京津冀典型城市的秋冬季霧霾污染特征及防治措施淺析

南寧市第三中學(xué)五象校區(qū) 廣西 南寧 530000

正文：

1.背景

霧霾是一種相對濕度小于90%，能見度低于10km的一種大氣污染現(xiàn)象[1]。通過其定義可知，霧霾的主要危害之一為能見度的削減，由顆粒物對光的散射，折射作用造成能見度的顯著降低，進而引發(fā)系列的交通事故[2]。霧霾的主要污染物為PM2.5，顆粒物可以進入人體，對人體的呼吸道，肺部等造成不同程度的損傷，且粒徑越小，危害越大[3]。已有研究顯示，霧霾與當?shù)睾粑兰膊?，癌癥等健康問題的增長有顯著正相關(guān)性[4-5]。大氣環(huán)境復(fù)雜，有各類氣態(tài)污染物質(zhì)，有不同的反應(yīng)介質(zhì)，因此霧霾污染常被認為是一種復(fù)合型污染。在顆粒物形成的過程中，多種氣態(tài)前體物如SO2，NO2，VOCs等經(jīng)過不同的反應(yīng)途徑生成顆粒物中的主要組分，硫酸鹽，硝酸鹽和含碳組分[6]。霧霾的出現(xiàn)除了污染物的貢獻，還有氣象條件的影響，包括逆溫，靜穩(wěn)等不利于擴散的氣象條件[7]，氣象條件的影響一般認為是“外因”。而部分特定污染物的突然增長是霧霾發(fā)生的“內(nèi)因”。本研究挑選華北平原的代表城市，北京，天津和河北的唐山的歷年秋冬季（2014年9月至2018年2月的秋冬季）進行污染分析。這三個城市也屬于京津冀區(qū)域的范疇，對我國的經(jīng)濟發(fā)展，工業(yè)建設(shè)以及社會地位都有重要影響。通過對這些典型重污染的北方城市，在重點污染季節(jié)的分析，可以對比討論不同城市受污染物的影響程度，結(jié)合氣象條件分析，給出針對性的治理建議。

2.污染特征及成因分析

2.1 三個城市污染物的特征分析

三個城市秋冬季月均PM2.5濃度均超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095－2012) 的一級標準值35 μg/m3，且其中每個城市的11、12月份PM2.5濃度均超過二級標準值75μg/m3，因此秋冬季都屬于超標的污染狀況。圖1可以看出，三個城市的污染物呈現(xiàn)較好的同步性，尤其是PM2.5，PM10這類顆粒污染物，這說明霧霾污染是一種區(qū)域性污染，從而出現(xiàn)同升同降的趨勢特征，尤其是重污染時段，例如2015年及2016年的12月。三個城市整體看來，污染嚴重程度序列為唐山＞天津＞北京。首先三個城市在秋冬季節(jié)的PM2.5和PM10始終保持較高的月均值水平。從2014年到2016年，PM2.5的月均濃度均保持在50μg/m3以上，而在2017年尤其是冬季，PM2.5濃度顯著降低，主要是“煤改氣”政策的利好影響。冬季的大氣活動能力較弱，邊界層較低，不利于污染物的擴散，從而使得污染物較長時間的累積和轉(zhuǎn)化[8]。一般排放增大及不利氣象共同作用下，顆粒物濃度在秋冬季節(jié)有顯著增長。而隨著煤改氣的落實，顯著改善了2017年秋冬季的污染狀況。

北京地區(qū)的SO2濃度顯著低于其他兩個城市，說明北京地區(qū)本地的SO2排放控制效果較強。2014年至2017年秋冬季北京地區(qū)的SO2濃度均值為12.8μg/m3，天津30.15μg/m3，唐山為49.5μg/m3。三個城市的SO2濃度變化都呈現(xiàn)“Λ”型，即從9月開始上升，至12月或者1月達到峰值拐點，2月下降。從秋季轉(zhuǎn)為冬季，由于供暖，和不利氣象條件導(dǎo)致氣態(tài)污染物的月均濃度增大顯著，因此從9月到12月及次年1月SO2都呈現(xiàn)上升的趨勢，然而2月因為春節(jié)，部分工廠會停止運行，因此2月有顯著的下降趨勢。

