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京津冀大气污染溯源

(2012-01-10 13:49:35)
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杂谈

京津冀大气污染溯源

某刊记者深度采访报道

 

王跃思,中国科学院大气物理研究所研究员,中国生态系统研究网络大气分中心主任、大气边界层物理和大气化学国家重点实验室副主任。与这些陌生的词汇相比,他领衔的一些科学研究项目如“北京及周边区域空气质量保障联网监测与预警”显然更加通俗一些。

在他看来,北京大气PM2.5污染三分之一来自本地排放,三分之一来自区域输送,三分之一来源于污染气体的转化。因此,北京若想彻底解决PM2.5污染,首先要加强自身污染源治理,同时要联合周边省市协同调控,最后要注意天气过程导致PM2.5对区域灰霾形成的临界影响条件。比如2011年岁末北京惊人的雾霾污染事件,就与不利于污染物扩散的天气过程密切相关。

(小标题)颗粒物的变化

北京奥运会过后,王跃思的一个重要工作就是中科院重大项目“京津塘区域环境污染调控技术与示范”。这一课题在201112月底刚刚验收,研究成果全面反映了北京及周边区域的环境污染情况。

通过分布于北京、天津、河北和山东各地的10个观测点,可以监测到京津冀区域内污染物干湿沉降总量日益增加趋势。干沉降指大气污染物在没有降水的条件下向地表的输送过程,包括颗粒物干沉降和污染气体干沉降;湿沉降则指通过雨、雪、雾等形式降落到地面的过程。

作为项目首席技术专家,王跃思告诉本刊,目前京津塘地区平均每公顷地表每年接受到的降尘量大约是1.2吨,相当于每平方米每月有 10克降尘。降尘中包含着大量的污染物质,将气体干沉降计算在内,京津冀区域平均硫(硫酸盐和二氧化硫)沉降量为每公顷每年65公斤;氮(铵态氮和硝态氮以及气态氮氧化物)每公顷每年沉降为60公斤;有害重金属3.3公斤另外还有0.6 公斤致癌物质多环芳烃16种)沉降。如图1所示。

 

 

京津冀大气污染溯源


1 京津冀区域典型大气污染物沉降通量

单位:公斤/(公顷·) (潘月鹏博士提供)

 

 

无论整体数字还是不同类别,其数量都已经是发达国家或地区监测结果的十倍以上,“有害重金属和多环芳烃的沉降量是欧美地区的几十倍。”王跃思表示,硫沉降主要来源于电厂、工业和居民取暖时燃煤排放的SO2及其转化的硫酸盐,氮沉降则主要来自机动车尾气排放的NOx和农业过量化肥施用及其养殖业排放的氨气(NH3),汽车尾气、工业脱硝过程和垃圾堆放也可能排放大量的NH3,排放源分类定量化的数据则需要进一步的观测研究;大气中有害重金属则主要来源于区域黑色金属冶炼和燃煤;多环芳烃则来源煤、重油和生物质燃烧过程,尤其冬季取暖期间,京津冀大气中PM2.5中多环芳烃的富集量高于其他季节2-3倍。

这组数据从另一个侧面说明了整个京津冀区域大气污染的严重性,已经到达了非治理不可的地步。

从整体上讲,近十多年来京津塘区域降尘量有所下降,但是污染气体的干沉降有逐年增加趋势。“从数据上看,这个地区的沙尘减少了,但大气中的人为有害污染物的沉降增多了。”王跃思表示,这说明京津塘地区污染人为排放量正在增加。特别是最近3年的统计显示,污染物总体是上升的。根据环保局公布的数据和我们观测研究所获得的数据,2000年以来北京地区可吸入颗粒物浓度变化大致可以分为4个阶段,2000-2003年为下降阶段,PM10160下降到140微克/立方米;2003-2006年又从140反弹到160微克/立方米;2006-2009年从160下降到110微克/立方米;2009年以来,又呈现出上升势头。

