我國(guó)京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）大氣環(huán)境容量研究

郝吉明，許嘉鈺，吳劍，馬喬

（1. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2. 國(guó)家環(huán)境保護(hù)大氣復(fù)合污染來(lái)源與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

我國(guó)京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）大氣環(huán)境容量研究

郝吉明1,2，許嘉鈺1,2，吳劍1，馬喬1

（1. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2. 國(guó)家環(huán)境保護(hù)大氣復(fù)合污染來(lái)源與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

本研究以京津冀和西北五省（自治區(qū)）為例，研究處于不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段的區(qū)域大氣環(huán)境容量。利用GEOS-Chem全球大氣化學(xué)傳輸模式模擬計(jì)算大氣污染源排放所帶來(lái)的環(huán)境空氣中污染物的濃度，以京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）的網(wǎng)格平均地面PM2.5年均濃度達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095—2012）為約束條件，確定出京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五種大氣污染物環(huán)境容量。結(jié)果表明，2013年京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五種大氣污染物的排放量均超出大氣環(huán)境容量。

PM2.5；空氣質(zhì)量；環(huán)境容量

一、前言

我國(guó)巨大的能源消費(fèi)規(guī)模和以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致各種大氣污染物大量排放，近年來(lái)全國(guó)各地多次發(fā)生大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的霧霾天氣，已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。為加快解決目前嚴(yán)重的大氣污染問題、切實(shí)改善環(huán)境空氣質(zhì)量，國(guó)務(wù)院于2013年9月發(fā)布實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》。自《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》實(shí)施以來(lái)，全國(guó)74座城市的PM2.5年均濃度較2013年有所下降，但有7個(gè)省區(qū)的PM10年均濃度不降反升，我國(guó)東部區(qū)域大氣PM2.5和O3污染十分嚴(yán)重，全國(guó)和重點(diǎn)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

大氣環(huán)境容量是指一個(gè)區(qū)域在某種環(huán)境目標(biāo)（如空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)或酸沉降臨界負(fù)荷）約束下的大氣污染物最大允許排放量。實(shí)際研究時(shí)更關(guān)注的是“區(qū)域大氣環(huán)境容量”，即在一定的氣象條件及一定的污染源排放條件下，某一特定區(qū)域在滿足該區(qū)域環(huán)境空氣環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)的前提下，單位時(shí)間所能允許的各類污染源向大氣中排放的各類污染物的總量。影響大氣環(huán)境容量的因素除了大氣污染物的環(huán)境化學(xué)特征外，還有區(qū)域環(huán)境目標(biāo)、區(qū)域地理和氣象特征等。

大氣環(huán)境容量在我國(guó)一直被作為支撐國(guó)家大氣污染物總量控制和空氣質(zhì)量管理的重要依據(jù)。圍繞不同環(huán)境目標(biāo)下的大氣環(huán)境容量，我國(guó)學(xué)者已開展了許多研究。我國(guó)2012年對(duì)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行修訂，PM2.5成為影響我國(guó)城市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的首要污染物，環(huán)境空氣中的PM2.5標(biāo)準(zhǔn)限值相比SO2、NO2、PM10等成為更嚴(yán)格的約束條件，因此，從我國(guó)空氣質(zhì)量管理的需求出發(fā)，亟需以PM2.5達(dá)標(biāo)為約束條件核算大氣環(huán)境容量，為大氣污染物減排提供科學(xué)依據(jù)[1]。研究京津冀及西北五省（自治區(qū)）的大氣環(huán)境容量將為構(gòu)建處于不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段的區(qū)域精準(zhǔn)化治霾體系提供重要依據(jù)。

二、研究方法

（一）方法概述

本研究以2013年為基準(zhǔn)年，2030年為目標(biāo)年，利用GEOS-Chem全球大氣化學(xué)傳輸模式模擬計(jì)算大氣污染源排放所帶來(lái)的環(huán)境空氣中污染物的濃度，以2030年京津冀和西北五省（自治區(qū)）的網(wǎng)格平均地面PM2.5年均濃度達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095—2012）為約束條件，確定京津冀及西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）的SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五種大氣污染物的環(huán)境容量，以此分析基準(zhǔn)年的超載情況及減排需求。

