空氣重污染應急措施對北京市PM2.5的削減效果評估

王凌慧,曾凡剛,向偉玲,王自發(fā),楊文夷（1.中國人民大學環(huán)境學院,北京 10087；.中國科學院大氣物理研究所,大氣邊界層物理與大氣化學國家重點實驗室,北京 100091）

空氣重污染應急措施對北京市PM2.5的削減效果評估

王凌慧1,2,曾凡剛1*,向偉玲2,王自發(fā)2,楊文夷2（1.中國人民大學環(huán)境學院,北京 100872；2.中國科學院大氣物理研究所,大氣邊界層物理與大氣化學國家重點實驗室,北京 1000291）

利用嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)（NAQPMS）模擬了2013年1月10～14日一次典型的大氣嚴重污染過程,并利用同期氣象和污染物濃度的小時觀測數(shù)據(jù)驗證了NAQPMS的模擬結果.敏感性試驗結果表明,在重污染期間,當僅實施《北京市空氣重污染應急預案（試行）》一級預警中機動車單雙號限行措施時,可削減北京PM2.5小時平均濃度4%～10%；當僅實施工業(yè)限產(chǎn)減排30%的措施時,可削減北京PM2.5小時平均濃度1%～6%；當同時實施機動車單雙號限行和工業(yè)限產(chǎn)減排30%的措施時,可削減北京平均PM2.5小時平均濃度6%～12%,并且PM2.5小時濃度與削減率的變化趨勢呈反相關,即該措施對污染較輕時段 PM2.5濃度削減率高于污染峰值時段；若京津冀地區(qū)兩市一省同時實施機動車單雙號限行和工業(yè)限產(chǎn)減排30%的措施時,可削減重污染期間北京小時平均PM2.5濃度20%～35%,且污染嚴重的區(qū)域和時段削減效果更加顯著,空氣質(zhì)量可提升一個等級.研究結果表明,當北京發(fā)生重污染時,僅靠北京本地限排限產(chǎn)并不能有效減輕PM2.5濃度,若要有效控制北京重污染,應根據(jù)污染物區(qū)域輸送特征,京津冀地區(qū)實施大氣污染聯(lián)防聯(lián)控.

空氣重污染；PM2.5；應急預案；削減效果；嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)（NAQPMS）

灰霾會影響大氣輻射平衡、增加極端氣候事件、引起酸雨光化學煙霧、加重人體呼吸道疾病等［1］.隨著我國大氣污染源分布格局的改變,灰霾污染頻繁發(fā)生［2-3］.2013年1月我國中東部發(fā)生了嚴重灰霾污染事件,74個主要城市有 22d PM2.5濃度超標［4］,其中北京PM2.5濃度小時值最高達到680μg/m3.為控制大氣重污染,2013年10月北京市發(fā)布了《北京市空氣重污染應急預案（試行）》［5］,此后,上海、廣東、江蘇、河北、河南等多個地方也相繼出臺與北京類似的應急預案.這類應急措施是否能夠減輕重污染,如何有效的控制灰霾污染,既是我國大氣化學研究領域最關注的科學問題,也是政府制定有效措施的理論依據(jù).

大氣污染物存在平流、輸送、沉降、氣象化學、氣溶膠化學等非線性物理、化學過程［6-8］,因此前人多采用數(shù)值模擬方法研究和評估大氣污染控制措施.吳其重等［9］利用嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)的源追蹤方法量化了奧運會北京空氣質(zhì)量保障方案對北京城八區(qū)SO2、PM10的貢獻.顏敏等［10］利用CALPUFF模式模擬了2011年深圳市大運會環(huán)境空氣質(zhì)量保障措施方案對SO2、NO2、PM10濃度的影響.賀克斌［11］利用2013年排放源清單和區(qū)域空氣質(zhì)量模型量化分析了《大氣污染防治行動計劃（2013-2017）》措施的減排效果.這些研究主要考慮較大的時空尺度,也較少針對灰霾主要成分 PM2.5進行分析,而大氣重污染應急措施對重污染期間PM2.5濃度的減排效果仍未定論.因此,嚴重污染時段應急減排措施對PM2.5影響的定量化是一個值得研究的問題,應急預案的科學性也亟待進一步論證.

