APEC前后京津冀區(qū)域灰霾觀測及控制措施評估*

文/劉建國　謝品華　王躍思　王自發(fā)　賀泓　劉文清中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院 合肥 00中國科學院大氣物理研究所 北京 0009中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 北京 00085

APEC前后京津冀區(qū)域灰霾觀測及控制措施評估*

文/劉建國1謝品華1王躍思2王自發(fā)2賀泓3劉文清1
1中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院 合肥 230031
2中國科學院大氣物理研究所 北京 100029
3中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 北京 100085

2014年北京APEC會議前后，中科院組織實施了“京津冀區(qū)域灰霾綜合外場實驗”，綜合運用地面觀測、激光雷達探空、車載走航、衛(wèi)星遙感和數(shù)值模型預報等多種手段，對APEC前后京津冀地區(qū)的歷次灰霾污染形成過程進行了全方位觀測和模擬，分析了京津冀區(qū)域大氣污染物環(huán)境容量、區(qū)域輸送變化以及二次氣溶膠所占比例，對APEC期間應急控制措施的效果進行了評估，并提出了留住“APEC藍”的建議。

灰霾，APEC藍，監(jiān)測技術(shù)，數(shù)值模擬

2014年11月5—11日，亞太經(jīng)濟合作組織（APEC）會議在北京召開。11月，北京處于秋冬轉(zhuǎn)換季節(jié)，往往風速小、降水少、靜穩(wěn)逆溫天氣頻發(fā)，不利于污染物擴散。為保障會議期間北京的空氣質(zhì)量，北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、山東等省區(qū)市采取了不同程度的減排措施。北京各類主要污染物減排比例在40%以上，其他省區(qū)市污染物減排比例在30%以上。在多方努力下，加上相對往年較為有利的氣象條件，APEC會議期間，北京空氣質(zhì)量優(yōu)良，僅1天為輕度污染，實現(xiàn)了“APEC藍”。

為闡明AEPC期間減排措施的效果，并以此深入認識京津冀區(qū)域大氣復合污染成因和秋冬季重霾污染的形成機制，中科院在實施“大氣灰霾追因與控制”先導專項的基礎(chǔ)上，進一步組織實施了“京津冀區(qū)域灰霾綜合外場實驗”，以毗鄰懷柔雁棲湖的國科大超級大氣觀測站為核心實驗區(qū)，采用地面觀測、激光雷達探空、車載走航、衛(wèi)星遙感和數(shù)值模型預報等多種手段，構(gòu)建了包含由2個超級站、15個立體觀測站、6輛移動觀測車和20多個氣象站組成的“京津冀大氣污染綜合觀測研究網(wǎng)絡”，對2014年10—11月期間，京津冀區(qū)域的數(shù)次灰霾污染形成過程進行了全方位觀測。

1　APEC期間的區(qū)域大氣污染特征及成霾過程

1.1減排措施與天氣形勢

APEC期間，京津冀區(qū)域大氣污染格局為南重北輕，并隨時間從南向北蔓延，具體表現(xiàn)為當北京地區(qū)南部由輕度轉(zhuǎn)為中度、重度污染時，市區(qū)和北部空氣質(zhì)量依然保持優(yōu)良。主要原因是京津冀區(qū)域污染源得到了有效控制。APEC空氣質(zhì)量保障期間，各地區(qū)采取重污染工業(yè)企業(yè)停產(chǎn)、限產(chǎn)、機動車限行、嚴控施工揚塵等控制措施后，污染物得到大幅削減（表1）。

表1　各地區(qū)采取控制措施后污染物減排比例

APEC期間，北京天氣條件主要受華北區(qū)域穩(wěn)定高壓中心影響，弱西南風主控，存在近地層淺逆溫，不利于污染物擴散，但過程相對較弱。加之北京北部受局地山谷南北風切變的影響，一定程度上稀釋了本地污染。