（二）GEOS-Chem模型設(shè)置

1. 模擬時(shí)段

基準(zhǔn)年為2013年全年，目標(biāo)年為2030年全年，模擬時(shí)間間隔為3 h。

2. 模擬區(qū)域

模擬區(qū)域包括中國(guó)以及中國(guó)臨近的其他亞洲地區(qū)和國(guó)家：東至日本，西到印度，北到西伯利亞，南到印度尼西亞。經(jīng)緯度范圍為 70 oE～150 oE，11 oS～55 oN，網(wǎng)格分辨率為 0.5o×0.667o [2]。

3. 排放清單

基準(zhǔn)年和目標(biāo)年中國(guó)境內(nèi)的人為源排放為清華大學(xué)最新人為源排放清單[3]，其他采用GEOSChem默認(rèn)的排放清單。

4. 氣象年的選擇

采用的GEOS-5氣象場(chǎng)目前只更新至2012年，同時(shí)根據(jù)2010—2012年三年的氣象數(shù)據(jù)模擬基準(zhǔn)年2013年的排放對(duì)我國(guó)東部地區(qū)PM2.5月均濃度的比對(duì)結(jié)果，東部地區(qū)2012年P(guān)M2.5月均濃度與2010—2012年三年月均濃度的平均值最為接近為6.28 μg/m3，而 2010 年和 2011 年分別為 25.94 μg/m3和-32.22 μg/m3。所以氣象年選擇為2012年。

（三）模型驗(yàn)證

利用GEOS-Chem模型測(cè)算大氣環(huán)境容量時(shí)，需要對(duì)氣象場(chǎng)、排放清單和濃度場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。

由于GEOS-Chem模型采用的氣象場(chǎng)為已同化的GEOS-5氣象場(chǎng)，因此本研究不再對(duì)氣象場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。

1. 基準(zhǔn)年排放清單比較與校驗(yàn)

本研究也將基準(zhǔn)年排放清單與近年來(lái)其他排放清單研究結(jié)果進(jìn)行了比較，如表1所示。文獻(xiàn)[4～6]的排放清單都是采用自下而上的方法建立；文獻(xiàn)[7]中2015年的排放數(shù)據(jù)是以2010年為基準(zhǔn)年的未來(lái)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。除我國(guó)環(huán)境保護(hù)部公布的排放數(shù)據(jù)明顯低于本研究采用的排放清單外，本研究采用的排放清單均在上述研究的變化范圍內(nèi)。環(huán)境保護(hù)部排放數(shù)據(jù)較低的原因之一是沒有將非道路交通源的排放包括在內(nèi)。

2. 基準(zhǔn)年P(guān)M2.5模擬濃度驗(yàn)證

基準(zhǔn)年地面PM2.5濃度模擬值準(zhǔn)確，才能保證未來(lái)年模擬結(jié)果的可靠性。下文將對(duì)基準(zhǔn)年P(guān)M2.5模擬濃度驗(yàn)證進(jìn)行論述。

三、主要結(jié)果與分析

（一）未來(lái)年排放清單

大氣污染與能源利用密切相關(guān)，未來(lái)年主要大氣污染物的排放量取決于能源消費(fèi)量和大氣污染控制技術(shù)與對(duì)策。通常通過(guò)設(shè)置不同的能源消費(fèi)情景和大氣污染物控制情景分析法確定未來(lái)年主要大氣污染物的排放量。本研究依據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究成果，只針對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)2030年空氣質(zhì)量目標(biāo)的能源情景（2030PC）和污染控制情景（2030PC2）進(jìn)行分析，如表2和表3所示。

表1 排放清單與其他近期研究的比較 ×103 t

表2 2030年能源情景的關(guān)鍵參數(shù)

表3 2030年未來(lái)情景設(shè)置

在能源情景中，2030年中國(guó)能源消費(fèi)量較2013年上漲7%；煤炭仍然是能源結(jié)構(gòu)中比例最大的部分，但所占比例由2013年的61%降低至2030年的44%；可再生能源及核能，所占比例由2013年的8.3%上升至2030年的15.1%。在末端控制策略方面，該清單為每個(gè)能源情景設(shè)計(jì)了兩個(gè)末端排放控制策略，末端控制技術(shù)的分布率主要依據(jù)相關(guān)政府公告和規(guī)劃計(jì)算。污染控制情景是依據(jù)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》設(shè)定，并假設(shè)控制措施逐漸加嚴(yán)到2030年，在該情景中，煙氣脫硫裝置（FGD）在電廠和工業(yè)部門中大范圍應(yīng)用，新建的工業(yè)鍋爐均要求安裝低氮燃燒技術(shù)設(shè)備（LNB），靜電除塵器（ESP）和高效除塵器（HED）將逐步替代低效率的濕式除塵器（WET）。對(duì)于民用部門，到2030年低硫煤使用率將達(dá)100%，更先進(jìn)的煤炭和生物質(zhì)爐灶也將廣泛使用；對(duì)于交通部門，高排放車輛將被更快淘汰，到2030年所有車輛都達(dá)到目前歐洲最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[9]。

