基于PM2.5來(lái)源解析的減排方案制定

許云凡,王大瑋,向偉玲*,王自發(fā)

基于PM2.5來(lái)源解析的減排方案制定

許云凡1,2,王大瑋1,3,向偉玲1,3*,王自發(fā)1,3

(1.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院區(qū)域大氣環(huán)境研究卓越創(chuàng)新中心,福建 廈門(mén) 361021)

為定量解析PM2.5濃度與排放源削減比例之間的關(guān)系,利用WRF-NAQPMS/OSAM模式對(duì)2017年12月京津冀及周邊地區(qū)“2+26”城市的PM2.5濃度變化和來(lái)源解析進(jìn)行了模擬,并基于來(lái)源解析結(jié)果對(duì)各城市進(jìn)行了迭代減排實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明,各城市削減本地排放源的效果最為顯著,由于受化學(xué)生成影響引起的排放源和PM2.5濃度之間的高度非線性關(guān)系,使得線性減排方案具有較大的局限性.各城市排放源削減引起的PM2.5濃度變化主要由排放源的一次貢獻(xiàn)和化學(xué)生成的二次貢獻(xiàn)組成,其中化學(xué)生成的二次貢獻(xiàn)濃度與行業(yè)解析結(jié)果的函數(shù)之間存在顯著的線性關(guān)系.隨著排放源的削減,清潔期間PM2.5濃度中各組分的濃度隨之下降,污染期間硝酸鹽、二次有機(jī)氣溶膠、銨鹽等濃度不降反升,這為迭代減排方案中物種的選擇提供了指導(dǎo)意義.

京津冀；PM2.5；來(lái)源解析；排放清單；迭代減排；非線性關(guān)系

為保證國(guó)家重大事件期間空氣質(zhì)量,如2008年北京奧運(yùn)會(huì)、2014年亞太經(jīng)合組織會(huì)議(APEC峰會(huì))、2015年抗戰(zhàn)勝利紀(jì)念閱兵等,北京及周邊地區(qū)采取了一系列空氣質(zhì)量管控措施,空氣質(zhì)量得到的顯著改善與減排方案的制定密不可分[1-14].因此,制定切實(shí)可行、有效、經(jīng)濟(jì)的減排措施對(duì)大氣污染防治和政策制定等均有著重要的作用.

目前,針對(duì)排放源的不同類(lèi)型、不同行業(yè)、不同時(shí)間以及重污染過(guò)程中的減排及空氣質(zhì)量影響評(píng)估展開(kāi)了大量研究.劉俊等[15]通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)削減點(diǎn)、面、線源和主要污染物排放量的30%～40%后,北京市PM2.5平均濃度下降(24.9±2.3)%.吳文景等[16]分別進(jìn)行了冬夏兩季京津冀地區(qū)減排試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)減排幅度一定時(shí)夏季應(yīng)將工業(yè)源作為控制重點(diǎn),冬季采暖季應(yīng)將民用源排作為控制重點(diǎn).翟世賢等[17-18]和張沖等[19]對(duì)污染物減排時(shí)間進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),相同減排比例甚至更小減排比例,提前2～3d減排對(duì)北京整體空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)最為有效.王凌慧等[20]利用NAQPMS模式模擬2013年1月10～14日一次重污染過(guò)程,發(fā)現(xiàn)京津冀同時(shí)實(shí)施機(jī)動(dòng)車(chē)單雙號(hào)限行與工業(yè)限產(chǎn)減排30%,可使重污染期間北京小時(shí)平均PM2.5濃度下降20%～35%.