事实上,2008年对于北京大气污染的治理是一个转折点。这不仅指大气能见度,也包括大气污染物中的有害化学成分。

王跃思解释说,颗粒物干沉降主要测定的是粗粒子,即PM100,指直径在100微米以下粒子的总称。人们关注的PM2.5则是指空气动力学等效直径在2.5微米以下的细颗粒物。

PM2.5中,0.4微米到0.7微米之间的细粒子对灰霾的贡献最大,“因为这个范围正好是可见光的波长范围,两者相吻合细粒子就会散射或是吸收可见光,进而在视觉上产生霾。”王跃思表示,细粒子寿命比较长,其中从0.1微米到1微米的细粒子寿命最长,可以远距离输送造成整个区域形成灰霾。

更为重要的是,虽然2000年以来整个京津塘区域的PM10在下降,但PM2.5一直处于高位,原因是PM2.5PM10中的比例大幅度上升。比如,2000年前后,PM10浓度若为160微克/立方米,此时,PM2.5仅占其中的45%,推算其质量浓度为72微克/立方米;2010年前后,PM10年均值下降到120微克/立方米,但此时PM2.5PM10中的比例已经上升到60%,推算出来PM2.5仍然是72微克/立方米,与实测的PM2.5数据基本吻合。10年来PM10浓度几度起伏,但有所下降,而PM2.5并没有显著降低,近年来还有小幅升高。更有甚者, PM2.5PM10中的比例仍在上升,在严重灰霾天,PM2.5PM10的比例往往能超过70%

“为什么环保局报的和公众视觉有所差异?是因为现在颗粒物的理化特性比起前几年有了显著的变化,大气中细粒子的数浓度增加了,但密度变小了。公众视觉大气能见度下降,主要是与大气中细粒子的数浓度相关性更强,而与环保局报告的质量浓度相关性较差;另一个重要原因是,与视觉相关的光学等效直径0.4-1.0微米的细粒子消光性更强,但与质量浓度所测定的空气动力学等效直径的细粒子并不完全吻合。差异就这样产生了。”王跃思说,能见度实际还与颗粒物对光的吸收有关,特别是黑炭粒子(如,汽车冒出的黑烟)对可见光的吸收能力很强,但目前的研究结果表明这部分对消光的贡献小于10%。北京近年来灰霾天增加的本质原因,仍然是细粒子浓度上升所致。

据他介绍,直径10微米到2.5微米的粗粒子多来源于地面扬尘、柴油车和建筑扬尘、大的电厂和炼钢厂等工业过程。经过前奥运期的强力治理,这些粗粒子质量浓度得到控制,是北京大气PM10总体下降的直接原因。粗粒子的有效治理,就可使PM10下降至国家二级标准150微克/立方米以下,而且仅仅依靠政府部门就能实现;但PM2.5治理就没那么简单了,需要政府部门、企业和公众深度参与才有可能实现,并且必须区域联防联控。“京津冀区域灰霾天增加的本质原因,是大气中含碳的轻质细粒子数浓度大幅度增加所致,其主要来源是人为的化石燃料燃烧过程排放”。王跃思进一步解释,机动车及相关产业过程占PM2.5来源的大约50%,其中有发动机的问题,也有油品的问题,我国油品含硫量偏高,燃烧过程产生的细粒子数浓度巨大,但超级细小的颗粒物(纳米粒子)刚刚排放出来时人们并看不见它们,但由于它们之中含有吸湿性很强的硫酸盐和硝酸盐,遇到湿度较大的天气立即吸收水汽膨胀“变胖”,当直径增长到0.4微米以上,就能散射太阳光而进入公众视野,就是我们看到的“灰霾”。这种超细的纳米粒子还可以通过大气光化学转化形成,燃煤排放的二氧化硫、机动车排放的氮氧化物和挥发性有机气体(主要来源于汽油挥发、石油化工和溶剂挥发等)在大气中经光氧化即可形成这种纳米粒子,“这种超细粒子,也可称为纳米粒子,是PM2.5形成的原料之一”。这些细小粒子和形成它们的气态物质的共同特性就是在大气中漂浮的时间长,传输距离远,也是PM2.5治理的最大障碍。