本文在前人研究的基礎上,針對2013年1月10～14日北京達到預警一級的典型灰霾嚴重污染過程,利用我國自主研發(fā)的模式NAQPMS［9,12-13］,評估北京應急預案預警一級的實施對北京市PM2.5濃度的影響,量化機動車單雙號限行、工業(yè)減排30%等強制性措施對PM2.5濃度在時間和空間上的削減效果,以期為科學制定應急預案提供理論支持,是應急預案科學性評估的初步探索.

1　研究方法

1.1模式及參數(shù)設置

本文采用的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)（Nested Air Quality Prediction Model System, NAQPMS）是中國科學院大氣物理研究所研發(fā)的一種三維歐拉化學傳輸模式［14］.該模式氣象模塊采用美國國家大氣研究中心研發(fā)的中尺度天氣數(shù)值預報系統(tǒng)（WRF）,化學傳輸模塊主要考慮了污染物平流、擴散、干濕沉降,液相化學、氣相化學、非均相化學等過程［15-16］,可實現(xiàn)區(qū)域、城市尺度、多物種的模擬.設置三層嵌套網(wǎng)格,水平分辨率分別為45、15、5km（圖1）.垂直方向采用地形追隨坐標,地面到海拔高度 20km不均勻分為20層,1km以下分為7層.

圖1　NAQPMS模擬區(qū)域設置（填色部分為地形高度）Fig.1　Nested domains for NAQPMS simulation

圖2　PM2.5排放速率和觀測站點分布Fig.2　PM2.5emission rates and distributions of monitor stations in Jan. of 2013

人為排放源是日本國立環(huán)境研究所的亞洲排放清單（Regional Emission inventory in Asia）REAS2.0,基準年是2007年,排放物種包括二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、揮發(fā)性有機物（VOCs）、黑炭（BC）、有機物（OM）和直接排放的PM2.5（即一次PM2.5）［17］.2007～2013年我國執(zhí)行了嚴格的脫硫等減排措施,2013年實際排放與REAS2.0排放清單存在差別,因此,本文在對比北京及周邊省市的2013年環(huán)境統(tǒng)計年鑒和其他排放清單基礎上［18-20］,調(diào)整模式中北京地區(qū)的排放源,并將河北省2012年一萬多家工業(yè)污染源排放清單更新到 REAS2.0,圖 2是2013年1月北京市PM2.5排放速率空間分布.

本文選取有代表性的2013年1月作為冬季重污染的研究時間,是強制性減排措施效果的初步探索.2013年1月北京市共發(fā)生了4次大氣污染過程,分別是10～14日、17～22日、22～24日和25～31日.1月20日起北京市政府臨時執(zhí)行部分應急措施,且其中包括很多建議性減排措施,且具體措施尚不明確.而10～14日污染過程持續(xù)時間最長,污染程度最重,且符合應急預案一級強制性措施的啟動條件.因此,本研究最終確定2013年1 月 10～14日作為本次強制性減排措施詳細研究的重污染時段,其中1月7～9日是模式啟動時間.

1.2敏感性試驗設計

表1　敏感性試驗設計Table 1　The design of Sensitivity tests

依照應急預案減排措施要求,為評估北京強制性減排措施對PM2.5濃度的影響,設計如下敏感性試驗.base表示2013年1月北京市實際排放情景.case1為僅考慮北京機動車限行情景,即當機動車單雙號限行和公務用車在單雙號限行基礎上再停駛 30%時,假設機動車污染物排放量與機動車保有量成正比,那么模式中北京的機動車源削減到base的45%,其他類型排放源不變.case2為僅考慮北京重點控制工業(yè)企業(yè)減排情景,即其它類型排放源不變,僅將模式中北京的工業(yè)源削減到base的70%.case3為同時考慮北京機動車限行措施和重點控制工業(yè)企業(yè)減排情景,即模式中其它類型排放源不變,將模式中北京的工業(yè)源削減到base的70%,機動車源削減到base的45%.