（二）未來(lái)年大氣PM2.5濃度分析

以2012年為氣象年，將2013年我國(guó)的人為源大氣污染物排放清單更新為未來(lái)年的排放清單、自然源及境外源排放清單保持不變，利用GEOSChem模擬京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）地面PM2.5濃度分布（見圖1）。為了便于分析，除了未來(lái)年2030年P(guān)M2.5濃度變化外，圖1增加了各省市自治區(qū)2013年監(jiān)測(cè)濃度和模擬濃度。2013年底只有74座城市有完整和連續(xù)的PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[10]，因?yàn)檫@74座城市只包含西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）的省會(huì)城市，所以在圖1中添加了2015年P(guān)M2.5地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[11]。圖1的橫坐標(biāo)從左到右按照緯度遞增進(jìn)行城市排序。

圖1 京津冀及西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）地面PM2.5濃度情況

1. 地面PM2.5濃度模擬值驗(yàn)證

以標(biāo)準(zhǔn)平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)平均誤差及相關(guān)性系數(shù)R三個(gè)參數(shù)對(duì)GEOS-Chem模型模擬的地表PM2.5濃度的能力進(jìn)行校驗(yàn)。將京津冀13座城市和西北五省（自治區(qū)）省會(huì)城市地面PM2.5濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與該城市中心所在GEOS-Chem模型網(wǎng)格的模擬濃度進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

由表4可見，京津冀的標(biāo)準(zhǔn)平均偏差為-8.0%，相關(guān)性系數(shù)R為0.83；西北五省（自治區(qū)）的標(biāo)準(zhǔn)平均偏差為-8.4%，相關(guān)性系數(shù)R為0.97，模型對(duì)地表PM2.5濃度評(píng)估略低，這是因?yàn)闅庀竽隇?012年，而普遍認(rèn)為2013年的擴(kuò)散條件優(yōu)于2012年，所以導(dǎo)致模型對(duì)地表PM2.5濃度的模擬結(jié)果略低于監(jiān)測(cè)值。京津冀和西北五省（自治區(qū)）合計(jì)66座城市，2015年地面PM2.5監(jiān)測(cè)值與基準(zhǔn)年模擬值的相關(guān)性分析結(jié)果表明，雖然無(wú)論是氣象場(chǎng)還是排放清單在2013年與2015年都存在差異，但是該相關(guān)性分析結(jié)果能夠反映模擬結(jié)果的準(zhǔn)確程度。結(jié)果表明，京津冀、陜西、青海的模擬結(jié)果好于甘肅、新疆和寧夏的模擬結(jié)果。

2. 未來(lái)年地面PM2.5濃度達(dá)標(biāo)分析

圖1表明，未來(lái)年京津冀、西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）的網(wǎng)格平均地面PM2.5年均濃度均能達(dá)到空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的35 μg/m3，但是，河北、西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）中64座地級(jí)市中合計(jì)有15座城市不能達(dá)標(biāo)。這就意味著，未來(lái)年排放清單的排放量是以京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）的網(wǎng)格平均地面PM2.5年均濃度達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095—2012）為約束條件的大氣環(huán)境容量，而不是以各地級(jí)市網(wǎng)格平均地面PM2.5年均濃度達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095—2012）為約束條件的大氣環(huán)境容量，后者比前者小，尚需進(jìn)一步研究才能確定后者的具體數(shù)值。

（三）大氣環(huán)境容量分析

1. 大氣環(huán)境容量

未來(lái)年排放清單的排放量是以京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）的網(wǎng)格平均地面PM2.5年均濃度達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095—2012）為約束條件的大氣環(huán)境容量，SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs、NH3的環(huán)境容量如表5所示。