 

(小标题)后奥运挑战

“北京奥运会后空气污染反弹是正常的。最近3年的上升是在我们预料之中的事情。但这不能说是洪水猛兽、不能反弹,那是不实事求是的。”王跃思说,从2000年起至今,北京大气污染最低的其实并非2008年,而是2009年,“2008年污染源临时管控措施的延续,加上2009年赶上非常好的天气,所以这一年北京大气颗粒物污染浓度最低。”

事实上,20062008年上半年北京的大气污染一直很严重。“很多奥运场馆还在施工,地面都裸露着,扬尘比较大,奥运前夕粗粒子占PM1060%PM2.5往往只占到PM10的不到40%。”他坦言,北京奥运会的临时强力措施显然无法延续,大气质量出现起伏也属必然。

除了细粒子浓度上升速度快,后奥运期氮氧化物上升也很快。这一部分污染与汽车数量增加有相当大的关系。一种公众还不太关注的污染物也在快速上升,就是VOC(挥发性有机物)。

“对于它,我们从1995年左右就开始有观测,2000年到2005VOC是上升的,此后一直到2009年是下降的,近三年又呈现上升势头。”王跃思说,氮氧化物和VOC的上升导致了京津冀区域臭氧浓度的增加。“臭氧并不是谁排放的,而是在这两种物质的驱动下,在大气中光化学转化生成的。在京津冀区域,相对比较干净的城市边缘地区臭氧的小时最高浓度经常会超过200微克/立方米。”而国家环保部最新制定的二级标准为8小时滑动平均最高值不超过160微克/立方米。在夏秋季节,这一标准也很难全面达标。

在城市地面,由于汽车排放的一氧化氮消耗臭氧,所以检测数据看起来大多情况下臭氧不会超标。但在中国科学院华北区域大气本底站-河北兴隆观测站,观测到的结果令人十分担忧。如下图2所示,200920102011年每年夏季(6-8月)臭氧小时最高浓度平均值分别为172196203微克/立方米,均接近或是超过国家现行臭氧二级标准,若以8小时滑动平均值160微克/立方米衡量,超标将更加严重;PM2.5的夏季均值分别是465949微克/立方米,这组数据的意义在于,京津冀最清洁的地区尚且如此,城市区域PM2.5的浓度或多或少都会高于这些数值。“还是回到那两个观点”,王跃思研究员继续介绍说,“治理PM2.5不能急功近利,要制定循序渐进的长期目标;需要区域协同防控,或是步调一致地控制”。从偏远的区域大气本底氮氧化物的上升趋势分析,区域整体机动车保有量的增加和尾气排放的不合格,至少是造成区域空气质量下降的重要原因之一。

 

 

京津冀大气污染溯源

2 中国科学院兴隆区域大气本底观测站

2009-2011年夏季典型污染物观测结果

(刘子锐和吉东生博士提供)

 

 

更为重要的是,京津塘区域污染物人为排放量到达高位后,存在着严重的区域内城市间相互输送,并且通过大气沉降到区域湖泊、河流、近海及其植被表面的大气污染物,必将引起区域整个生态系统的恶化,如水体的富营养化,粮食作物品质下降和土壤重金属污染。有研究表明,作物叶子表面降尘中的重金属可以被作物吸收而造成粮食或是蔬菜所含重金属增加。 “全面污染源减排才有可能控制住目前严重的区域大气、水和土壤间严重的复合污染”。

 

 

