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清新小课堂 | 北方雾霾成因复杂 如何才能根治?

发布者:桂诗源 发布时间:2020-04-24 浏览者:283

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“如何根治北方雾霾”


Control Haze



技术中心研发总监 | 许昌日

本文于2020年4月20日被《中国能源报》刊发



近年来,随着经济快速发展,人口迅速膨胀,城市化规模不断扩大,环境污染现象日益严重。但同时,人们对以环境质量为首的生活品质要求逐渐提高,使得经济和环境可持续发展之间的矛盾日益增长。其中,以雾霾为首的大气污染问题尤为受到关注。



主要污染物是PM2.5和O₃ 


统计显示,北京雾霾主要出现在1-3月、7月及10-12月。从季节上看,春、秋及冬季雾霾发生次数远高于夏季,冬季雾霾发生次数最多。


分析2014-2017年大气污染物排放浓度均值的月度变化趋势,发现大气PM2.5、PM10、SO2、NO₂、CO的平均浓度与月度雾霾天数的趋势相吻合,其平均浓度都是5月-9月较低,10月-次年4月较高;O₃的趋势刚好相反。
    同时,2014-2017年,与雾霾相关的首要污染物,主要集中在PM2.5、PM10和O₃,其中6-8月首要污染物PM2.5和O₃各占约50%,而其他月份中PM2.5几乎独占鳌头。这表明,夏季O₃对雾霾的影响显著,PM2.5在一年四季都对雾霾产生影响。 


研究表明,北京地区PM2.5主要由元素碳、有机碳、硫酸盐、硝酸盐、铵盐等组成。雾霾越严重,PM2.5中的硫酸盐、硝酸盐、铵盐比例越高,元素碳、有机碳比例则越低。机动车、散煤燃烧、居民面源及生物质燃烧等污染源直接排放的一次有机碳,对华北地区灰霾的早期形成具有重要贡献,因为一次排放的有机碳可以为SO2和NOx的非均相化学反应提供反应界面,促进了硫酸盐和硝酸盐大量生成,是重污染期间PM2.5爆发性增长的主要原因。


除了一次有机碳,污染源排放的VOCs在大气中经光化学反应生成的二次有机碳也影响着北京大气环境。二次有机碳更容易在粒径较小的PM1中积聚,而北京的PM1占PM2.5的质量浓度比例达到了60%-74%。O₃与雾霾的相互作用中,主流观点是臭氧的强氧化性导致大气中的SO2、NO₂、VOCs被氧化并逐渐凝结成颗粒物,从而增加PM2.5浓度,即间接加重PM2.5的形成。


关于O₃,气象因素(高温、低湿、低压)和高前体物体积浓度(CO、VOCs和NOx)都影响这着O₃的形成。北京地区夏季副热带高压系统或均压场下的弱高压系统均有利于O₃的本地光化学反应生成, 且不利于污染物的扩散。北京城区夏季O₃ 生成处于VOCs控制区, 机动车尾气、化石燃料和生物质燃烧、溶剂使用等人为排放的VOCs 对O₃体积浓度的影响最大。


继续保持污染物减排力度 


大气污染物的环境容量和污染物实际排放量,也可从另一方面说明污染物与雾霾的关系。


大气环境容量是指一个区域在某种环境目标(如空气质量达标)约束下的大气污染物最大允许排放量,即在一定的气象条件及一定的污染源排放条件下,某一特定区域在满足该区域环境空气环境质量目标的前提下,单位时间所能允许的各类污染源向大气中排放的各类污染物总量。

影响大气环境容量的因素,除了大气污染物的环境化学特征外,还有区域环境目标、区域地理和气象特征等。2017年北京市烟尘、SO2、NOx的排放量分别为2.04万t、2.01万t、14.45万t,按烟尘中PM2.5的比例87%-90%来估算,2017年PM2.5的排放量约达到1.77-1.84万t,除了SO2以外,PM2.5和NOx排放量仍然接近或超过一些学者指出的北京市大气污染物环境容量(见图1)。

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▲图1. 2017年北京市大气污染物排放量与大气环境容量的比较