圖1　2014年10月與APEC期間污染時段PM2.5比對分析

APEC期間的天氣形勢與之前2014年10月17—20日的過程類似，屬于弱累積天氣型，表現(xiàn)為持續(xù)風向時間較短，日夜山谷風切換頻繁，濕度略低。在同類天氣形勢控制下，APEC期間PM2.5僅為54 μg/ m3，而在同年10 月 17—20日期間 ，PM2.5高 達133μg/m3（ 圖1）。如果APEC期間受“強累積天氣型”控制，模式模擬計算表明，PM2.5將從54 μg/m3上升至75 μg/m3以上，北京地區(qū)空氣質(zhì)量將從良好下降到輕度污染。因此，除減排的貢獻外，相對有利的天氣過程使北京地區(qū)大氣污染下降了一個級別。

1.2大氣污染物變化過程

1.2.1氣態(tài)污染物區(qū)域分布特征和變化規(guī)律

NO2和SO2是致霾的主要氣態(tài)污染物，前者以燃煤工業(yè)和機動車排放為主，后者主要來自燃煤工業(yè)排放。京津冀區(qū)域的地基MAX-DOAS遙感觀測表明，10月份北京NO2柱濃度高于周邊地區(qū)，說明北京NO2主要來源于本地源排放；而北京南部各城市SO2柱濃度明顯高于北京，由此可見，在偏南風場下，區(qū)域SO2輸送對北京市空氣質(zhì)量有較大影響。APEC期間，相對污染時段（11月7—11日）北京和石家莊NO2濃度分別為57 μg/m3和51 μg/m3，較前期10月17—20日相似污染時段的88 μg/m3和77 μg/m3分別下降了35%和33%；而天津NO2濃度前后變化不大。整體而言，APEC期間，主要城市NO2濃度下降程度依次為北京＞石家莊＞天津；在SO2方面，石家莊出現(xiàn)明顯下降，北京無變化但保持低值，與10月17—20日相比，天津在相對污染時段（11月7—11日）的SO2上升了一倍，主要受風向切變帶來的外圍輸送影響。

采取控制措施后，北京市NO2柱濃度降低了58%，SO2柱濃度降低了41%（圖2）。從衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，北京區(qū)域NO2柱濃度下降47.8%；天津唐山區(qū)域NO2柱濃度下降23%；邯鄲邢臺區(qū)域柱濃度下降17%（圖3），衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地基遙感觀測數(shù)據(jù)有較好的吻合。

1.2.2顆粒物區(qū)域分布特征和變化規(guī)律

APEC期間，京津冀區(qū)域主要城市PM2.5和PM10濃度比10月下旬均有明顯下降，從絕對濃度和相對降幅變率比較，下降程度依次為北京＞石家莊＞天津，與10月份類似污染時段相比，北京PM2.5（54 μg/m3）下降了68%，石家莊PM2.5（82 μg/m3）下降了58%，天津PM2.5（100 μg/m3）下降了10%。

11月6—12日，北京地區(qū)的PM1、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化顯示，北京地區(qū)的空氣質(zhì)量良好，相對污染時段和對照時段PM2.5的平均值分別為54 μg/m3和11 μg/m3，均低于空氣質(zhì)量國家二級標準（75 μg/m3）（圖4）。

圖2　北京NO2和SO2柱濃度變化量（2014年10月25日—2014年11月12日）

圖3　京津冀控制措施實施前后NO2區(qū)域分布對比

與10月下旬相比，APEC期間北京地區(qū)PM1及PM2.5濃度顯著降低，污染時段PM1、PM2.5和PM10分別下降了77%、72%和68%。反映出APEC期間的減排措施顯著降低了北京大氣細顆粒物濃度。

圖4　APEC期間污染（PM2.5日均值＞35 μg/m3；11月7—10日）與對照時段（PM2.5日均值＜35 μg/m3；11月6日、11—12日）北京地區(qū)PM1、PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化