圖1. 北京，天津及唐山六種污染物的月均值變化

表1可知三個城市的污染嚴重程度為唐山＞天津＞北京。各城市的PM2.5濃度季均值均占PM10的60%以上，即顆粒物污染以細顆粒為主。北京的SO2濃度季均值明顯要低于唐山、天津。三市的CO、NO2濃度季均值相當，說明對于機動車的控制都稍顯不足。但三市的秋冬季各項污染物濃度均呈現(xiàn)逐年下降的態(tài)勢，說明各個城市對于空氣治理采取的措施收到一定的成效。逐年改善程度北京＞天津＞唐山，這與當?shù)氐墓I(yè)發(fā)展水平有關(guān)。根據(jù)國家統(tǒng)計局（http：//www.stats.gov.cn/）數(shù)據(jù)顯示，2016年北京的第二產(chǎn)業(yè)（工業(yè)）占三產(chǎn)的19.26%，天津為42.33%，而唐山比重為55.07%。因此污染的下降幅度稍顯落后。但三個城市總體呈現(xiàn)較好的改善趨勢，以PM2.5為例，北京改善幅度為48.8%，唐山35.0%，天津36.5%。

表1. 北京，唐山和天津的污染物季均值

※表中數(shù)據(jù)除CO單位為mg/m3，其他均為μg/m3；表中季節(jié)的劃分按照中國農(nóng)歷計算，即每年的冬季為當年12月加上次年的1月及2月為一個完整冬季。

2.2 霧霾污染成因分析

PM2.5與氣態(tài)污染物SO2和NO2之間呈現(xiàn)較好的同步性，SO2是顆粒物中主要組分硫酸鹽的氣態(tài)前體物，被大氣中的OH自由基，液相中的H2O2等氧化劑氧化，轉(zhuǎn)化為顆粒中的硫酸鹽；NO2是硝酸鹽的前體物，首先被大氣中的氧化劑氧化為HNO3，然后結(jié)合大氣中的堿性氣體NH3形成NH4NO3，進入顆粒相[9-10]。因此兩種氣態(tài)污染物對霧霾的出現(xiàn)都有不同程度的貢獻。在北京，SO2對PM2.5的貢獻與NO2相當，PM2.5的濃度高值出現(xiàn)在SO2和NO2都較高的80μg/m3的范圍，說明SO2和NO2對北京的霧霾都有顯著貢獻，當NO2濃度進一步增大時，PM2.5沒有表現(xiàn)出相應(yīng)的增長，說明該地的NO2處于相對飽和的狀態(tài)，臨界值為80左右；而在唐山地區(qū)，可以看出SO2對霧霾的貢獻顯著弱于NO2，紅色區(qū)域的PM2.5濃度集中出現(xiàn)在高NO2條件，受SO2的影響相對較弱，說明當?shù)豊O2對霧霾的貢獻更加顯著，也是該地需要進行控制的重點污染物；天津地區(qū)的NO2對PM2.5的貢獻顯著強于SO2，PM2.5隨著SO2沒有顯著增大，隨著NO2呈現(xiàn)明顯的梯度分布。

圖2. 北京，唐山和天津的PM2.5與SO2、NO2之間的影響分析

除氣態(tài)前體物外，高濕的條件也有利于霧霾的出現(xiàn)。濕度較高時，顆粒物中的硫酸鹽，硝酸鹽等組分會因吸濕作用而增大顆粒物中的含水量，進而增大顆粒物的粒徑，且顆粒物表面的反應(yīng)面積增大，利于更多的反應(yīng)在顆粒物表面發(fā)生。圖3顯示北京和天津的PM2.5與RH之間有一定的正相關(guān)趨勢，唐山由于濕度始終保持較高水平（＞30%），因此趨勢相對較弱。此外，在高濕的情況下，各地的PM2.5濃度都會隨著氣態(tài)污染物（NO2為例）出現(xiàn)顯著增長。說明氣相條件的高濕加上氣態(tài)污染物濃度的增大會共同導(dǎo)致PM2.5的濃度上升，氣相條件和污染物濃度增長都是當前霧霾發(fā)生的必要條件。

