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PM2.5从哪儿来?里面究竟藏着哪些污染物?
2019-03-29

重污染天气中首要污染物大多是PM2.5。PM2.5究竟从何而来,治污这么多年后其主要的成分有没有变化?重污染期间,区域之间又是如何相互影响的?


国家大气污染防治攻关联合中心专家最近分析指出,空气污染,排放是“病根”,天气是诱因,复杂的颗粒物二次转化是催化剂。

大的“病情”搞明白了,要想对症下药,还得弄清具体的“病因”。


重污染天气中首要污染物大多是PM2.5。PM2.5究竟从何而来,治污这么多年后其主要的成分有没有变化?重污染期间,区域之间又是如何相互影响的?近日,蓝蓝天工作室专访了国家大气污染防治攻关联合中心专家组,为大家答疑释惑。

机动车尾气等污染“贡献”加大,农业污染给大气添乱

这些年,京津冀及周边地区大气污染防治不断加力,PM2.5的化学特征发生了显著变化。

攻关研究表明,2017年,京津冀及周边地区大气污染传输通道“2+26”城市二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、可吸入颗粒物(PM10)、挥发性有机物、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年采暖季期间,京津冀及周边地区“2+26”城市PM2.5的平均浓度为85微克/立方米,其中有机物、硝酸盐、硫酸盐、铵盐等主要组分的占比分别为28%、19%、12%和11%。2018年11月—今年2月主要监测站点在线测量的结果,再次印证了这一变化规律。

——有机物占比正在下降。

PM2.5组分“黑名单”中,排在第一位的是有机物。目前,在测的有机物达100多种,主要来自散煤燃烧、机动车尾气等一次排放和挥发性有机物的二次转化,随着散煤燃烧排放等得到有效治理,有机物的占比正在下降。

——硫酸盐浓度及占比大幅降低。

作为大气主要污染物之一,二氧化硫是导致酸雨的重要因素,也曾是二次生成PM2.5的最主要来源。很多地区一直把控制二氧化硫排放总量作为大气污染治理的头等工作。攻关专家认为,京津冀及周边地区散煤“双替代”、燃煤锅炉和“散乱污”企业综合整治成效显著,使得硫酸盐浓度及占比大幅降低。

——硝酸盐污染十分突出。

观测期间的数据分析显示,京津冀及周边地区硝酸盐区域性污染十分突出,硝酸盐绝对浓度和占比大幅度超过硫酸盐,成为PM2.5中最主要的二次无机组分,其浓度快速上升已成为PM2.5爆发式增长的关键因素之一。这表明,加强氮氧化物的控制非常重要、非常紧迫。

中国环境科学研究院研究员薛志钢告诉记者,“2+26”城市氮氧化物最重要的来源是道路移动源,也就是机动车,占比32%;非道路移动源即工程机械、农业机械、船舶和飞机等的排放占比17%;电力和供热行业排放占比17%;其他工业排放占20%。抓住重点领域、推进氮氧化物减排成为当务之急。


——铵盐排放须引起重视。

PM2.5组分“黑名单”中铵盐排在第四位。联合攻关专家、中国农业大学教授刘学军表示,铵盐主要由氨气通过二次转化而来,其来源主要是农业氨排放,占比高达85%,其中畜禽养殖占57%,氮肥使用占20%。从时间分布上看,秋冬季氨排放量低,夏季排放量大。另外,秸秆焚烧等生物质燃烧、垃圾填埋场、污水处理厂等也有氨排放。

专家探索性地将“2+26”城市分为6种类型

各个城市产业、能源、交通结构不同,城市化水平及消费水平不同,污染呈现不同特点。中国工程院院士、清华大学环境学院院长贺克斌介绍,根据城市污染源结构特征,可探索性地将“2+26”城市分为6种类型:

天津、石家庄、唐山、邯郸、沧州、济南、淄博、安阳等城市为综合工业污染类;北京、郑州等城市为偏机动车及溶剂类(装修涂料、干洗剂、发胶、染发剂等);邢台、太原、长治、阳泉、晋城、聊城、滨州等城市为偏煤焦铁类;廊坊、衡水、济宁、德州、新乡等城市为偏溶剂使用类;保定、鹤壁、焦作等城市为偏建材污染类;菏泽、濮阳、开封等城市为偏农业及石化化工类

各城市之间污染传输互相影响,全年平均“贡献”约20%—30%

两年多前,一张在北京市西红门拍摄的大气污染团从南边滚滚来袭的照片,在很多人的微信朋友圈中刷屏,至今让人印象深刻。

“事实上,攻关期间,每次重污染我们都开展走航观测,采用新技术密切关注重污染过程。”中国工程院院士、中国科学院合肥物质科学研究院研究员刘文清说。

京津冀及周边地区的特殊地形,使得污染物区域传输对污染快速累积产生显著影响。攻关研究表明,西南通道(太行山前输送带)、东南通道(济南—沧州—天津输送带)和偏东通道(燕山前输送带)均影响较大。京津冀及周边地区各城市污染程度受到整个区域的传输影响,全年平均“贡献”约为20%—30%,重污染期间的“贡献”还会再提升约15%—20%。