圖5　APEC期間北京顆粒物化學組成對大氣能見度的貢獻

1.2.3北京地區(qū)能見度變化規(guī)律及顆粒物成分消光貢獻

APEC期間，北京地區(qū)能見度（平均約20 km）比10月下旬（平均能見度3 km）顯著好轉(zhuǎn)，其中11月7—10日的平均能見度為18.4 km，11月6、11日兩天平均能見度高達27.2 km，顯示出污染源減排措施明顯改善了大氣能見度。

以PM2.5為代表的細顆粒物是造成大氣能見度下降的重要因子。APEC期間，有機質(zhì)、硝酸鹽、硫酸鹽和銨鹽對大氣的消光貢獻分別為35%、17%、16%和15%（圖5a），有機質(zhì)仍對大氣消光起主要作用；PM1有機氣溶膠對大氣能見度下降的貢獻達41%（圖5b），硝酸鹽、硫酸鹽和銨鹽三種無機成分的貢獻達40%，與有機物貢獻相當。黑炭氣溶膠由于其吸收作用，對能見度衰減的貢獻達12%。

北京APEC期間PM2.5化學組成比例發(fā)生了顯著變化，尤其是PM1-2.5較粗粒徑段水溶性無機鹽大幅度下降，有效抑制了北京大氣中二次粒子的增長，從而控制了霾污染的爆發(fā)。

2　區(qū)域污染輸送

2.1北京市區(qū)污染物排放通量

2.1.1北京五環(huán)內(nèi)NO2柱濃度分布及總量估算

采用車載DOAS觀測了APEC期間北京五環(huán)內(nèi)的NO2和SO2排放通量，與2005、2008年的數(shù)據(jù)對比，APEC期間北京五環(huán)內(nèi)的SO2排放通量為1.7 t/h、NO2排放量為2.2 t/h，較2008年奧運期間稍有降低，較2005年下降幅度較大（圖6）。

2.1.2懷柔區(qū)污染物排放通量

2014年5月采用車載DOAS對懷柔區(qū)進行了網(wǎng)格分區(qū)觀測（圖7）。對比相同風場條件的APEC期間11月9日與5月4日，APEC期間，懷柔城區(qū)（網(wǎng)格7）、工業(yè)區(qū)（網(wǎng)格1和4）SO2與NO2排放量有不同幅度下降。其中，網(wǎng)格4，SO2下降76.1%，NO2下降98%；網(wǎng)格7，SO2下降84.7%，NO2下降95.1%；網(wǎng)格1無排放。

圖6　北京五環(huán)2005年（7月17日），2008年（7月17日）及APEC期間（11月3日）SO2與NO2柱濃度車載移動觀測結(jié)果

圖7　在相同西北風場下，沿網(wǎng)格化走航觀測路線在2014年5月4日和11月9日觀測的濃度分布對比

2.2區(qū)域污染輸送

2.2.1顆粒物輸送（激光雷達觀測）

在京津冀區(qū)域部署了15套激光雷達觀測顆粒物時空變化，通過顆粒物消光特性和邊界層高度演變對比，以及水汽廓線探測，實現(xiàn)對顆粒物污染過程、輸送通道及區(qū)域污染的監(jiān)控。從激光雷達11月1—11日觀測結(jié)果來看（圖8），11月4—5日和11月8—10日出現(xiàn)了2次以細粒子為主的污染過程。

圖8　激光雷達觀測的氣溶膠光學特性與水汽時空演變（2014年11月1—11日）

（1）11月3—5日的顆粒污染物輸送。11月3—5日，發(fā)生了APEC期間的第1次輸送過程：西南方向（邢臺-石家莊-琉璃河-北京），顆粒物消光系數(shù)平均值分別為邢臺（0.68 km-1）＞琉璃河（0.55 km-1）＞北京（0.36 km-1）＞石家莊（0.145 km-1），可見西南方向存在小區(qū)域的短距離輸送；東南方向（天津-永樂店-北京），永樂店（0.83km-1）的污染比天津（0.65 km-1）嚴重，兩地的邊界層高度均混合穩(wěn)定在0.2 km（圖9），污染難以擴散。