以上研究多采用敏感性試驗(yàn),主要描述不同排放削減方案的實(shí)施對(duì)污染物濃度的響應(yīng)變化,對(duì)計(jì)算資源的要求較高,且沒(méi)有考慮不同地區(qū)、不同行業(yè)污染排放對(duì)目標(biāo)區(qū)域污染物濃度的貢獻(xiàn),對(duì)制定切實(shí)有效的排放削減方案參考意義十分有限.本研究基于WRF-NAQPMS空氣質(zhì)量模式模擬京津冀及周邊“2+26”城市2017年12月的PM2.5濃度,解析“2+26”城市PM2.5濃度來(lái)源的貢獻(xiàn),并以此為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)迭代減排方案,獲得PM2.5約束濃度下京津冀目標(biāo)城市本地排放源削減公式,為京津冀及周邊地區(qū)優(yōu)化減排方案以及制定污染治理減排策略提供科學(xué)參考.

1 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

6項(xiàng)常規(guī)污染物PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO的逐時(shí)濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站、全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http://113.108.142. 147:20035),常規(guī)氣象要素如溫度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速和降水等逐時(shí)觀測(cè)結(jié)果均來(lái)源于中國(guó)氣象局.以上數(shù)據(jù)主要用于中尺度天氣預(yù)報(bào)模式(WRF)和中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所自主開(kāi)發(fā)的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)(NAQPMS)[21-24]的評(píng)估和驗(yàn)證.

FNL再分析資料(https://rda.ucar.edu/datasets/ ds083.3/)用于驅(qū)動(dòng)WRF模式的運(yùn)行,該產(chǎn)品來(lái)自于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS),GDAS系統(tǒng)同化了地面觀測(cè)、衛(wèi)星觀測(cè)資料、探空氣球資料、飛機(jī)觀測(cè)資料等,覆蓋全球所有地區(qū),空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為6h.

1.2 研究方法

1.2.1 模式介紹 本文采用的NAQPMS模式綜合考慮了氣態(tài)污染物和顆粒態(tài)污染物在物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程中發(fā)生的演變,包含了平流輸送、對(duì)流擴(kuò)散、干濕沉降、化學(xué)反應(yīng)等諸多過(guò)程;是由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所自主研發(fā)的第三代空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng),具有多尺度、多物種的優(yōu)點(diǎn).此外,NAQPMS模式也包含了自主研發(fā)的可追蹤空間來(lái)源的二次污染物源解析模塊(OSAM)[25].OSAM模塊通過(guò)初始標(biāo)識(shí)各個(gè)排放源各個(gè)物種的排放量,逐步標(biāo)識(shí)各個(gè)物種的前體物在物理化學(xué)過(guò)程的傳輸和演變,最終反算得到各個(gè)排放源各個(gè)區(qū)域的貢獻(xiàn)量.源解析技術(shù)結(jié)合敏感性分析和過(guò)程分析,很大程度上降低了傳統(tǒng)敏感性分析法帶來(lái)的非線性誤差,提高了模擬預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率,減少了計(jì)算時(shí)間,對(duì)區(qū)域的聯(lián)防聯(lián)控有著重要的指導(dǎo)意義.目前,NAQPMS模式在污染物跨界傳輸、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量預(yù)警方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用.

1.2.2 模式設(shè)置 如圖1所示,本研究模式區(qū)域設(shè)置以36.5°N,108°E為中心,第一、第二標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為30°N和60°N.模擬區(qū)域共設(shè)置3層嵌套.第1層包括中國(guó)、蒙古、朝鮮半島和東南亞地區(qū),分辨率為27km×27km,網(wǎng)格數(shù)為215×156(東西×南北,下同);第2層區(qū)域范圍西至陜西西部,東至渤海,南至湖北,北至遼寧,分辨率9km×9km,網(wǎng)格數(shù)150×168;第3層包括京津冀及周邊地區(qū)“2+26”城市,分辨率為3km× 3km,網(wǎng)格數(shù)為228×279.模式采用地形追隨坐標(biāo)系,垂直高度為距地面20km,共20層,為更合理描述邊界層內(nèi)氣象要素和污染物濃度垂直變化特征,模式在邊界層內(nèi)垂直層數(shù)加密.

