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2020年春節期間我國華北區域大氣汙染成因分析—以北京爲例
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2020-02-13 | 【 【關閉】

(中國科學院大气物理研究所王跃思研究员课题组)

  1.重工業點源排放量大、環境大氣容量小仍然是導致重汙染事件發生的主因。最近5年春节期间,北京地区大气中细颗粒物浓度平均值持续下降,最近两年浓度水平相当,今年气态污染物NO2和SO2比去年有小幅度上升。在极其不利的气象条件作用下,北京2020年春节期间发生了4次重污染事件,最为严重的一次是大年初一至初四,大气PM2.5日均浓度接近或超过150微克/立方米,达到重污染级别。究其原因,仍与区域污染源排放量大,超出区域大气环境容量密切相关。调研结果表明,春节期间京津冀及周边区域高污染行业,包括钢铁、炼焦、玻璃、耐火材料、炼油和制药等,由于生产工序不能中断,几乎均为24小时倒班生产。2020年1月份粗钢产量为近年来同比最高就是典型一例。部分企业还承担着协同供暖任务,春节期间仍需要持续加班生产。同时,燃煤电厂、供热锅炉等要保障用电正常和居民采暖,需要持续运行,排放强度与日常相比并没有太大差别。受偏南风影响,山东、河北和天津的电厂、钢厂和化工厂等点式污染源排放的硫酸盐、SO2和NOx等污染物向北京输送,并在高湿条件下发生二次转化。北京地面观测数据显示,受偏南风影响, 1月24-28日北京大气中SO2和NO2浓度持续增长,与PM2.5上升趋势高度吻合。

  2.風速低、濕度大和大氣邊界層高度低,是導致汙染物持續積累與快速轉化的客觀條件。2020年春節期間,北京環境大氣相對濕度在40-80%之間,弱北風和偏南風交替,造成汙染氣團在區域內反複振蕩積累,導致偏南汙染輸送與局地排放汙染快速混合;整個春節期間,邊界層大氣出現多重層結,對流不暢通,汙染物易聚難散。尤其是25-28日,大氣邊界層高度不足千米,極大地降低了大氣汙染容量,有限空間內快速的二次反應造成顆粒物汙染爆發增長,導致北京及北京以南山前地區形成重霾汙染帶。

  3.燃放煙花爆竹可造成短時間重霾汙染事件發生,但不利的氣象條件可導致這一影響持續。由于周邊燃放煙花爆竹,雷達觀測北京城區除夕夜500-1000m高空出現大量汙染氣團,並隨年初一上午旺盛對流到達近地面,是北京新年第一天汙染物爆發增長的主要誘因。隨後的幾天,雖未發現明顯的區域輸送現象,但區域邊界層高度極低,午間邊界層高度仍不足1000m。對汙染物擴散及其不利,但對顆粒物的吸濕增長和非均相化學反應非常有利。燃放煙花爆竹排放的細顆粒物含有大量親水無機鹽,爲NOx、SO2和NH3的二次非均相化學反應提供了充分的反應界面。因此,燃放煙花爆竹,如遇到類似今年低風速、高濕度和極低的大氣邊界層高度,就會引發較長時間的重霾汙染。

  以下是結合觀測結果的詳細分析:

图1 北京春节期间PM2.5等污染物逐日变化图

  北京1月24-28日,大氣中SO2和NO2濃度持續增長,與PM2.5上升趨勢高度吻合(參見圖1)。北京地面觀測數據顯示,受偏南風影響,山東、河北和天津的電廠、鋼廠和化工廠等點式汙染源排放的硫酸鹽、SO2和NOx等汙染物向北京輸送,並在高濕條件下發生二次轉化。整個過程,中和劑NH3的濃度也高達10-20微克/立方米。

    

图2 2020年春节期间北京PM2.5化学成分变化特征

  2020.1.20-30,ORG/NO3/SO4/NH4/CHL/NR-PM2.5的平均質量濃度分別爲30、27、19、14、3.2和84μg/m3;占比分別爲32%、29%、21%、15%、3%;硫酸鹽高于往年說明周邊燃煤汙染輸送量大,硝酸鹽增長快、占比高,說明本地汙染排放與外來汙染在高濕的情況下發生了強烈的二次反應。本次重霾期間汙染物組成以二次反應物爲主,占比76%。參見圖2。

    

图3 2020年春节期间北京不同污染级别的PM2.5化学成分变化特征

  按PM2.5濃度將汙染等級分爲輕度、中度汙染和重度汙染,NR-PM2.5的濃度依次增大,分別爲38.9、127.9和219.0μg/m3,硫酸鹽、硝酸鹽和铵鹽(簡稱SNA)絕對濃度逐步增加,其中硝酸鹽(NO3)是主要組分之一,重汙染時上升7個百分點,占被測組分的三分之一;硫酸鹽(SO4)和铵鹽(NH4)分別上升了3個和2個百分點,ORG所占比例縮減12個百分點。參見圖3。