(小标题)随风而来的污染

在沙尘减少,污染物增多的情况下,确定这些污染物的来源就显得十分重要。而这又与天气过程和季节轮换纠缠在一起。

在整个京津冀区域,大气污染表现出明显的季节特征,春节沙尘、浮尘严重;夏季光化学污染多发;秋季雾霾天气多;而冬季燃煤取暖污染物排放与汽车尾气叠加,造成污染超标时有发生。此外,不利于污染物扩散的地形,也是京津冀区域易发生大气灰霾污染不可忽视的原因。“北京西北东三面环山,都是海拔1000米左右的高山,污染物容易积存在山前平原,一般规律是3-4天才有一个清除污染的天气过程(下雨或是刮风),如果遇到微弱的偏南风阻挡,远程输送或是局地排放的污染物就聚集在山凹里,使北京地区大气污染迅速积累升高;加之随风而来的西南方向和东南方向的污染都比较严重,导致北京受偏南风影响时空气质量就明显恶化。”王跃思说,总体而言,地处平原区域的河北、河南以及山东的排放对北京的影响更大一些。而山西在太行山的另一侧,导致在通常情况下,来自北京西北部的大气污染输送较少。比如,西部灵山监测站的污染物浓度就比较低,但西北风携带的高浓度硫酸盐仍然表明这些区域存在着大量的煤燃烧,并且二氧化硫排放依然严重。

 王跃思认为,PM2.5细颗粒物较粗粒子更容易传输,并在传输过程中不断变化和聚集。仅这些从西北地区长距离输送而来的颗粒物,其中硫酸盐等水溶性无机盐的浓度往往就可超过35微克/立方米。他说,这个数字正是国家环保部确立的2016PM2.5调控的年度目标,实现的难度可想而知。

 

(小标题)20%50%

持有同样观点的还包括…………….

他说,PM2.5这种细颗粒物能在空气中存在十几天的时间,而且传播速度很快,从新疆、内蒙古到北京只需要一两天时间就到了。虽然北京市的工业都陆续外迁到河北唐山以及北京周边省份,但距离北京并不远”。

根据研究中心近日发布的报告,山东、河北、江苏、山西、内蒙古是废气排放大户最为集中省区。除江苏外,均为环京省区。

这份报告对环境主管部门确认的4400余家最大排放企业进行了定位,从而得出上述结论。

同时,根据《中国环境状况公报》、《中国环境质量报告》等材料的数据统计显示,在全国范围内,工业排放在二氧化硫、烟尘、氮氧化合物中的比例都超过75%,远高于居民生活、交通、农业排放的总和。

200781720日“好运北京测试赛”实施机动车单双号限行措施期间,氮氧化物、一氧化碳和可吸入颗粒物浓度平均下降15%20%

据北京市环保局统计,在奥运会和残奥会举办的20088月、9月,北京市大气环境中各主要污染物浓度平均下降45%,奥运会期间下降50%

根据中国科学院大气物理研究所京津冀区域联网观测研究结果,北京大气污染缓解的背景是,整个华北区域内污染物水平较2007年同期下降了15%20%。涿州、廊坊、香河和燕郊等地下降了40%45%,石家庄、禹城、秦皇岛等离北京相对较远的地方也达到15%20%

由此可见,北京周边的天津、河北、山西、内蒙古、山东等5省区,停、限工业排放及燃煤污染对于北京大气治理的重要性,至少与严厉的北京本市机动车单双号限行相当。

王跃思说,根据监测,2008年奥运会后北京及周边地区污染物反弹的速度和与北京的距离成正比,“离北京越近反弹的速度越慢,离北京越远反弹的速度越快。”

XX表示,灰霾并非北京独有,环京的天津、河北、山西乃至辽宁、山东等地都面临灰霾的影响,“这是个区域性的问题。虽然工业企业外迁,但周边工业规模还在扩大,如果这样下去,最终形成区域性的污染,谁都没办法逃过。”

他强调,“环京区域的工业项目现在不仅没有减少,相反在迅速增加,经济发展和环境保护产生矛盾。但现在一些地方官员还是为自身或者本地区的利益考虑,比如顾及政绩或者GDP等,就容易牺牲了其他人或其他地区的利益。”

 