圖1 模式區(qū)域設(shè)置

NAQPMS氣象驅(qū)動(dòng)場(chǎng)所需的逐小時(shí)氣象要素(溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等)由WRFv3.9.1提供.人為源排放清單中,中國(guó)地區(qū)的排放清單由中國(guó)多尺度排放清單模型(MEIC)提供(2016年),中國(guó)以外地區(qū)排放清單由亞洲人為源排放清單(MIX)提供(包含整個(gè)東亞地區(qū)),空間分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間分辨率為小時(shí).

1.2.3 迭代減排算法 為確保達(dá)到空氣質(zhì)量,如何制定一個(gè)高效、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的減排方案,是政策制定者以及科學(xué)研究者面臨的共同難題.本研究提出了一個(gè)較完整的迭代減排算法的技術(shù)流程,如圖2所示.具體步驟如下:

基準(zhǔn)情景PM2.5月均濃度模擬.本文使用NAQPMS模式對(duì)2017年12月京津冀“2+26”城市PM2.5及關(guān)鍵組分濃度進(jìn)行模擬驗(yàn)證,并使用OSAM模塊計(jì)算北京及周邊地區(qū)各城市、不同行業(yè)的排放量對(duì)目標(biāo)城市PM2.5濃度的貢獻(xiàn).

PM2.5月均濃度達(dá)標(biāo)約束判別.依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)[26]規(guī)定的PM2.5限定標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)城市基準(zhǔn)PM2.5月均濃度高于35μg/m3且低于75μg/m3時(shí),采用35μg/m3作為目標(biāo)約束濃度;當(dāng)城市基準(zhǔn)月均濃度高于75μg/m3時(shí),采用75μg/m3作為目標(biāo)約束濃度.

排放源清單削減方案制定.依據(jù)PM2.5濃度來(lái)源解析結(jié)果,分析目標(biāo)城市PM2.5濃度中的本地貢獻(xiàn)比例及化學(xué)反應(yīng)生成比例,制定目標(biāo)城市一次PM2.5、BC、OC、SO2、NO排放削減方案.

模式迭代計(jì)算得到最終減排方案.評(píng)估削減方案使用后目標(biāo)城市PM2.5的月均濃度,如果達(dá)到目標(biāo)約束濃度標(biāo)準(zhǔn),輸出減排方案,否則重復(fù),直至PM2.5濃度達(dá)標(biāo).

圖2 迭代減排算法技術(shù)流程

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬效果評(píng)估

圖3 典型城市PM2.5小時(shí)濃度觀測(cè)值與模擬值比較

模式的模擬能力直接影響了迭代減排算法的準(zhǔn)確性和不確定性.本文從空間上分散選取了京津冀及周邊地區(qū)的直轄市(北京、天津)、省會(huì)城市(石家莊、太原、濟(jì)南、鄭州)以及典型地級(jí)城市(保定、唐山)進(jìn)行模擬效果評(píng)估,其評(píng)估結(jié)果可反映NAQPMS模式對(duì)京津冀及周邊地區(qū)PM2.5的時(shí)空模擬能力.

表1 典型城市PM2.5小時(shí)濃度觀測(cè)值與模擬值比較的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

圖3顯示了2017年12月1～31日上述城市PM2.5逐小時(shí)濃度模擬值和站點(diǎn)觀測(cè)值時(shí)間序列.NAQPMS模式PM2.5濃度模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)在0.76～0.93之間(表1),表明NAQPMS模式不僅能較好的模擬出PM2.5濃度的時(shí)間變化趨勢(shì),也能夠較好地模擬出PM2.5濃度的空間分布特征.模擬值與觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)平均偏差在-0.10～0.24之間(表1),北京、太原的模擬偏差能控制在10%以?xún)?nèi),分別為-9%和-5%.其它統(tǒng)計(jì)參數(shù),如均方根誤差、模擬和觀測(cè)的PM2.5濃度的標(biāo)準(zhǔn)差,也能有效的表明NAQPMS模式能夠較好的再現(xiàn)2017年12月京津冀“2+26”城市PM2.5的濃度時(shí)空分布特征,且模擬偏差可接受.總之, NAQPMS模式能夠較好的模擬2017年12月京津冀“2+26”城市PM2.5濃度的時(shí)空變化特征,利用NAQPMS模式的PM2.5濃度模擬結(jié)果進(jìn)行下一步研究合理可行.

