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    PM2.5從哪兒來?里面究竟藏著哪些污染物?
    2019-03-29

    重污染天氣中首要污染物大多是PM2.5。PM2.5究竟從何而來,治污這么多年后其主要的成分有沒有變化?重污染期間,區域之間又是如何相互影響的?


    國家大氣污染防治攻關聯合中心專家最近分析指出,空氣污染,排放是“病根”,天氣是誘因,復雜的顆粒物二次轉化是催化劑。

    大的“病情”搞明白了,要想對癥下藥,還得弄清具體的“病因”。


    重污染天氣中首要污染物大多是PM2.5。PM2.5究竟從何而來,治污這么多年后其主要的成分有沒有變化?重污染期間,區域之間又是如何相互影響的?近日,藍藍天工作室專訪了國家大氣污染防治攻關聯合中心專家組,為大家答疑釋惑。

    機動車尾氣等污染“貢獻”加大,農業污染給大氣添亂

    這些年,京津冀及周邊地區大氣污染防治不斷加力,PM2.5的化學特征發生了顯著變化。

    攻關研究表明,2017年,京津冀及周邊地區大氣污染傳輸通道“2+26”城市二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、可吸入顆粒物(PM10)、揮發性有機物、氨和一氧化碳等污染物排放量,同比下降6%—31%,其中,二氧化硫排放降幅最大,氨排放降幅最小。

    2017—2018年采暖季期間,京津冀及周邊地區“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%。2018年11月—今年2月主要監測站點在線測量的結果,再次印證了這一變化規律。

    ——有機物占比正在下降。

    PM2.5組分“黑名單”中,排在第一位的是有機物。目前,在測的有機物達100多種,主要來自散煤燃燒、機動車尾氣等一次排放和揮發性有機物的二次轉化,隨著散煤燃燒排放等得到有效治理,有機物的占比正在下降。

    ——硫酸鹽濃度及占比大幅降低。

    作為大氣主要污染物之一,二氧化硫是導致酸雨的重要因素,也曾是二次生成PM2.5的最主要來源。很多地區一直把控制二氧化硫排放總量作為大氣污染治理的頭等工作。攻關專家認為,京津冀及周邊地區散煤“雙替代”、燃煤鍋爐和“散亂污”企業綜合整治成效顯著,使得硫酸鹽濃度及占比大幅降低。

    ——硝酸鹽污染十分突出。

    觀測期間的數據分析顯示,京津冀及周邊地區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。這表明,加強氮氧化物的控制非常重要、非常緊迫。

    中國環境科學研究院研究員薛志鋼告訴記者,“2+26”城市氮氧化物最重要的來源是道路移動源,也就是機動車,占比32%;非道路移動源即工程機械、農業機械、船舶和飛機等的排放占比17%;電力和供熱行業排放占比17%;其他工業排放占20%。抓住重點領域、推進氮氧化物減排成為當務之急。


    ——銨鹽排放須引起重視。

    PM2.5組分“黑名單”中銨鹽排在第四位。聯合攻關專家、中國農業大學教授劉學軍表示,銨鹽主要由氨氣通過二次轉化而來,其來源主要是農業氨排放,占比高達85%,其中畜禽養殖占57%,氮肥使用占20%。從時間分布上看,秋冬季氨排放量低,夏季排放量大。另外,秸稈焚燒等生物質燃燒、垃圾填埋場、污水處理廠等也有氨排放。

    專家探索性地將“2+26”城市分為6種類型

    各個城市產業、能源、交通結構不同,城市化水平及消費水平不同,污染呈現不同特點。中國工程院院士、清華大學環境學院院長賀克斌介紹,根據城市污染源結構特征,可探索性地將“2+26”城市分為6種類型:

    天津、石家莊、唐山、邯鄲、滄州、濟南、淄博、安陽等城市為綜合工業污染類;北京、鄭州等城市為偏機動車及溶劑類(裝修涂料、干洗劑、發膠、染發劑等);邢臺、太原、長治、陽泉、晉城、聊城、濱州等城市為偏煤焦鐵類;廊坊、衡水、濟寧、德州、新鄉等城市為偏溶劑使用類;保定、鶴壁、焦作等城市為偏建材污染類;菏澤、濮陽、開封等城市為偏農業及石化化工類。

    各城市之間污染傳輸互相影響,全年平均“貢獻”約20%—30%

    兩年多前,一張在北京市西紅門拍攝的大氣污染團從南邊滾滾來襲的照片,在很多人的微信朋友圈中刷屏,至今讓人印象深刻。

    “事實上,攻關期間,每次重污染我們都開展走航觀測,采用新技術密切關注重污染過程?!敝袊こ淘涸菏?、中國科學院合肥物質科學研究院研究員劉文清說。

    京津冀及周邊地區的特殊地形,使得污染物區域傳輸對污染快速累積產生顯著影響。攻關研究表明,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)均影響較大。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,在重污染期間區域傳輸“貢獻”最高可達60%—70%,其中西南通道、東南通道和偏東通道都有較大影響。西南通道的定量分析顯示,在典型污染過程的起始階段,向北京的輸送通量最高可達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。

