下的弱高壓系統均有利于O₃的本地光化學反應生成, 且不利于污染物的擴散。北京城區夏季O₃ 生成處于VOCs控制區, 機動車尾氣、化石燃料和生物質燃燒、溶劑使用等人為排放的VOCs 對O₃體積濃度的影響最大。


      繼續保持污染物減排力度 


      大氣污染物的環境容量和污染物實際排放量,也可從另一方面說明污染物與霧霾的關系。


      大氣環境容量是指一個區域在某種環境目标(如空氣質量達标)約束下的大氣污染物最大允許排放量,即在一定的氣象條件及一定的污染源排放條件下,某一特定區域在滿足該區域環境空氣環境質量目标的前提下,單位時間所能允許的各類污染源向大氣中排放的各類污染物總量。

      影響大氣環境容量的因素,除了大氣污染物的環境化學特征外,還有區域環境目标、區域地理和氣象特征等。2017年北京市煙塵、SO2、NOx的排放量分别為2.04萬t、2.01萬t、14.45萬t,按煙塵中PM2.5的比例87%-90%來估算,2017年PM2.5的排放量約達到1.77-1.84萬t,除了SO2以外,PM2.5和NOx排放量仍然接近或超過一些學者指出的北京市大氣污染物環境容量(見圖1)。

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      ▲圖1. 2017年北京市大氣污染物排放量與大氣環境容量的比較


      氣象因素影響較大 


      如果說,大氣污染物是引發霧霾的内因,氣象條件則是引發霧霾的外因。


      “數據顯示,當北京近地面平均風速超過4.5m/s時,即約等于3-4級風時,幾乎不出現霧霾天氣;當平均風速逐漸降低時,霧霾天出現的頻次也随之增高;當平均風速降低到1.5m/s以下,即1級風以下時,霧霾天的比例達到60%以上。
        
      同樣,風向也是影響霧霾的影響因素。


      2014-2017年,當北京最大風速的風向為SSW(南西南風)和SW(西南風)時,霧霾天數接近100天,霧霾天出現頻次最高,接下來是ENE(東北東風)風向時出現約50個霧霾天。


      這與北京周邊的高強度排放地區都位于南部和東部地區的現狀也十分吻合。


      根據北京及周邊地理位置可知,如果周邊産生的污染物擴散到北京而影響霧霾的話,這些污染物很可能來源于石家莊—保定沿線和唐山一帶地區。


      2014-2017年,同時間段石家莊、保定、唐山等地的大氣中各污染物濃度幾乎都要高于北京的對應污染物濃度,表明北京與周邊地區的大氣中各污染物濃度之間存在污染物濃度差,具備了外來污染物的輸入條件。


       疫情期間霧霾主要是外因所緻 


      新冠肺炎疫情期間,霧霾現象似乎仍沒有得到改善,因此出現污染物減排是否真正管用、污染物減排方向是否跑偏等質疑聲。對此,筆者根據近幾年的大氣污染物濃度、空氣質量、近地面風速和最大風速的風向等進行對比分析。


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      ▲圖2. 2014-2020年,北京市1月、2月大氣污染物平均濃度


      從圖2可以看出,過去3年北京市1-2月的大氣污染物中PM2.5、PM10、SO2、CO等濃度相比2017年及以前有較大幅度的減少,NO₂濃度也有所降低,隻有O₃濃度有一定增加。


      結合空氣質量變化特征,發現北京近幾年1、2月份的空氣質量确實逐漸好轉,空氣質量從輕度污染到嚴重污染的總天數顯著降低,1月和2月的平均空氣污染天數從2014年的18天/月下降到近3年的7天/月。


      但另一方面也可以看出,從2018年開始,近三年1、2月份北京的空氣質量似乎并沒有得到進一步改善。


      筆者統計了過去7年1、2月份北京受上述5個風向影響的天數和同時間的北京空氣質量指數。


      過去7年,從5個風向刮來的風越多,北京的空氣質量就越差。今年1、2月份,北京受到西南風和南風的影響較多,來自周邊地區的污染物遷移對北京霧霾起到了重要作用。北京周邊地區密集分布着鋼鐵、電力等重工業工廠,由于跟國計民生息息相關,春節放假和新冠肺炎疫情期間大多數工廠還是照常運行,繼續排放污染物。


      除了風向,過去7年北京1、2月份近地面平均風速基本維持在1-2級範圍,各年間風速方面沒有顯著性差異,隻是今年和去年兩年風速比以往更小,更不利于污染物擴散。


      據此推測,

      2016年以前北京受上述5個風向的影響并未多于2017-2020年間,然而空氣質量更差,表明彼時北京大氣污染物排放本身較多,霧霾主要由内因形成。

      2017年後空氣質量明顯好轉,但霧霾并沒有完全消失,是因為霧霾受外因的影響逐漸被放大,北京霧霾的發生已由過去的内因主導過渡到了目前的外因主導,而不是污染物減排效果甚微或污染物減排方向跑偏。


      對北京霧霾相關因素的分析表明,霧霾形成是氣象、污染物等多種因素綜合作用的結果,而且各因素之間的相互作用錯綜複雜。


      治理霧霾離不開污染物減排,過去重污染天數的減少證明了前一段污染物治理的成效,但目前幾項大氣污染物指标仍然高于環境容量,表明污染物減排仍要堅持不懈地走下去。


      與此同時,考慮到北京氣象條件的變化,要堅持北京周邊地區的污染物協同治理。此外,通過分析大氣污染物的來源,除繼續加大對PM2.5、SO2、NOx、O₃的治理以外,還需要加強對PM1、VOCs等相關污染物的排放控制。




      作者 | 技術中心研發總監 許昌日

      編輯丨品牌公關部


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