2.2 PM2.5達(dá)標(biāo)約束判別

“2+26”城市受地理位置、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響, PM2.5的濃度水平各異.圖4顯示了“2+26”城市2017年12月PM2.5濃度的空間分布特征以及各市的月均濃度值.由圖可知,2017年12月“2+26”城市PM2.5月均濃度在39.1μg/m3(北京市)～ 109.7.3μg/m3(邯鄲市)之間,空間分布差異較大,河北省南部、河南省北部和山東省西南部等城市月均濃度最高,如邯鄲、邢臺(tái)、安陽(yáng)、濮陽(yáng)和菏澤等月均濃度均超過(guò)110μg/m3.北京、太原、陽(yáng)泉、長(zhǎng)治、晉城等5個(gè)城市PM2.5月均濃度相對(duì)較低, PM2.5月均濃度在39.1μg/m3(北京市)～68.9μg/ m3(長(zhǎng)治市)之間.

PM2.5月均濃度超過(guò)35μg/m3,但未超過(guò)75μg/m3的城市為北京、太原、陽(yáng)泉、長(zhǎng)治、晉城,按照本研究的迭代減排算法設(shè)計(jì),將35μg/m3作為這些城市的PM2.5達(dá)標(biāo)約束值;其余城市月均濃度超過(guò)75μg/m3,按照75μg/m3作為這些城市的PM2.5達(dá)標(biāo)約束值.

圖4 2017年12月“2+26”城市PM2.5月均濃度空間分布(a)及各城市月均濃度值(b,μg/m3)

2.3 “2+26”城市減排區(qū)域選擇

各城市受不同氣象條件和排放特征影響,PM2.5來(lái)源地區(qū)不盡相同.圖5顯示了NAQPMS的OSAM模擬計(jì)算的2017年12月“2+26”城市PM2.5的區(qū)域輸送和化學(xué)生成貢獻(xiàn)解析結(jié)果.由圖可知,“2+26”城市中不同城市的主要貢獻(xiàn)區(qū)域雖然不同,但都以本地排放源的貢獻(xiàn)總量最為顯著,其次是每個(gè)城市的周邊地區(qū).以北京市為例,北京市PM2.5的月均濃度貢獻(xiàn)中本地排放源的貢獻(xiàn)比例最大,為47.1%;廊坊市和天津市次之,分別為15.5%和11.1%,其余城市的貢獻(xiàn)比例均未超過(guò)10%.

圖5 2017年12月“2+26”各城市PM2.5區(qū)域輸送和化學(xué)生成貢獻(xiàn)

考慮到多城市聯(lián)防聯(lián)控措施較為復(fù)雜,本文在迭代減排算法的實(shí)現(xiàn)中,主要考慮削減各城市本地的排放總量.此外,從北京市的貢獻(xiàn)量級(jí)來(lái)看,與皮冬勤等[27]使用OSAM和吳育杰[28]使用ISAM得到的結(jié)果48%和52.9%較為接近,表明“2+26”城市的區(qū)域貢獻(xiàn)解析結(jié)果可以作為減排算法設(shè)計(jì)的參考依據(jù).進(jìn)一步地,結(jié)合“2+26”城市本地貢獻(xiàn)比例以及各城市月均濃度和相應(yīng)的約束條件之間的關(guān)系可知,除北京、天津、石家莊、保定、唐山和太原6個(gè)城市外,其余城市即使100%削減本地排放源,依然無(wú)法到達(dá)對(duì)應(yīng)的PM2.5濃度約束標(biāo)準(zhǔn).因此,本研究的迭代減排算法設(shè)計(jì)中主要針對(duì)以上6個(gè)城市展開(kāi).為進(jìn)一步討論算法的準(zhǔn)確性,對(duì)石家莊、天津、保定、唐山和太原等5個(gè)城市進(jìn)行本地排放源迭代削減實(shí)驗(yàn),并將北京市作為對(duì)照組,驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性和可行性.