（2）11月8—10日的顆粒污染物輸送。11月8—10日是APEC期間的第2次輸送過程：西南方向（邢臺-石家莊-琉璃河-北京），顆粒物消光系數(shù)平均值分別為邢臺（0.81 km-1）＞琉璃河（0.63 km-1）＞北京（0.39 km-1）＞石家莊（0.2 km-1）；東南方向（天津-永樂店-北京），則和前一次污染相反，顆粒物的消光系數(shù)平均值為天津（0.89 km-1）＞永樂店（0.66 km-1），天津的污染層高度在6日夜間更是達到了0.9 km。

圖9　2014年11月3—5日北京邊界層高度演變及輸送通量

結(jié)合氣象條件和氣流后向軌跡，在第1次的污染輸送過程中，弱南風及小尺度的氣象場無法形成長距離的西南輸送，但處于北京邊界地區(qū)的西南方向卻對北京存在21.2%輸送貢獻率；5日中午以后，弱南風帶來的輸入開始減弱，轉(zhuǎn)而表現(xiàn)為東南方向上北京對周邊區(qū)域的輸出。在第2次的污染輸送過程中，北京依然主要受南風影響，但西北風場已開始逐漸北移至東北，西北風所帶來的污染清除力度減弱且此次污染持續(xù)時間較長，東南方向上又無明顯輸出，北京的污染特征表現(xiàn)為更為典型的局地污染，從而輸送貢獻率下降，西南區(qū)域?qū)Ρ本┑妮斔拓暙I為11%。

2.2.2氣態(tài)污染物SO2、NO2輸送（MAX-DOAS觀測）

（1）NO2輸送分析。11月4日，從NO2廓線觀測到各站點出現(xiàn)了明顯的污染過程，國科大站點（懷柔）相對于遙感所站點（北四環(huán)）污染出現(xiàn)時間滯后，表明有來自于市區(qū)的NO2傳輸。而從保定站的廓線觀測結(jié)果可見，本次過程中的NO2濃度并不高?？梢?，北京市區(qū)的NO2主要來源于局地，氣體污染物主要分布在400 m以下，高空伴隨微弱的輸送過程。

在污染消散過程中（11月5日），西北風向成為主導風向。國科大站點和遙感所站點NO2迅速降低，而位于北京東南部的永樂店觀測到了較長時間的NO2近地面高值過程，說明北京市污染物向外輸出，在400—800 m高度存在NO2的輸送層（圖10）。

圖10　2014年11月5日污染消散過程中各站點的NO2廓線

由此可見，NO2受局地影響較大，垂直分布主要集中在400 m以內(nèi)，污染時可達800 m。

（2）SO2輸送分析。圖11給出了11月3日下午的一次SO2污染輸送過程，在弱西南風的影響下，琉璃河、遙感所和國科大的MAX-DOAS站點先后觀測到了SO2的高值出現(xiàn)，其中琉璃河站SO2濃度高，是由局地積累及傳輸共同造成的。

圖11　2014年11月3日各站點SO2柱濃度時間序列

為了評估在這次輸送過程中來自西南方向的影響，以琉璃河站點的MAX-DOAS的測量結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星、氣象等數(shù)據(jù)，初步估算了在此期間的氣態(tài)污染物SO2貢獻率，以琉璃河為界面，西南方向向北京市區(qū)輸送SO2的貢獻率約為30%。對比10月27日和11月3日兩個相似弱西南風氣象條件下的觀測結(jié)果，SO2的輸送強度在部分控制措施實施后（11月3日）比實施前（10月27日）下降38%。

3　APEC減排措施的效果評估

3.1控制措施對北京空氣質(zhì)量的影響評估

以中科院自主研發(fā)的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量模式（NAQPMS）為核心工具，基于APEC會議期間氣象和污染情景，分別利用采取控制措施前的基準排放源（基準）和采取控制措施后（控制）的排放源進行數(shù)值模擬，分析控制措施對空氣質(zhì)量的影響。從圖12可以看出，模式合理地模擬出了北京市平均PM2.5濃度的逐日變化，模擬結(jié)果無論在趨勢還是量級上都與觀測結(jié)果一致。

