把脈大氣重污染,大氣攻關項目為環境決策提供科學支撐
來源:中國環境報 | 作者:文雯 | 發布時間: 2019-04-15 | 1353 次瀏覽 | 分享到:

“我們建立了國內最大的天地一體化觀測網,其中依托中國環境監測總站和環科院,建立了京津冀地區組分觀測網和雷達監測網;依托北京大學和環科院,開展了京津冀大氣綜合觀測實驗,首次在4個超級觀測站上對大氣氧化性-新粒子生成-顆粒物增長和消光特性等關鍵參數開展了同步觀測研究。”大氣攻關項目專家、北京大學環境科學與工程學院研究員陸克定說。

從2017年10月開始,到現在短短一年多,大氣攻關項目組的專家們深入一線調研,針對當前大氣重污染成因研究碎片化和認識片面化的問題,以重污染發生-演變-消散全過程的核心科學問題為導向,采用閉合研究的技術思路,開展邊界層氣象和大氣化學過程天地空一體化同步立體綜合觀測實驗,構建基于觀測的模型、近真實條件下煙霧箱模擬和空氣質量模型相互印證的方法體系,強化硫-氮-碳污染物轉化機制及高濕富氨條件下二次顆粒物形成機制的研究,定量解析污染排放、氣象過程和化學轉化對重污染過程的影響,提出我國大氣重污染成因的耦合新機制及參數化方案,形成具有共識性的科學結論,構建持續開展重污染過程全方位監控和來源成因診斷的業務化能力,為環境管理部門綜合決策提供科學支撐。

摸清“2+26”城市大氣污染特征

2018年,山西、陜西、河北、湖北、重慶、內蒙古、四川等地區對水泥行業實施夏季錯峰生產。以山西省為例,通過2018年錯峰生產,全省減少水泥熟料產量390.9萬噸,減少燃煤消耗45萬噸(折標煤),減少CO2排放338.1萬噸,減少SO2排放120噸,減少NOx排放4340噸,減少粉塵排放720噸,減少熟料庫存約400萬噸,減少企業流動資金占用約6億元。

在這些地區實行水泥行業錯峰生產的舉措并不是無的放矢,而是基于大氣攻關項目的研究成果。哪些地區需要對水泥進行錯峰生產,哪些地區需要加大淘汰鋼鐵落后產能力度,環保措施在大氣攻關項目的支持下,有了更為清晰和明確的目的。

基于手工觀測數據,大氣攻關項目對京津冀及周邊地區秋冬季顆粒物化學組分的空間分布開展了定量研究。陸克定介紹說,“2+26”城市的硫酸鹽濃度范圍在3.98μg/m3~17.52μg/m3,濃度最低的是北京市,濃度最高的是晉城,除了北京、天津、廊坊、滄州和唐山,其他23個城市的濃度均超過10.0μg/m3。濃度較高的城市是鶴壁、焦作、晉城,分別為16.73μg/m3,17.42μg/m3,17.52μg/m3。“2+26”城市的有機物濃度范圍在17.17μg/m3~351.54μg/m3,濃度最低的是天津,濃度最高的是保定。除了北京和天津,其他26個城市的濃度均在20.0μg/m3以上,只有保定超過了50.0μg/m3,達到了最高值51.54μg/m3。

“這說明,京津冀大氣PM2.5主要來自二次轉化及機動車和燃煤一次排放,在區域層面上工業排放對PM2.5的貢獻仍然比較顯著。”陸克定解釋說。

發現主要大氣輸送通道

陸克定介紹說,立體監測網從2017年10月下旬至目前,觀測到主要的輸送過程以太行山輸送帶為主。

“北京地區除本地排放在區域逆溫等不利擴散條件下的累積外,系統性的偏南風導致的外來污染輸送也是污染形成的主要原因。”陸克定解釋說,污染物主要在太行山山前的城市帶上形成堆積和輸送,輸送通道上各城市顆粒物污染發生有明顯先后順序,上風向城市污染狀況對下風向城市空氣質量有明顯影響。與2016年同期相比,污染輸送總量和峰值有明顯降低。2017~2018年度秋冬季,幾次污染形成初期,京津冀地區均主要以偏南風(西南風或南風)為主,風速較低,并且存在明顯的邊界層降低和逆溫現象。

針對與京津冀冬季顆粒物污染有密切聯系的大地形和氣象條件的綜合影響問題,大氣攻關項目發現此區域大氣顆粒物污染受我國青藏高原大地形影響,其大氣擴散條件存在“先天不足”。這一地區易受到大地形“背風坡”效應所導致的下沉氣流和“弱風效應”的影響。

2017~2018年秋冬季北京地區氣溫相對于氣候平均狀態總體偏低,且低于其南部地區,京津冀地區相對于氣候平均狀態為低槽控制,高度場負距平,冷空氣活躍,京津冀地區相對于氣候平均狀態為異常偏北風控制。“上述氣象條件是2017~2018冬季空氣質量改善的外部條件。”陸克定告訴記者。

切斷污染輸送的通道

很多人發現,從2017年年底開始,重污染預警的天數明顯減少。像以前持續一周重污染的情況幾乎沒有再出現,污染團的轉移也很少出現。切斷污染輸送通道,才能降低重污染發生的頻率,減少大氣重污染持續時間。

在我國現有污染物排放量大的內因條件下,京津冀區域冬季相隔一段時間就會出現的PM2.5重污染過程是在不利氣象條件出現的背景下形成的;當PM2.5污染累積到一定程度,會使邊界層氣象條件進一步惡化,不利氣象條件與PM2.5質量濃度在數小時或十幾小時內至少上升一倍的“爆發性增長”之間存在“雙向反饋”的相互促進機制,不利氣象條件的反饋作用控制了PM2.5濃度的“爆發性增長”量:在北京體現為南風輸送污染物到兩面環山的北京地區累積。

“當PM2.5污染累積到一定程度會顯著改變邊界層結構,導致逆溫、低層增濕、湍流下降、邊界層高度下降到300 m甚至更低,使污染物在更貼近地面、更小范圍內混合,這種邊界層氣象條件進一步轉差的反饋作用導致了PM2.5在數小時或十幾小時內質量濃度至少上升一倍爆發性增長現象。”陸克定告訴記者,這種現象受不利氣象條件與累積到一定程度PM2.5污染之間“雙向反饋”機制控制。

在2013年以來冬季持續時間超過3天的絕大多數重污染過程中,這種“雙向反饋”的機制被發現普遍存在。陸克定介紹說,2017年11月~2018年2月京津冀出現的5次持續性重污染過程中,有4次存在這種“雙向反饋”機制。有一次因PM2.5沒有累積到足以顯著改變邊界層結構的門檻條件,南風的輸送控制了PM2.5的上升。這表明將PM2.5污染在冬季大幅削減、使之達不到觸發“雙向反饋”機制的濃度,會大幅減少持續性重污染過程;同時表明即使在有利氣象條件下,也不宜無限制地允許污染排放,因為當污染累積到一定程度后會顯著改變邊界層氣象條件,“關閉”污染擴散的“氣象通道”。

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