由圖5可知,每個(gè)城市PM2.5的化學(xué)生成貢獻(xiàn)比例在35.7%(太原)～53.8%(開(kāi)封)之間.以北京市為例,PM2.5的化學(xué)生成貢獻(xiàn)為46.6%,與王彤等[29]通過(guò)CMB模型得到的北京市二次顆粒物貢獻(xiàn)比例(36%～58%)較為一致.因此,線性減排污染物的排放總量并不能滿足實(shí)際減排目的需求,本研究在迭代減排算法設(shè)計(jì)時(shí),不僅要考慮一次污染物排放對(duì)減排效果的影響,還需要綜合考慮化學(xué)生成導(dǎo)致的二次污染物的影響.2017年12月北京市PM2.5月均濃度占比中硝酸鹽占比最大,為32.7%,有機(jī)碳(OC)、二次有機(jī)氣溶膠(SOA)、黑炭(EC)、銨鹽次之,分別為20.2%、11.2%、11.1%和11.0%,同時(shí)考慮到組分與前體物之間的形成關(guān)系,本研究在迭代減排時(shí)直接削減一次PM2.5、BC、OC、SO2、NO等物種的排放總量.

2.4 迭代減排方法設(shè)計(jì)與評(píng)估

圖6顯示了天津、石家莊、保定、唐山和太原等5個(gè)城市的本地排放源迭代減排比例與對(duì)應(yīng)的PM2.5月均濃度關(guān)系.結(jié)果表明,天津、保定和太原在進(jìn)行迭代減排試驗(yàn)時(shí),PM2.5月均濃度隨著本地排放源削減比例的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì).石家莊市與唐山市在迭代減排試驗(yàn)中出現(xiàn)了減排比例上升,PM2.5月均濃度不降反升的情景.這體現(xiàn)出排放源與PM2.5濃度之間的高度非線性關(guān)系,因此如何科學(xué)合理地制定本地減排方案是亟需解決的難題.

為使目標(biāo)城市PM2.5濃度達(dá)標(biāo),需制定PM2.5削減濃度,即目標(biāo)城市站點(diǎn)月均濃度與目標(biāo)城市約束PM2.5空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)濃度之差,如式(1)所示.PM2.5濃度主要是由排放源的直接貢獻(xiàn)和化學(xué)生成貢獻(xiàn)組成.排放源的直接貢獻(xiàn)包含本地排放源的直接貢獻(xiàn)以及其余地區(qū)排放源直接排放后的外來(lái)傳輸貢獻(xiàn);化學(xué)生成主要由本地、外來(lái)傳輸?shù)囊淮挝廴疚镏g的化學(xué)生成和外地化學(xué)生成后的外來(lái)傳輸貢獻(xiàn)構(gòu)成,如式(2)所示.

(1)

式中:為目標(biāo)城市需要削減的PM2.5濃度, μg/m3;Cb為減排前目標(biāo)城市站點(diǎn)PM2.5月均濃度; μg/m3;Cs為目標(biāo)城市的PM2.5約束濃度,μg/m3;Cl為目標(biāo)城市排放源的直接貢獻(xiàn)導(dǎo)致的PM2.5削減濃度,μg/m3;Cc為目標(biāo)城市化學(xué)生成影響的PM2.5削減濃度,μg/m3.