气象因素影响较大 


如果说,大气污染物是引发雾霾的内因,气象条件则是引发雾霾的外因。


“数据显示,当北京近地面平均风速超过4.5m/s时,即约等于3-4级风时,几乎不出现雾霾天气;当平均风速逐渐降低时,雾霾天出现的频次也随之增高;当平均风速降低到1.5m/s以下,即1级风以下时,雾霾天的比例达到60%以上。
  
同样,风向也是影响雾霾的影响因素。


2014-2017年,当北京最大风速的风向为SSW(南西南风)和SW(西南风)时,雾霾天数接近100天,雾霾天出现频次最高,接下来是ENE(东北东风)风向时出现约50个雾霾天。


这与北京周边的高强度排放地区都位于南部和东部地区的现状也十分吻合。


根据北京及周边地理位置可知,如果周边产生的污染物扩散到北京而影响雾霾的话,这些污染物很可能来源于石家庄—保定沿线和唐山一带地区。


2014-2017年,同时间段石家庄、保定、唐山等地的大气中各污染物浓度几乎都要高于北京的对应污染物浓度,表明北京与周边地区的大气中各污染物浓度之间存在污染物浓度差,具备了外来污染物的输入条件。


 疫情期间雾霾主要是外因所致 


新冠肺炎疫情期间,雾霾现象似乎仍没有得到改善,因此出现污染物减排是否真正管用、污染物减排方向是否跑偏等质疑声。对此,笔者根据近几年的大气污染物浓度、空气质量、近地面风速和最大风速的风向等进行对比分析。


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▲图2. 2014-2020年,北京市1月、2月大气污染物平均浓度


从图2可以看出,过去3年北京市1-2月的大气污染物中PM2.5、PM10、SO2、CO等浓度相比2017年及以前有较大幅度的减少,NO₂浓度也有所降低,只有O₃浓度有一定增加。


结合空气质量变化特征,发现北京近几年1、2月份的空气质量确实逐渐好转,空气质量从轻度污染到严重污染的总天数显著降低,1月和2月的平均空气污染天数从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,从2018年开始,近三年1、2月份北京的空气质量似乎并没有得到进一步改善。


笔者统计了过去7年1、2月份北京受上述5个风向影响的天数和同时间的北京空气质量指数。


过去7年,从5个风向刮来的风越多,北京的空气质量就越差。今年1、2月份,北京受到西南风和南风的影响较多,来自周边地区的污染物迁移对北京雾霾起到了重要作用。北京周边地区密集分布着钢铁、电力等重工业工厂,由于跟国计民生息息相关,春节放假和新冠肺炎疫情期间大多数工厂还是照常运行,继续排放污染物。


除了风向,过去7年北京1、2月份近地面平均风速基本维持在1-2级范围,各年间风速方面没有显著性差异,只是今年和去年两年风速比以往更小,更不利于污染物扩散。


据此推测,

2016年以前北京受上述5个风向的影响并未多于2017-2020年间,然而空气质量更差,表明彼时北京大气污染物排放本身较多,雾霾主要由内因形成。

2017年后空气质量明显好转,但雾霾并没有完全消失,是因为雾霾受外因的影响逐渐被放大,北京雾霾的发生已由过去的内因主导过渡到了目前的外因主导,而不是污染物减排效果甚微或污染物减排方向跑偏。


对北京雾霾相关因素的分析表明,雾霾形成是气象、污染物等多种因素综合作用的结果,而且各因素之间的相互作用错综复杂。


治理雾霾离不开污染物减排,过去重污染天数的减少证明了前一段污染物治理的成效,但目前几项大气污染物指标仍然高于环境容量,表明污染物减排仍要坚持不懈地走下去。


与此同时,考虑到北京气象条件的变化,要坚持北京周边地区的污染物协同治理。此外,通过分析大气污染物的来源,除继续加大对PM2.5、SO2、NOx、O₃的治理以外,还需要加强对PM1、VOCs等相关污染物的排放控制。




作者 | 技术中心研发总监 许昌日

编辑丨品牌公关部


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