為進一步深入討論京津冀地區(qū)聯(lián)合采取強制措施對北京市 PM2.5濃度影響程度,本文假設京津冀聯(lián)合采取應急預案的一級預警措施,再次設計敏感性試驗（case4）,即將京津冀所有地區(qū)機動車源削減為base的45%,工業(yè)源削減為base的70%.最終的試驗設計如表1.

2　模擬結果與分析

2.1模擬結果驗證

2013年1月北京天氣形勢屬于高濕、低能見度的灰霾天氣［21］,且北半球中緯度地區(qū)大氣環(huán)流以緯向為主,冷空氣勢力偏北,不利于冷空氣南下,從而造成北京地區(qū)長時間維持靜穩(wěn)天氣［22-23］.本文選取氣候資料國際交換站北京站（站號 54511,簡稱交換站）和中國科學院大氣物理研究所氣象塔（簡稱大塔）2013年1月10～14日近地面風速、相對濕度、溫度與WRF模擬結果進行對比（表2）.結果表明,WRF對研究時段的氣象場有較好的模擬能力,各項統(tǒng)計參數(shù)均在可接受范圍內(nèi).

圖3　2013年1月10～14日6個監(jiān)測站點PM2.5、NO2、SO2小時模擬值與觀測值對比Fig.3　Comparison of observations and simulations of PM2.5,NO2and SO2concentrations at 6stations from 10thto 14thJan. 2013

表3　2013年1月10～14日市區(qū)和郊區(qū)PM2.5, NO2, SO2小時濃度模擬值與觀測值對比參數(shù)統(tǒng)計Table.3　Statistics of hourly mean concentrations of PM2.5, NO2, SO2of observations and simulations at urban and suburb stations from 10thto 14thJan. 2013

本文利用北京市奧體中心、大塔、永樂、東高村、水庫、八達嶺6個監(jiān)測站點（站點位置見圖2,奧體中心和大塔為市區(qū)站點,永樂、東高村、水庫、八達嶺為郊區(qū)站點）2013年 1月 10～14日PM2.5、NO2、SO2的小時濃度值與NAQPMS的小時模擬值進行對比.結果表明,NAQPMS能夠較好的模擬重污染期間PM2.5、NO2和SO2的污染水平（圖3,表3）.PM2.5和NO2小時模擬結果與觀測變化趨勢較為一致,SO2市區(qū)模擬效果客觀上存在一定的不確定性,主要原因是北京近幾年大力實施脫硫,特別是市區(qū),使得北京市SO2排放源空間分布不確定性增加,而且SO2個別站點的小時值可能存在局部污染也加大不確定性,但是隨著研究機制的不斷深化.模擬效果也會逐步提升.但從總體上看,NAQPMS較好的再現(xiàn)了2013年1月10～14日北京重污染過程,反映了污染物濃度變化趨勢,這為分析敏感性試驗結果提供了較可靠的基礎.

2.2敏感性試驗結果分析

試驗結果表明（圖 4,圖 5）,case1情景,空間上,北京全市域PM2.5小時平均濃度削減率為4%～10%,削減率相對較大的區(qū)域為順義、密云、懷柔南部、昌平東部,大興、房山及中心城區(qū)次之,毗鄰燕山山脈的延慶、昌平西部、門頭溝、房山西部及平谷削減率基本在4%以下.時間上,PM2.5小時濃度削減率變化幅度較大,最高可達到35%（順義10日中午）,最低只有3%（農(nóng)展館12日凌晨）；盡管PM2.5在峰值時其濃度削減較大,但 PM2.5小時濃度與削減率呈反相關,即在12日、13日、14日午時PM2.5濃度處于波峰時,其削減率處于波谷,在PM2.5濃度處于波谷時,其削減率處于波峰.