對應急措施影響PM2.5濃度超標情況進行的統(tǒng)計分析顯示，在當時氣象條件下，如果不采取應急減排控制措施，會期10天中，輕度污染天數(shù)將由1天增為6天，中度及以上污染天數(shù)將增加1天?？紤]到模式對持續(xù)多天累積過程的污染濃度存在低估，實際在11月8—10日連續(xù)污染過程中，將可能出現(xiàn)重度污染。這說明空氣質(zhì)量應急減排等保障措施具有明顯效果。

3.2控制措施對區(qū)域污染水平分布的影響

利用模式模擬可以分析控制措施對京津冀區(qū)域APEC期間平均PM2.5、SO2和NO2的影響，若不采取控制措施，京津冀區(qū)域的SO2、NO2和PM2.5都將顯著增加（圖13）。其中，北京地區(qū)SO2的增幅將達4 ppb—12 ppb（40%—60%），NO2的增幅達4 ppb—12 ppb（40%—80%），PM2.5的增幅達15 μg/m3—30 μg/m3（40%—60%）。從總體上看，北京南部的增幅將大于北部地區(qū)。因此，控制措施對北京APEC期間的空氣質(zhì)量改善起到了十分重要的作用。

3.3APEC期間機動車限行的影響

APEC期間的污染時段，北京氣態(tài)前體物NOx和VOCs濃度比10月下旬污染時段（102.7 ppb和60.4 ppb）分別下降了40%和52%（圖14）。北京機動車單雙號行駛可大幅降低VOCs排放、限制NOx增加可對大氣PM2.5濃度起到有效抑制作用，降低霾污染爆發(fā)的潛勢。

3.4京津冀區(qū)域大氣容量及承載力評估

圖12　觀測、基準模擬、采取措施后模擬PM2.5濃度逐日變化

考慮污染物在大氣中的遷移和轉(zhuǎn)化過程，并解析二次污染物對PM2.5中各組分的貢獻，利用區(qū)域空氣質(zhì)量模式NAQPMS計算了京津冀區(qū)域SO2、NOx和PM2.5環(huán)境容量。結(jié)果表明，當考慮PM2.5達標時，京津冀區(qū)域SO2的總?cè)萘繛?2.6萬噸，NOx為126.5萬噸，一次PM2.5總?cè)萘繛?9.5萬噸。京津冀區(qū)域各污染物容量月變化表明，污染物容量較大的季節(jié)主要集中在夏季，采暖期容量較小，污染物減排措施應更集中于采暖期。利用容量和2013年排放量計算京津冀區(qū)域各污染物承載力水平，結(jié)果表明，京津冀區(qū)域SO2和NOx除秦皇島外全部嚴重超載，一次PM2.5超載也較為嚴重。若要留住“APEC藍”（京津冀區(qū)域?qū)崿F(xiàn)各污染物日均濃度達到國家二級標準），年需削減SO282.7萬噸，NOx138.4萬噸，一次PM2.546.1萬噸，分別占2013年排放量的約47%、52%和44%，減排任務十分艱巨。

圖13　若無控制措施將產(chǎn)生的SO2、NO2和PM2.5增加量

圖14　APEC期間北京氣態(tài)前體物NOx和VOCs濃度變化情況

4　留住“APEC藍”的政策建議

（1）在京津冀區(qū)域分地區(qū)分階段實現(xiàn)“APEC藍”。京津冀區(qū)域城市規(guī)模大、人口密度高、能源消耗強度大，大氣復合污染存在區(qū)域差別?？梢岳帽本┥降仄皆L（白天偏南風、晚上偏北風）特性，先在北京中北部區(qū)域（南三環(huán)以北）長期保持“APEC藍”，再分批次、分階段逐步向南推進。