对北京市而言,在重污染期间区域传输“贡献”最高可达60%—70%,其中西南通道、东南通道和偏东通道都有较大影响。西南通道的定量分析显示,在典型污染过程的起始阶段,向北京的输送通量最高可达500—800微克/平方米·秒,污染形成阶段的输送通量在100—200微克/平方米·秒左右。

中国科学院大气物理研究所研究员王自发告诉记者,输送通量是表示污染物输送强度的物理量,数值越大,代表输送强度越大。“根据定量分析结果,按照近地面大气混合层500米高计算,在污染过程起始阶段,周边地区每小时每公里最高向北京输送0.9吨—1.5吨PM2.5,影响非常明显。”

有人认为,北京的蓝天受到了周边地区的拖累。但北京跟踪研究工作组专家、清华大学教授王书肖并不这样认为。她说,如果因此将北京空气污染完全归咎于周边地区,那可就错了。

王书肖表示,大气污染是区域性问题,京津冀及周边地区在同一空气流场内,各城市的污染物相互影响,北京既受其它城市影响,也影响其它城市,空气质量一荣俱荣、一损俱损,谁都难以独善其身。

区域内空气质量相对较好的地方,对区域传输“贡献”会小一些,这是大家的普遍印象。但专家们对各城市细致的“体检”,推翻了这样的误解。

“天津市去年PM2.5年均浓度为52微克/立方米,其中一个原因是得益于相对较好的扩散条件。”中国环境科学研究院研究员孟凡说,天津污染物排放总量很大,但一次PM2.5直接排放并不是很高,只有唐山市的1/3,对本地造成的影响比较小。不过,天津的二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物排放较高,排名“2+26”城市前列。这些PM2.5前体物转化成硫酸盐、硝酸盐和颗粒物有机组分需要一定时间,输送过程中伴随着转化,对区域污染影响较大。空气质量模型模拟计算表明,天津的污染物对区域传输的“贡献”在“2+26”城市中排名靠前。攻关研究显示,区域排放总量位居前列的5个城市,河北占了3个。西南通道也就是冀中南太行山沿线方向,包括河北石家庄、保定、邢台、邯郸等城市,工业产业结构偏重、能源结构偏煤、运输结构偏公路等问题突出,污染物排放总量较高,远超环境容量。东部的唐山市,工业污染特征也十分突出。

“河北空气质量相对较差,只有大幅削减污染物排放,才能提升本地空气质量,促进京津冀及周边地区空气质量持续改善。”河北省生态环境厅厅长高建民说。生态环境部大气环境管理司司长刘炳江强调:“区域大气污染治理过程中,各个城市首先要‘自扫门前雪’,把本地排放降下来。”

春分时节,大风吹过,天空一片蔚蓝。但刚过去的这个秋冬季,京津冀及周边地区很多人都感觉蓝天似乎有所减少。确实,这个秋冬季,京津冀及周边地区出现多次持续时间长、范围大、污染重的区域污染过程,引发广泛关注。

什么原因导致了京津冀及周边地区重污染的发生?专业的问题,还得请专家来回答。

在党中央、国务院高度重视下,2017年4月,一项重要的科技攻关启动,瞄准的是京津冀及周边地区秋冬季大气重污染成因、重点行业和污染物排放管控技术等难题。2017年10月,多部门和单位协作,由200多家单位、近2000人组成的科技攻关团队投入研究,国务院为此设立专项资金5.75亿元。原环境保护部专门成立了国家大气污染防治攻关联合中心,统筹攻关工作。

蓝蓝天工作室了解到,通过一年半的努力,攻关已有初步战果,科学家们基本摸清了京津冀及周边地区大气重污染的“病根”。

排放是“病根”,天气是诱因,复杂的颗粒物二次转化是催化剂

“京津冀及周边地区大气重污染,是污染物本地累积、区域传输和二次转化综合作用的结果。”中国工程院院士、北京大学教授张远航说,“远超环境承载力的污染排放强度是大气重污染形成的主因,不利气象条件造成污染快速累积是诱因,大气氧化驱动的二次转化是污染累积过程中颗粒物爆发式增长的动力。”

这样的结论并不让人感到意外。但是这一次,专家们的“望闻问切”比以往更细致,“病因”找得更精准。

中国工程院院士、清华大学教授郝吉明说,大气污染物的高强度排放是京津冀及周边地区秋冬季大气污染形成的最主要原因。

为了把这个主要原因搞得更清楚,攻关项目把网格化管理和区县、乡镇调研结合起来,基于大量调查和实测,编制了京津冀及周边地区大气污染传输通道“2+26”城市精细化污染源排放清单。清单包括10类排放源、9种污染物,涉及各行业工业点源总计8.6万个、餐饮企业10.6万家,大大提升了这一区域大气污染源排放清单的精度。