case2情景,空間上,北京全市域PM2.5小時平均濃度削減率為1%～6%,低于case1情景下削減率,且主要削減區(qū)域集中在中心城區(qū)、順義、密云和門頭溝等,其他區(qū)域削減率非常小.從時間上看,case2情景下PM2.5小時濃度削減變化與case1相似,但削減率變化幅度較 case1小,最高可達20%,最低不足1%.

case3,從空間上看,北京全市域PM2.5小時平均削減率為6%～12%,均高于case1和case2情景下的削減率,削減幅度較大的區(qū)域主要集中于順義、密云、懷柔南部、昌平東部、朝陽、中心城區(qū)及大興北部等.時間上分析,case3情景下PM2.5小時濃度削減變化與case1和case2相似,僅削減幅度稍大于case1和case2,小時削減率最大值為36%,最小值為4%.

上述分析結果表明,北京市發(fā)生重污染時,機動車單雙號限行可削減PM2.54%～10%,工業(yè)源減排 30%可削減 PM2.51%～6%,同時執(zhí)行機動車單雙號限行和工業(yè)源減排 30%的強制措施可削減PM2.56%～12%.這說明當北京市發(fā)生重污染時,執(zhí)行北京應急預案一級預警強制措施,并不能大幅降低PM2.5濃度,灰霾污染仍較嚴重.此外,各情景下PM2.5小時濃度與削減率變化趨勢呈反相關,即污染較輕時段的削減率較大,污染較重時段削減率較小,表明北京應急強制措施對污染較輕時段PM2.5濃度削減率高于污染峰值時段.

圖4　2013年1月10～14日各情景下北京PM2.5小時平均濃度削減率空間分布Fig.4　Spatial distribution of reduced ratio of PM2.5concentrations in each scenario from 10thto 14thJan. 2013

圖5　2013年1月10～14日各情景下6個典型站點PM2.5小時模擬值（μg/m3）及削減率（%）時間序列Fig.5　hourly concentration and reduced ratio of PM2.5at 6typical stations in each scenario from 10thto 14thJan. 2013

2.3京津冀聯(lián)合控制試驗結果分析

王自發(fā)等［22］研究表明北京 PM2.5濃度受外部輸送影響顯著,2013年1月北京本地貢獻 48.3%,河北貢獻次之,達到26.4%.敏感性試驗case4（將京津冀地區(qū)機動車源削減為base的45%,工業(yè)源削減為base的70%）進一步討論京津冀地區(qū)聯(lián)合采取強制措施對北京市 PM2.5濃度影響程度.試驗結果表明（圖 6,圖 7）,當京津冀地區(qū)全部執(zhí)行機動車單雙號限行和工業(yè)減排 30%的強制措施時,空間上,北京全市域PM2.5小時平均濃度削減率為20%～35%,削減率相對較大的區(qū)域為北京東南部和東北部,包括密云、順義、平谷、朝陽、通州、大興等,削減率在30%以上.時間上,PM2.5小時濃度削減較顯著,其削減率小時變化幅度不大,大部分站點的 PM2.5濃度達到峰值時其削減率也較大.

表4是利用北京12個國控站點（定陵、昌平、懷柔、順義、古城、奧體中心、萬壽西宮、東四、農(nóng)展館、天壇、官園、海淀區(qū)萬柳）計算的北京強制措施情景（case3）與京津冀聯(lián)合強制措施情景（case4）的 PM2.5日均削減濃度和削減率.在case4情景下,北京市PM2.5日最大削減濃度可達107μg/m3,日最低削減濃度也為 58μg/m3,5日平均削減濃度為 87μg/m3,削減率為 26%.與 case3 的PM2.5削減結果比較,case4的日最大削減濃度高出59μg/m3,日最小削減濃度高出29μg/m3,5日平均削減濃度高出51μg/m3,削減高出15%,均高出case3情景的1倍以上.計算case3與case4情景每日的空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）,并與 base情景進行比較,結果表明,當僅北京執(zhí)行強制措施,北京重污染過程中每日AQI有所下降,但并未全部降低污染等級；當執(zhí)行京津冀聯(lián)合強制措施時,北京重污染過程中每日的AQI降幅明顯,均可下降一個等級,能夠有效減輕灰霾污染.