圖3. 北京、唐山和天津的PM2.5與濕度的相關(guān)性分析

霧霾是典型的區(qū)域污染問題，因此討論不同城市受到周圍的影響情況有利于制定有針對性的協(xié)同處理方針。北京在冬季的軌跡來向以西北為主，且西北來向的氣團往往呈現(xiàn)徑直的特點。同時北京北臨燕山，西臨太行山，從西北方向過來的高空氣團呈現(xiàn)俯沖態(tài)勢，因此對當?shù)氐奈廴疚镉泻芎玫娜コ饔?，加上風(fēng)速較大，清潔能力更強。而其他氣團都有偏南趨勢，由于北京的南部大都聚集重工業(yè)城市，如河北，山東，天津等，加上地形的特點，偏南方向的氣團給北京往往帶來不利的污染狀況，且偏南風(fēng)都呈現(xiàn)卷曲的軌跡特點，不利于污染物的擴散稀釋。而天津、唐山的來源氣團除西北內(nèi)陸之外，還有海上傳來的部分氣團，整體的軌跡特征與北京相似，從內(nèi)蒙過來的徑直氣流經(jīng)過北京，天津或者唐山直接吹到海域，對沿途的城市污染物都有一定清潔作用，而當行進氣流受到抵制，被迫改變行進方向時，反而成為不利于擴散的惡劣氣象條件。此外，唐山和天津還會收到石家莊，濟南等地的影響。當氣團軌跡來源為西南方向時，西南城市區(qū)的污染物能傳輸至兩地，對當?shù)氐奈廴境霈F(xiàn)有一定貢獻。三個城市地理位置毗鄰，因此互相影響較為顯著。

圖4. 北京、唐山和天津的后向軌跡分析（24h），軌跡時段為2018年2月

3.結(jié)論

通過對北京，唐山和天津（2014至2018）重污染季節(jié)（秋冬）進行污染情況分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）三個城市中，污染嚴重水平唐山＞天津＞北京。根據(jù)國家統(tǒng)計局（http：//www.stats.gov.cn/）數(shù)據(jù)顯示2016年北京的第二產(chǎn)業(yè)（工業(yè)）占三產(chǎn)的19.26%，天津為42.33%，而唐山比重為55.07%。由于工業(yè)是污染物排放的一大源頭，唐山＞天津＞北京的污染嚴重程度是與當?shù)氐墓I(yè)發(fā)展情況息息相關(guān)。 從2014到2018，三個城市的污染物濃度都出現(xiàn)較為顯著的改善，改善幅度北京＞天津＞唐山。

（2）北京當前秋冬季的PM2.5濃度同時受到SO2和NO2的影響，RH對于北京的霧霾也有較好的正向響應(yīng)關(guān)系，這說明北京地區(qū)霧霾出現(xiàn)的時候，非均向反應(yīng)過程貢獻顯著。唐山地區(qū)NO2對PM2.5的貢獻影響強于SO2，且與濕度之間沒有呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，可能由于當?shù)貪穸绕骄捷^高所致。天津呈現(xiàn)和唐山類似的規(guī)律，NO2對PM2.5的高值出現(xiàn)有更顯著的貢獻。

（3）逐年數(shù)據(jù)顯示北京的SO2已經(jīng)收到顯著改善的效果，因此日后的治理重點建議放在NO2的控制；唐山和天津的PM2.5與NO2之間呈現(xiàn)的較好正相關(guān)性說明該地的治理重點也是優(yōu)先NO2。此外，唐山地區(qū)的SO2濃度雖然有所改善，但相對仍處于較高水平，因此建議進行同步治理。

（4）區(qū)域影響分析發(fā)現(xiàn)，三個城市由于地理位置相對較近，彼此之間會產(chǎn)生影響，因此治理污染應(yīng)從協(xié)同處理的角度，采取政府，省市之間的區(qū)域聯(lián)合行動。