(小标题)同一个世界

“我认为要想达到环保部2016年将出台的控制目标,至少需要10年,可能要20年。比如日均值从75微克/立方米到50微克每立方米用10年时间,再从50微克/立方米到35微克/立方米,没有10年也不行,越往下越难。”王跃思说,因为中国,特别是北京周边范围有一个全世界都没有的现象,就是其人口密度及总量在历史上从未出现过,在世界其他地区也少见,“如此强烈的人类活动,中心城区过于强大的社会功能,使大气污染控制的不确定性很大,这一点希望政府部门要有足够的心理准备和对各个环节的高度重视”。在治理污染的同时,也要进行适当的公众心理疏导,特别要加强科学研究,加强科普宣讲。公众有知情权,更有参与权,但一定要本着科学的态度和实事求是的精神,充分发挥科技专家的力量,科学先行才能事半功倍。

地理位置对北京的环境具有重要影响。王跃思举例说,京津冀所处的纬度带(北纬30-50度)其实是北半球的一个污染带,包含有东京、伦敦、巴黎、柏林、旧金山和洛杉矶等世界重要城市,“历史上这些地区都发生过严重的大气污染。现在这一纬度带上的发达国家日本、欧洲和美国的大气环境都很好,是因为他们都进行了长期的治理,多数城市治理了几十年才有现在的结果”。因此,王跃思研究员建议公众不用过于惊慌,但要高度关注,本着同舟共济的精神和科学的态度积极参与,才能共同度过目前的空气污染难关。

在这个纬度带上,气候因素也是重要的污染形成条件。比如全球变暖容易造成暖冬,降雪减少,空气不容易流通,冬天中午太阳把地面加热,气团被地面加热膨胀上升之后地面又变冷,此时太阳已经偏西对地表加热能力不足,大气变形成了头轻脚重的稳定结构(逆温),如果没有风,气团就不动了,污染物上下的对流扩散终止。“所以冬天傍晚的时候,污染就容易在逆温的情况下积累,湿度增加,细粒子进一步增长就容易形成霾。此时大气是个稳定结构,对流扩散的混合层高度从2000-3000,下降到200-300,相当于屋顶突然变矮了,汽车尾气和燃煤烟气扩散不出去,灰霾也就越来越严重,”王跃思说一般这种情况周期为3-4天,只有大风才能有效清除这样的细粒子污染。

再比如,夏秋季节偏南风在深入到华北后,又没带来明显的降水,也会造成严重的颗粒物污染事件,“偏南风没有带来降水,但携带的水汽使细粒子吸湿变“胖”造成可见光散射,大气能见度就会急速下降。”

XX也强调,“在污染最严重的时候,整个区域的天气形势基本相同,大家是一个共同体,在同一个大气环境条件下。周边对北京、北京对周边是互相影响的。比如京津冀这个区域,如果稳定的天气条件持续35天,那么整体环境容量就不达标了。”

XX看来,对于北京这样的大城市而言,交通减排的空间已经非常有限,特别是经过三四年来的持续强化,“这涉及到数以百万计的分散的污染源,中间掺杂着交通体系、城市规划、司机驾驶习惯等等复杂因素。”相对而言,工业排放的控制更为容易一些,“因为工业排放的数量是有限的,排放源头是固定而清晰的,控制好工业源头,还能给机动车等排放让度出一定环境容量空间。

事实上,即使交通减排也并非北京可以独立承担解决的。“这部分污染气体和小粒子不仅北京自己排放,周边区域也有大量排放,”王跃思说,“调控方案并不是一个城市或者一个单位就能独立完善制定的,彻底解决问题也不能单凭自己的力量。”

XXX特别谈到,河北省规模巨大的钢铁产业如何调整是个巨大难题,他认为,环北京地区经济发展仍过多依赖重化工,也是个难以解决的问题,“在全国重点城市70%80%无法达到PM2.5 标准的情况下,北京很难独善其身。”

(王跃思于2011.01.10

 

 

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