表4 基準(zhǔn)年地面PM2.5濃度模擬值校驗(yàn)結(jié)果

表5 主要大氣污染物環(huán)境容量 ×104 t

2. 大氣環(huán)境容量超載率

通過(guò)基準(zhǔn)年2013年的大氣污染物排放量與其環(huán)境容量的比值，衡量大氣環(huán)境超載的結(jié)果。由表6可知，西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）總體超載與京津冀基本相當(dāng)。一次PM2.5和NOx的超載狀況比其他幾種污染物更為嚴(yán)重，超載率為158%～400%；若想使大氣環(huán)境不超載，各地區(qū)相對(duì)于2013年的SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs的排放量削減比例應(yīng)在30%～75%，NH3的排放量最大削減比例要達(dá)到53%。

表6 基準(zhǔn)年主要大氣污染物超載情況 %

四、結(jié)語(yǔ)

以京津冀和西北五省（自治區(qū)）的網(wǎng)格平均地面PM2.5年均濃度達(dá)到環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095—2012）為約束條件，京津冀SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五種大氣污染物環(huán)境容量分別為 609 kt、745 kt、295 kt、1 322 kt和 6 260 kt；西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）五種大氣污染物環(huán)境容量分別為 926 kt、947 kt、349 kt、758 kt和 9 160 kt；然而該環(huán)境容量對(duì)應(yīng)的京津冀和西北五省（自治區(qū)）中66座地級(jí)市的PM2.5年均濃度達(dá)標(biāo)率為76.6%，100%達(dá)標(biāo)率對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)境容量應(yīng)小于該容量。

2013年，京津冀地區(qū)SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五種大氣污染物的排放量分別是其大氣環(huán)境容量的2.23倍、2.74倍、3.59倍、1.63倍和1.70倍；西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）五種大氣污染物排放量分別是其大氣環(huán)境容量的2.28倍、2.27倍、2.81倍、1.73倍和1.28倍。2013年，京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）大氣環(huán)境容量超載情況基本相同，所以在新時(shí)期“一帶一路”戰(zhàn)略實(shí)施過(guò)程中必須關(guān)注西部干旱區(qū)大氣環(huán)境容量的約束條件。若使大氣環(huán)境容量不超載，相對(duì)于2013年，京津冀五種大氣污染物削減比例分別為55%、64%、72%、39%、41%；西北五?。ㄗ灾螀^(qū)）五種大氣污染物削減比例分別為56%、56%、64%、42%、22%。

利用空氣質(zhì)量模型確定大氣環(huán)境容量的不確定性取決于空氣質(zhì)量模型、氣象場(chǎng)、排放清單、空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值等諸多因素。本研究利用GEOS-Chem模型及清華大學(xué)編制的2013年人為源排放清單，發(fā)現(xiàn)甘肅、新疆和寧夏的地面PM2.5濃度模擬值與監(jiān)測(cè)值負(fù)相關(guān)或相關(guān)性低。因此，本研究確定甘肅、新疆和寧夏的大氣環(huán)境容量的不確定性高于京津冀、陜西和青海，尚需深入研究。

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A Study of the Atmospheric Environmental Capacity of Jingjinji and of the Five Northwestern Provinces and Autonomous Regions in China

Hao Jiming1,2, Xu Jiayu1,2, Wu Jian1, Ma Qiao1
(1. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. State Environmental Protection Key Laboratory of Sources and Control of Air Pollution Complex, Beijing 100084, China)

This article discusses the regional atmospheric environmental capacity of areas in different stages of economic development, and presents the Beijing-Tianjin-Hebei (Jingjinji) region and the five northwestern provinces and autonomous regions in China as examples. The atmospheric environmental capacities for sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxides (NOx),fine particulate matter (PM2.5),volatile organic compounds (VOCs), and ammonia (NH3) emissions were calculated for the various provinces with the constraint condition of the annual average ambient PM2.5concentration standard (GB3095—2012), using a global chemical transport model from the Goddard Earth Observing System (GEOS-Chem). The results indicate that the total emissions of SO2, NOx, primary PM2.5, VOCs and NH3emited from the Jingjinji and the five northwestern provinces and autonomous regions all exceed the environmental capacity.

PM2.5; air quality; environmental capacity

X51

A

2017-06-20；

2017-07-10

許嘉鈺，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槟茉蠢门c大氣污染模擬及控制對(duì)策等；E-mail: jiayu-xu@tsinghua.edu.cn

中國(guó)工程院咨詢項(xiàng)目“生態(tài)文明建設(shè)若干戰(zhàn)略問題研究（二期）”(2015-ZD-16)

本刊網(wǎng)址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.04.003