排放源直接貢獻(xiàn)的PM2.5削減濃度可以根據(jù)區(qū)域來(lái)源解析結(jié)果中的本地貢獻(xiàn)比例、減排前后的濃度差以及減排比例計(jì)算得到,如式(3)所示:

(3)

式中:1為PM2.5本地貢獻(xiàn)比例(%),c為PM2.5本地削減比例,%.

(4)

(5)

結(jié)合公式(1)～(5)可以得到,為達(dá)到目標(biāo)城市PM2.5約束濃度,目標(biāo)城市本地排放的削減比例為:

(6)

圖7 2017年12月部分城市化學(xué)反應(yīng)生成貢獻(xiàn)的PM2.5削減濃度與化學(xué)反應(yīng)生成貢獻(xiàn)比例關(guān)系

2.5 分析與討論

利用式(6)計(jì)算北京市PM2.5月均目標(biāo)約束濃度為35μg/m3時(shí)本地排放源的減排比例,并對(duì)減排效果進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證.由式(6)可知,為使北京市2017年12月PM2.5月均濃度達(dá)到35μg/m3空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),北京地區(qū)本地排放削減比例為68%.結(jié)果表明減排前北京所有觀測(cè)站點(diǎn)平均濃度為39.1μg/m3,減排后所有觀測(cè)站點(diǎn)的平均濃度為34.8μg/m3,減排后北京市PM2.5月均濃度達(dá)到了PM2.5月均目標(biāo)約束濃度(35μg/m3).

圖8顯示了2017年12月北京市本地排放源削減前后PM2.5濃度中各組分的濃度變化.從總體來(lái)看,2017年12月北京市減排前PM2.5月均濃度的各組分的占比順序依次為硝酸鹽、有機(jī)碳(OC)、二次有機(jī)氣溶膠(SOA)、黑炭(BC)、銨鹽、其他PM2.5和硫酸鹽.減排后,各組分占比的變化在-6.3%(OC)～ 8.0%(硝酸鹽)之間.隨著本地排放源的削減,硫酸鹽和一次排放的顆粒物如OC、BC、其他PM2.5等濃度下降顯著;而硝酸鹽、SOA和銨鹽等化學(xué)生成的顆粒物濃度占比不降反升,其上升比例分別為8.0%、3.8%和2.1%,結(jié)合北京市化學(xué)生成貢獻(xiàn)的PM2.5濃度占比高達(dá)46.1%,進(jìn)一步說(shuō)明基于當(dāng)前濃度和標(biāo)準(zhǔn)限值的線性削減方案由于未考慮化學(xué)生成導(dǎo)致的高度非線性關(guān)系,具有較大的局限性.

圖8 北京市減排前后PM2.5組分變化

Fig.8 Main components change of PM2.5 in Beijing

圖8還顯示了減排前后清潔時(shí)期(<75μg/m3)和污染時(shí)期(375μg/m3)各個(gè)組分的濃度變化值.由圖可知,清潔時(shí)期PM2.5濃度的貢獻(xiàn)總量占全月總濃度的30.1%,隨著排放總量的削減,各組分濃度也隨之下降.污染期間PM2.5濃度貢獻(xiàn)占全月總濃度的69.9%,減排前后PM2.5濃度中各組分的變化趨勢(shì)和月均變化趨勢(shì)一致,表明在減排措施制定時(shí)重污染過(guò)程中各污染物排放總量的削減是重中之重.此外,硝酸鹽、SOA和銨鹽等濃度隨著污染程度的加深,其上升的濃度分別最高可達(dá)8.1,4.84和3.57μg/m3.這表明在重污染期間除減排一次顆粒物濃度外,二次顆粒物的前體物如NO、NH3等的排放控制將會(huì)顯著影響重污染過(guò)程的減排效果.Ye等[30]2019年的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)氨的排放控制能顯著削減重污染期間的硝酸鹽和銨鹽的濃度.