  重汙染形成的主要化學機制:硫酸鹽比例比春節前上升8個百分點,說明區域燃煤排放二氧化硫相對較高,偏南小風造成京南河北和天津的硫酸鹽和氮氧化物等汙染向北京輸送,在高濕條件下(RH在40-80%之間交替變化),本地排放爲主的NOx促發了外來SO2向硫酸鹽的轉化,大氣中存量足夠的氨氣使其形成了水溶性無機鹽-硫酸铵和硝酸铵,進一步加劇了顆粒物的吸濕增長。重度汙染時,區域傳輸減弱,局地轉化加強。比對香河PM1.0和北京PM2.5中化學成分的差別發現,二次粒子的轉化主要在1.0-2.5微米較粗的顆粒物中進行。汙染加重過程中,細顆粒物的酸性持續上升,pH呈現減小趨勢,有利于汙染物的酸催化氧化。

 

图4 2020年1月24日-29日气溶胶后向散射系数和边界层高度

  整個春節期間,邊界層大氣出現多重層結,對流不暢通,汙染物易聚難散。尤其是25-28日,大氣邊界層高度不足千米,極大地降低了大氣汙染容量。參見圖4。

图5 2020年1月20日-30日春节期间京津冀及周边PM2.5浓度空间分布图

  2020年春節期間,京津冀及周邊地區多個城市受到以PM2.5爲首要汙染物的重度汙染影響,尤其22日-28日在山前平原的風場輻合帶區域汙染最爲嚴重,形成了山前汙染帶。參見圖5。

 

图6 2020年1月20日-30日北京春节期间典型天气图及关键气象要素演变

  2020年春節期間,華北受變性高壓影響,氣壓梯度小,風速弱,區域沒有強冷空氣南下,使得京津冀及周邊地區空氣停滯,弱風高濕導致汙染累積和二次轉化增加。北京地區濕度在40-80%之間,弱北風和偏南風交替,山谷-平原風振蕩,偏南汙染輸送和本地排放交織,山前(太行山和燕山)出現顯著高汙染帶長時間滯留(參見圖5)。直到29日稍大偏北風清除北京汙染,但北京以南、太行山東麓平原地區汙染仍然嚴重。參見圖6。

 图7 2020年春节期间京津冀及周边地区大气NO2柱浓度分布图

(本報告衛星圖片由中國科學技術大學劉誠教授提供)

  圖7爲京津冀重汙染期間衛星反演NO2大氣柱濃度變化,顯示出了高大汙染點源的所在位置,結合風場的變化,不難分析出其對整個區域近地面大氣汙染變化的影響。

  總結:區域重工業點源排放傳輸和本地汙染排放疊加,加之不利的氣象條件導致了大氣中二次無機鹽爲主的細顆粒物爆發增長,共同造成了京津冀及周邊區域春節期間的重度空氣汙染事件。

  佐证材料:北京东南地区河北廊坊地区香河观测资料分析。该观测站隶属中國科學院大气物理研究所,地理位置正好是北京-天津之间,此区域是个通道,对北京及周边区域重污染形成具有重要的指示作用。

 

  图R01 2020年春节期间北京偏南方向河北廊坊地区观测站NR-PM1化学成分变化特征

  2020.1.20-30,北京偏南地区河北廊坊地区中科院大气所香河观测站观测结果。Org、NO3、SO4、NH4、Cl和NR-PM1的平均质量浓度分别为13、7、5、4、2和31μg/m3(注意北京为NR-PM2.5,约比NR-PM1.0高1倍);占比分别为43%、24%、16%、12%、5%;相比春节清洁时段香河地区SNA逐渐增加,其中NO3是主要组分,而Org所占比例逐渐减小(69% vs 46%)区域传输减弱,局地转化加强。)SO4比例比春节前上升10个百分点,说明区域燃煤量增加或是工业燃煤脱硫不利导致SO2排放量增加,造成大气中SO2浓度比春节前上升60%(参见图R01)。春节期间,非燃放区的烟花爆竹燃放,也对区域大气颗粒物中的无机盐有不可忽视的贡献。河北廊坊地区受偏南风影响,山东、河北和天津的SO4和NOx等污染物向该地区输送(参考图10);RH介于60%-80%,存在本地排放NOx促发SO2向硫酸盐的转化。

图R02 2020年春节期间河北廊坊不同污染级别的PM1化学成分变化特征

  按PM2.5浓度将污染等级分为优、良、轻度污染、中度污染和重度及以上污染五个等级,NR-PM1的浓度依次增大,分别为7.2、32.7、40.1、50.1和89.4μg/m3,水溶性无机盐SNA逐渐增加,其中硝酸盐是主要组分,而有机物Org所占比例逐渐减小23个百分点(69% vs 46%)。参见图R02。说明河北廊坊地区的重污染形成过程与北京城市相仿,均是由于高湿、静风气象环境条件下的无机盐颗粒物爆发增长所造成。

  (本报告仅作为科普,为公众答疑解惑。暂不作为公开发表文献之引用。有数据需求,可直接与作者联系:wys@mail.iap.ac.cn;王跃思 中國科學院大气物理研究所)

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