攻关联合中心建成了天地空综合立体观测网,通过外场观测、实验室分析和数值模拟等综合研究手段,开展了细致的研究工作。不仅如此,800多名科研人员深入“2+26”城市,开展长期驻点研究和技术指导,在每一个城市布设3—5个采样点,共设采样点109个,在2017—2018年秋冬季进行连续采样,共采集约2.6万个样品,完成了这些城市2017—2018年秋冬季颗粒物的来源解析研究。

经过科学家们的系统梳理,“高强度排放”这个主因令人信服。

——看污染来源:燃煤、工业、机动车、扬尘这四大来源是主要的,占比达到90%左右。

——看排放强度:这一区域产业结构偏重,能源结构以煤为主,交通结构以公路为主,钢铁、焦炭、玻璃、原料药等产量均占全国40%以上,单位国土面积煤炭消费量是全国平均水平的4倍,大宗物料80%依靠柴油货车运输,排放强度大。

——看时间分布:受采暖影响,这一区域秋冬季一次PM2.5和有机碳、黑碳等组分的月均排放水平,是非采暖季的1.5—4倍,而保定、濮阳、太原、阳泉、长治、晋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。

——看行业分布:钢铁及焦化行业主要分布在唐山和晋冀鲁豫交界地区,玻璃行业集中在邢台、淄博等地,石化化工主要集中在淄博、天津、沧州、石家庄等地。

污染物都有哪些、从哪里来、各来源的占比多少,都更为清楚

联合攻关的一大突破,是实现了对重污染过程的精细化定量化描述。

攻关联合中心副主任、中国环境科学研究院大气环境首席科学家柴发合告诉蓝蓝天工作室记者,2015年以来,京津冀及周边地区重污染过程发生频次、持续时长和峰值均呈下降趋势。2017年10月至今年3月初的秋冬季期间,京津冀及周边地区共出现23次区域重污染过程。攻关联合中心对23次污染过程都进行了精细化定量化解析,一一分析比对污染全过程的污染物组分、来源数据。

以今年1月10—14日的污染过程为例,污染前期,区域中北部近地面风速小于2米/秒,且存在逆温,造成污染局地积累在约500米高度的混合层(近地面空气可以在其中上下混合交换)中。保定市和石家庄市PM2.5浓度在半天左右就从优良水平转为重度污染水平,空气质量指数出现小时“爆表”。PM2.5中有机物(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,这反映了燃煤和生物质燃烧排放的显著“贡献”。

随后,受区域偏西南风的输送影响,北京市在1月10—12日晚间均出现了PM2.5浓度的快速增长,12日晚间增幅最大(PM2.5浓度在5小时内上升了291微克/立方米),部分监测站点出现“爆表”。专家们利用空气质量模型进行模拟,结果表明,沿西南通道的污染物传输“贡献”最大。

此外,北京1月12日晚间污染最重时段,硝酸盐、硫酸盐、铵盐浓度明显上升,占比合计超过50%。这表明北京及周边地区气态污染物的二次转化,也是推高北京PM2.5浓度的关键因素。气态污染物的二次转化,是指二氧化硫、氮氧化物等气态污染物在大气中发生氧化等化学反应,形成硝酸盐、硫酸盐等PM2.5的主要成分。

风速小于2米/秒、混合层高度低于500米、

大气相对湿度达60%以上容易发生重污染

在当前的高强度排放水平下,蓝天要靠“人努力”,也确实需要“天帮忙”。

攻关专家运用多个模型系统,分析了2000—2017年气象条件对空气质量的影响。结果显示,由于气象条件的年际差异,京津冀及周边地区“2+26”城市PM2.5年均浓度的波动幅度可达10%,个别城市可达15%;由于气象条件的月际差异,城市PM2.5月均浓度的波动幅度可达30%以上。

中国工程院院士、中国气象科学研究院研究员徐祥德,中国气科院大气成分研究所所长王亚强,国家气候中心研究员柳艳菊等组成气象攻关团队,对这一问题开展了深入研究。

徐祥德介绍,京津冀及周边地区位于太行山东侧“背风坡”和燕山南侧的半封闭地形中,受青藏高原大地形“背风坡”效应所导致的下沉气流和“弱风效应”影响,冬季京津冀及周边地区为显著的下沉气流区,这不利于大气对流扩散及污染物清除。这个地区是我国冬季大气污染最重、季节差异最为显著的区域,PM2.5浓度冬季普遍偏高,污染最重,秋、春季次之,夏季最轻。

到底是什么样的天气,容易形成空气重污染?

“从目前统计分析结果来看,在京津冀及周边地区,符合以下条件时容易产生本地累积型重污染:风速小于2米/秒,对污染物水平扩散极其不利;大气处于静稳状态,垂直扩散能力较差;近地面逆温,混合层高度低于500米;大气相对湿度达60%以上,导致气态前体物向颗粒物加速转化。”徐祥德说,“在空气污染过程中,污染累积到一定程度后还会导致气象条件进一步转差,重污染和不利气象条件之间形成显著的‘双向反馈’效应。”(据新华网)


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