    中國科學院大氣物理研究所研究員王自發告訴記者,輸送通量是表示污染物輸送強度的物理量,數值越大,代表輸送強度越大?!案鶕糠治鼋Y果,按照近地面大氣混合層500米高計算,在污染過程起始階段,周邊地區每小時每公里最高向北京輸送0.9噸—1.5噸PM2.5,影響非常明顯?!?/span>

    有人認為,北京的藍天受到了周邊地區的拖累。但北京跟蹤研究工作組專家、清華大學教授王書肖并不這樣認為。她說,如果因此將北京空氣污染完全歸咎于周邊地區,那可就錯了。

    王書肖表示,大氣污染是區域性問題,京津冀及周邊地區在同一空氣流場內,各城市的污染物相互影響,北京既受其它城市影響,也影響其它城市,空氣質量一榮俱榮、一損俱損,誰都難以獨善其身。

    區域內空氣質量相對較好的地方,對區域傳輸“貢獻”會小一些,這是大家的普遍印象。但專家們對各城市細致的“體檢”,推翻了這樣的誤解。

    “天津市去年PM2.5年均濃度為52微克/立方米,其中一個原因是得益于相對較好的擴散條件?!敝袊h境科學研究院研究員孟凡說,天津污染物排放總量很大,但一次PM2.5直接排放并不是很高,只有唐山市的1/3,對本地造成的影響比較小。不過,天津的二氧化硫、氮氧化物、揮發性有機物排放較高,排名“2+26”城市前列。這些PM2.5前體物轉化成硫酸鹽、硝酸鹽和顆粒物有機組分需要一定時間,輸送過程中伴隨著轉化,對區域污染影響較大??諝赓|量模型模擬計算表明,天津的污染物對區域傳輸的“貢獻”在“2+26”城市中排名靠前。攻關研究顯示,區域排放總量位居前列的5個城市,河北占了3個。西南通道也就是冀中南太行山沿線方向,包括河北石家莊、保定、邢臺、邯鄲等城市,工業產業結構偏重、能源結構偏煤、運輸結構偏公路等問題突出,污染物排放總量較高,遠超環境容量。東部的唐山市,工業污染特征也十分突出。

    “河北空氣質量相對較差,只有大幅削減污染物排放,才能提升本地空氣質量,促進京津冀及周邊地區空氣質量持續改善?!焙颖笔∩鷳B環境廳廳長高建民說。生態環境部大氣環境管理司司長劉炳江強調:“區域大氣污染治理過程中,各個城市首先要‘自掃門前雪’,把本地排放降下來?!?/span>

    春分時節,大風吹過,天空一片蔚藍。但剛過去的這個秋冬季,京津冀及周邊地區很多人都感覺藍天似乎有所減少。確實,這個秋冬季,京津冀及周邊地區出現多次持續時間長、范圍大、污染重的區域污染過程,引發廣泛關注。

    什么原因導致了京津冀及周邊地區重污染的發生?專業的問題,還得請專家來回答。

    在黨中央、國務院高度重視下,2017年4月,一項重要的科技攻關啟動,瞄準的是京津冀及周邊地區秋冬季大氣重污染成因、重點行業和污染物排放管控技術等難題。2017年10月,多部門和單位協作,由200多家單位、近2000人組成的科技攻關團隊投入研究,國務院為此設立專項資金5.75億元。原環境保護部專門成立了國家大氣污染防治攻關聯合中心,統籌攻關工作。

    藍藍天工作室了解到,通過一年半的努力,攻關已有初步戰果,科學家們基本摸清了京津冀及周邊地區大氣重污染的“病根”。

    排放是“病根”,天氣是誘因,復雜的顆粒物二次轉化是催化劑

    “京津冀及周邊地區大氣重污染,是污染物本地累積、區域傳輸和二次轉化綜合作用的結果?!敝袊こ淘涸菏?、北京大學教授張遠航說,“遠超環境承載力的污染排放強度是大氣重污染形成的主因,不利氣象條件造成污染快速累積是誘因,大氣氧化驅動的二次轉化是污染累積過程中顆粒物爆發式增長的動力?!?/span>

    這樣的結論并不讓人感到意外。但是這一次,專家們的“望聞問切”比以往更細致,“病因”找得更精準。

    中國工程院院士、清華大學教授郝吉明說,大氣污染物的高強度排放是京津冀及周邊地區秋冬季大氣污染形成的最主要原因。

    為了把這個主要原因搞得更清楚,攻關項目把網格化管理和區縣、鄉鎮調研結合起來,基于大量調查和實測,編制了京津冀及周邊地區大氣污染傳輸通道“2+26”城市精細化污染源排放清單。清單包括10類排放源、9種污染物,涉及各行業工業點源總計8.6萬個、餐飲企業10.6萬家,大大提升了這一區域大氣污染源排放清單的精度。