（2）嚴格落實大氣污染防治“國十條”，并建立動態(tài)調(diào)整機制。根據(jù)本研究估算的京津冀區(qū)域大氣SO2、NOx和PM2.5環(huán)境容量，要留住“APEC藍”，主要大氣污染物的削減任務艱巨。這就需要在落實“國十條”的基礎(chǔ)上，遵循環(huán)境容量的約束條件，建立污染物消減的量化調(diào)整體系。

（3）進一步加強京津冀區(qū)域的聯(lián)防聯(lián)控，做好鋼鐵、冶金、建材等高污染企業(yè)的調(diào)整。積極參與“21世紀海上絲綢之路”建設，支持國家經(jīng)略南海戰(zhàn)略，有計劃地實現(xiàn)產(chǎn)能轉(zhuǎn)移，不僅可避免在國內(nèi)梯次轉(zhuǎn)移造成更大范圍污染，而且可達到控制CO2排放和治理大氣環(huán)境污染的雙重效果。

致謝 感謝中科院丁仲禮副院長、科技促進發(fā)展局馮仁國副局長、前沿科學與教育局張鴻翔處長、段曉男副處長等對本文提出的寶貴意見。

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劉建國 中科院合肥物質(zhì)科學院副院長，研究員，國家“萬人計劃”首批科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才入選者。1968年11月出生于甘肅省天水市。分別于1994和1999年在中科院安徽光機所獲光學專業(yè)理學碩士和博士學位。主要從事環(huán)境光學監(jiān)測技術(shù)和光學遙感技術(shù)研究。已獲30多項專利授權(quán)，發(fā)表論文100余篇，曾獲國家科技進步獎二等獎2項，省部級科學技術(shù)獎一等獎4項等獎勵。E-mail：jgliu@aiofm.ac.cn

Liu Jianguo，Professor at Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics（AIOFM），Chinese Academy Sciences，National“ten thousand project”science and technology innovation talents winner，born in Tianshui City，Gansu Province in November 1968.He received his Master and PhD degree from AIOFM，CAS in 1994 and 1999 respectively.His research focuses on environment monitoring techniques by spectroscopy methods and optical remote sensing technology.He has won more than 30 patent license，published more than 100 papers.He was awarded Second Class National Progress Prize in Scientific and Technology in 2007 and in 2011，respectively，and has four times won First Class provincial and ministerial Progress Prize in Scientific and Technology.E-mail：jgliu@aiofm.ac.cn

Haze Observation and Control Measure Evaluation in Jing-Jin-Ji（Beijing，Tianjin，Hebei）Area during the Period of the Asia-Pacific Economic Cooperation（APEC）Meeting

Liu Jianguo1Xie Pinhua1Wang Yuesi2Wang Zifa2He Hong3Liu Wenqing1
（1 Hefei Institutes of Physical Science，ChineseAcademy Sciences，Hefei 230031，China；2 Institute ofAtmospheric Physics，ChineseAcademy Sciences，Beijing 100029，China；3 Research Center for Eco-Environmental Sciences，ChineseAcademy Sciences，Beijing 100085，China）

This article describes a comprehensive survey of the“Haze Observation Project Especially for Jing-Jin-Ji（Beijing，Tianjin，Hebei）Area（HOPE J3A）”based on the project of“Formation Mechanism and Control Strategies of Haze in China”carried out by the research groups of the Chinese Academy of Sciences. Various measures are taken to understand the formation processes of several haze pollution incidents before and during APEC，such as surface measurement，radar remote sensing，vehicle navigation，satellite observation and numerical model forecasting.In addition，the environmental capacity for atmospheric pollutants，regional transportation changes，and proportions of secondary aerosols are analyzed.Finally，the emergency control measures in place duringAPEC are evaluated，and some suggestions for keeping“APEC Blue”are proposed. Keywords haze，APEC blue，monitoring techniques，numerical simulation

中科院重點部署項目（KJZD-EW-TZ-G06-01），中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDB05000000）

修改稿收到日期：2015年5月8日

10.16418/j.issn.1000-3045.2015.03.011