圖6　2013年1月10～14日京津冀聯(lián)合控制情景下北京PM2.5小時平均濃度削減率空間分布Fig.6　patial distribution of reduced ratio of PM2.5concentrations in the scenario of combined control over Hebei-Beijing-Tianjin from 10thto 14thJan. 2013

圖7　2013年1月10～14日京津冀聯(lián)合控制情景下6個典型站點PM2.5小時模擬值（mg/m3）及削減率（%）時間序列Fig.7　hourly concentration and reduced ratio of PM2.5at 6typical stations in the scenario of combined control over Hebei-Beijing-Tianjin from 10thto 14thJan. 2013

表4　北京強制措施情景與京津冀聯(lián)合強制措施情景的PM2.5日均削減濃度和削減率Table 4　Comparison of reduced PM2.5between the scenarios of Beijing control and Hebei-Beijing-Tianjin control

3　結論

3.1NAQPMS模式能夠較好的模擬空氣重污染過程,合理反映了 PM2.5及其前體物的小時濃度變化趨勢和空間分布特征.

3.2當北京執(zhí)行機動車單雙號限行措施,可削減重污染過程中 PM2.5濃度 4%～10%；當北京執(zhí)行工業(yè)減排 30%的措施,可削減重污染過程中PM2.5濃度 1%～6%；當北京同時執(zhí)行機動車單雙號限行、工業(yè)減排 30%的措施時,可削減重污染過程中PM2.5濃度6%～12%.

3.3僅北京本地執(zhí)行單雙號限行和工業(yè)減排30%的強制措施,PM2.5小時濃度與削減率的變化趨勢呈反相關,表明該措施對污染較輕時段PM2.5濃度削減率高于污染峰值時段.若京津冀一省兩市聯(lián)合執(zhí)行機動車單雙號限行和工業(yè)減排 30%的措施,可削減北京重污染過程中 PM2.5濃度20%～35%,并可提升重污染過程中每日AQI一級等級,達到有效減輕北京灰霾污染的效果.

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致謝：本試驗使用的驗證數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站,在此表示感謝.

A model evaluation of the effect of implementing heavy air pollution emergency plan to PM2.5reduction in Beijing.

WANG ling-hui1,2, ZENG fan-gang1*, XIANG wei-ling2, WANG zi-fa2, YANG wen-yi2（1.School of Environment and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China；2.State Key Laboratory of Atmospheric Boundary layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100291, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2546～2553

The nested air quality prediction model system （NAQPMS） was utilized to simulate a severe polluted process from January 10thto 14th, 2013. NAQPMS reproduced the variation of pollutants well, with good agreement between model simulation and observations both in tendency and magnitude. The sensitivity tests indicate that PM2.5would be reduced by 4%～10%, 1%～6%, and 6%～12%, respectively, if the odd-even traffic control measure, the 30% industrial emission cut measures were implemented separately, or simultaneously. It was found that PM2.5concentration was inversely correlated with its reduction ratio in the above three tests, in other words, the reduction ratio of the above measures taken in Beijing was much higher in the periods of low PM2.5concentration. If both of the above measures were taken simultaneously over Hebei-Beijing-Tianjin （HBT） region, it would lead to 20%～35% reduction in PM2.5concentration and air quality would be improved by one level higher, especially during the periods in areas of peak concentration. In summary, it was unreliable to limit local emissions exclusively for controlling heavy pollution of Beijing, and the combined effort in control of HBT could be a better way to solve the emergent air pollution problem in Beijing.

heavy air pollution；PM2.5；emergency plan；decrease effect；nested air quality prediction model system （NAQPMS）

X513

A

1000-6923（2015）08-2546-08

2014-12-28

中國科學院戰(zhàn)略先導科技專項

* 責任作者, 教授, zengfg@ruc.edu.cn

王凌慧（1988-）,女,河北秦皇島人,中國人民大學環(huán)境學院環(huán)境科學系碩士,研究方向大氣科學.