    攻關聯合中心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,開展了細致的研究工作。不僅如此,800多名科研人員深入“2+26”城市,開展長期駐點研究和技術指導,在每一個城市布設3—5個采樣點,共設采樣點109個,在2017—2018年秋冬季進行連續采樣,共采集約2.6萬個樣品,完成了這些城市2017—2018年秋冬季顆粒物的來源解析研究。

    經過科學家們的系統梳理,“高強度排放”這個主因令人信服。

    ——看污染來源:燃煤、工業、機動車、揚塵這四大來源是主要的,占比達到90%左右。

    ——看排放強度:這一區域產業結構偏重,能源結構以煤為主,交通結構以公路為主,鋼鐵、焦炭、玻璃、原料藥等產量均占全國40%以上,單位國土面積煤炭消費量是全國平均水平的4倍,大宗物料80%依靠柴油貨車運輸,排放強度大。

    ——看時間分布:受采暖影響,這一區域秋冬季一次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。

    ——看行業分布: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。

    污染物都有哪些、從哪里來、各來源的占比多少,都更為清楚

    聯合攻關的一大突破,是實現了對重污染過程的精細化定量化描述。

    攻關聯合中心副主任、中國環境科學研究院大氣環境首席科學家柴發合告訴藍藍天工作室記者,2015年以來,京津冀及周邊地區重污染過程發生頻次、持續時長和峰值均呈下降趨勢。2017年10月至今年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。攻關聯合中心對23次污染過程都進行了精細化定量化解析,一一分析比對污染全過程的污染物組分、來源數據。

    以今年1月10—14日的污染過程為例,污染前期,區域中北部近地面風速小于2米/秒,且存在逆溫,造成污染局地積累在約500米高度的混合層(近地面空氣可以在其中上下混合交換)中。保定市和石家莊市PM2.5濃度在半天左右就從優良水平轉為重度污染水平,空氣質量指數出現小時“爆表”。PM2.5中有機物(峰值大于200微克/立方米)和元素碳(峰值大于75微克/立方米)的含量大幅升高,這反映了燃煤和生物質燃燒排放的顯著“貢獻”。

    隨后,受區域偏西南風的輸送影響,北京市在1月10—12日晚間均出現了PM2.5濃度的快速增長,12日晚間增幅最大(PM2.5濃度在5小時內上升了291微克/立方米),部分監測站點出現“爆表”。專家們利用空氣質量模型進行模擬,結果表明,沿西南通道的污染物傳輸“貢獻”最大。

    此外,北京1月12日晚間污染最重時段,硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽濃度明顯上升,占比合計超過50%。這表明北京及周邊地區氣態污染物的二次轉化,也是推高北京PM2.5濃度的關鍵因素。氣態污染物的二次轉化,是指二氧化硫、氮氧化物等氣態污染物在大氣中發生氧化等化學反應,形成硝酸鹽、硫酸鹽等PM2.5的主要成分。

    風速小于2米/秒、混合層高度低于500米、

    大氣相對濕度達60%以上容易發生重污染

    在當前的高強度排放水平下,藍天要靠“人努力”,也確實需要“天幫忙”。

    攻關專家運用多個模型系統,分析了2000—2017年氣象條件對空氣質量的影響。結果顯示,由于氣象條件的年際差異,京津冀及周邊地區“2+26”城市PM2.5年均濃度的波動幅度可達10%,個別城市可達15%;由于氣象條件的月際差異,城市PM2.5月均濃度的波動幅度可達30%以上。

    中國工程院院士、中國氣象科學研究院研究員徐祥德,中國氣科院大氣成分研究所所長王亞強,國家氣候中心研究員柳艷菊等組成氣象攻關團隊,對這一問題開展了深入研究。

    徐祥德介紹,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,受青藏高原大地形“背風坡”效應所導致的下沉氣流和“弱風效應”影響,冬季京津冀及周邊地區為顯著的下沉氣流區,這不利于大氣對流擴散及污染物清除。這個地區是我國冬季大氣污染最重、季節差異最為顯著的區域,PM2.5濃度冬季普遍偏高,污染最重,秋、春季次之,夏季最輕。

    到底是什么樣的天氣,容易形成空氣重污染?

    “從目前統計分析結果來看,在京津冀及周邊地區,符合以下條件時容易產生本地累積型重污染:風速小于2米/秒,對污染物水平擴散極其不利;大氣處于靜穩狀態,垂直擴散能力較差;近地面逆溫,混合層高度低于500米;大氣相對濕度達60%以上,導致氣態前體物向顆粒物加速轉化?!毙煜榈抡f,“在空氣污染過程中,污染累積到一定程度后還會導致氣象條件進一步轉差,重污染和不利氣象條件之間形成顯著的‘雙向反饋’效應?!保〒氯A網)


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