3 結(jié)論

3.1 NAQPMS模式能夠較好地再現(xiàn)京津冀及周邊地區(qū)“2+26”城市PM2.5濃度的時(shí)空變化特征,為迭代減排試驗(yàn)的進(jìn)行奠定了基礎(chǔ);OSAM解析結(jié)果表明,2017年12月“2+26”城市PM2.5濃度的區(qū)域來(lái)源貢獻(xiàn)中本地排放源的貢獻(xiàn)最為顯著,化學(xué)反應(yīng)生成PM2.5的貢獻(xiàn)比例可達(dá)35.7%～53.8%,因此,迭代減排算法設(shè)計(jì)中主要考慮本地排放削減及其一次排放貢獻(xiàn)與化學(xué)生成的二次貢獻(xiàn)的影響.

3.2 石家莊、天津、保定、唐山和太原等5個(gè)城市的本地排放迭代削減試驗(yàn)結(jié)果表明,PM2.5月均濃度隨本地排放源削減比例的增加總體呈減少趨勢(shì),石家莊市與唐山市某個(gè)減排比例階段出現(xiàn)了相反的情況,這表明由于線性減排方案未考慮化學(xué)生成導(dǎo)致的高度非線性關(guān)系,具有較大的局限性.

3.3 根據(jù)以上5個(gè)城市迭代減排試驗(yàn),得到目標(biāo)城市減排經(jīng)驗(yàn)公式,并以北京作為對(duì)照組進(jìn)行檢驗(yàn)可知,若北京實(shí)現(xiàn)月均PM2.5目標(biāo)約束濃度為35μg/m3,北京本地需減排68%.

3.4 通過(guò)比對(duì)北京市減排前后PM2.5濃度中各個(gè)組分的濃度變化,發(fā)現(xiàn)隨著排放源的削減,清潔時(shí)期各組分濃度均呈下降趨勢(shì),污染時(shí)期硫酸鹽和一次排放的顆粒物等濃度顯著下降,而硝酸鹽、SOA和銨鹽等化學(xué)生成的顆粒物濃度呈上升趨勢(shì),為迭代減排方案中減排物種的選擇提供了指導(dǎo)意義.

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Emission reduction scheme based on source apportionment analysis.

XU Yun-fan1,2, WANG Da-wei1,3, XIANG Wei-ling1,3*, WANG Zi-fa1,3

(1.State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3.CAS Center for Excellence in Regional Atmospheric Environment, Xiamen 361021, China)., 2021,41(5)：2048～2055

In order to quantify the relationship between variability of mass concentration of ambient PM2.5and the reduction in emission sources scenarios, a WRF-NAQPMS/OSAM model was used in this study to simulate the variations in mass concentration of PM2.5in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding “2+26” cities in December 2017, and various iterative emission reduction experiments were carried out for cities based on the PM2.5source apportionment. The results showed that reducing local emission sources in each city had the most significant effect on overall decrease in PM2.5concentrations. Due to the influence of chemical formation, there was a highly non-linear relationship between the emission sources and the PM2.5concentrations, which resulted in large uncertainties for the linear-reduction scheme. The changes in PM2.5concentrations caused by the emission regulation in each city were mainly composed of the contributions of primary emissions and the secondary chemical generation. A significant linear relationship was observed between the PM2.5concentration contributed by chemical formation and the sector source apportionment. With the reduction of emission sources, most of PM2.5compositions decreased during the clean periods. However, mass concentration of nitrate, secondary organic compounds, ammonium increased during the pollution periods, which indicated that selection of emission reduction species was vitally important in the iterative emission reduction experiments.

Beijing-Tianjin-Hebei Region；PM2.5；source apportionment；emission inventory；iterative emission reduction；non-linear relationship

X513

A

1000-6923(2021)05-2048-08

許云凡(1993-),女,四川綿陽(yáng)人,中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所博士研究生,研究方向大氣環(huán)境容量及污染防控技術(shù)研究.發(fā)表論文1篇.

2020-09-16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0213004),國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”

* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, xiangweiling@mail.iap.ac.cn