山西省黑碳?xì)馊苣z污染特征與減排政策分析

崔琛

摘 要：黑碳（Black Carbon， BC）是PM2.5的重要組成成分，對氣候、空氣質(zhì)量與人體健康都存在負(fù)面影響。為了了解山西省BC排放特征，識別重點(diǎn)排放時(shí)段與區(qū)域，本文基于MERRA-2再分析數(shù)據(jù)，探究了山西省BC濃度時(shí)空分布特征，并分析了山西省近年來環(huán)境空氣質(zhì)量控制政策，結(jié)論如下：①山西省BC濃度南高北低，全省年平均濃度為4.04 μg/m3;②BC濃度日變化特征明顯，峰值出現(xiàn)在5：00—7：00，谷值出現(xiàn)在14：00—15：00，季節(jié)趨勢為冬季>秋季>夏季>春季;③山西省BC減排措施主要集中在工業(yè)、居民區(qū)與交通排放部門。

關(guān)鍵詞：黑碳;污染特征;山西;MERRA-2;減排措施

中圖分類號：X513;F206 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0128-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.030

Analysis on Pollution Characteristics and Emission Reduction Policies of Black Carbon in Shanxi

CUI Chen

（School of Geographic and Environmental Sciences， Tianjin Normal University， Tianjin 300387，China）

Abstract： Black carbon （BC） is an important component of PM2.5， which has negative impacts on global climate， air quality and human health. In order to understand BC emission characteristics in Shanxi and identify periods and areas of high BC emissions， based on the second Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications（MERRA-2） data， the spatial-temporal variances of BC concentrations in Shanxi in 2020 were discovered in this study， and the results are as follows：①BC concentrations were high in south part of Shanxi and low in the north part.Annual mean concentration was 4.04 μg/m3.②Characteristics of BC hourly variation were obvious. The peak values were at 5：00—7：00 and the valley values were at 14：00—15：00 in four seasons. BC concentrations were highest in winter， followed by autumn and summer， with lowest in spring. ③ The BC emission reduction policies were concentrated on industrial， residential and traffic emissions.

Keywords： Black Carbon; pollution characteristics; Shanxi; MERRA-2; emission reduction policies

0 引言

PM2.5是一種非均質(zhì)的混合物。黑碳（Black Carbon，BC）是PM2.5的組分之一，是一種碳質(zhì)顆粒，主要由化石燃料和生物質(zhì)的不充分燃燒而產(chǎn)生，主要排放來源為居民區(qū)、交通及工業(yè)部門。BC的空氣動力學(xué)直徑很小，隨著BC顆粒粒徑的降低，其在大氣中停留的能力增加，有助于BC的長距離輸送[1]。BC氣溶膠可影響氣候變化，對光有很強(qiáng)的吸收性，能夠吸收太陽輻射，加熱大氣，導(dǎo)致正向輻射強(qiáng)迫，是除了CO以外又一導(dǎo)致全球變暖的重要因素。BC顆粒物的排放增加也會降低區(qū)域空氣質(zhì)量，已發(fā)表的文獻(xiàn)表明，BC氣溶膠相比PM2.5具有更大的健康危害[2]。新鮮的BC顆粒具有多孔性，易于吸附其他有害污染物，進(jìn)而損害人體健康。長期或短期暴露于BC污染，對人體心血管、呼吸系統(tǒng)與神經(jīng)系統(tǒng)都有負(fù)面影響，如引起心率異常、血壓升高、動脈粥樣硬化、哮喘、呼吸道炎癥及兒童和老年人認(rèn)知能力下降等[3]。2021年9月，世界衛(wèi)生組織發(fā)布了新的《全球空氣質(zhì)量指南》，收緊了幾種主要污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，其中年均PM2.5指導(dǎo)值調(diào)整為5 μg/m，日均值調(diào)整為15 μg/m?！度蚩諝赓|(zhì)量指南》中還提出，應(yīng)對BC（或元素碳）進(jìn)行系統(tǒng)性測量，編制排放清單，采取措施以減少BC排放，并酌情制定BC濃度標(biāo)準(zhǔn)。由于BC對氣候、空氣質(zhì)量以及人體健康的影響，BC逐漸引起人們的關(guān)注，近年來關(guān)于BC的研究越來越多。本文基于MERRA-2（second Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications）數(shù)據(jù)，對山西省2020年BC質(zhì)量濃度時(shí)空變化特征進(jìn)行探究，并分析近年來為改善山西省空氣質(zhì)量的政策。

1 研究區(qū)概況

山西省位于第二階梯東部，地形北高南低，大部分地區(qū)海拔在1 000 m以上，汾河穿過山西省中部地區(qū)，所過地帶以盆地地形為主。山西省地處中緯度內(nèi)陸地區(qū)，屬溫帶、暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候?！?020年山西省生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，2020年山西省除大同市以外的10個地級市年空氣質(zhì)量都未達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的二級標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5年均濃度為44 μg/m，超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的年平均濃度限值35 μg/m。2020年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，在168個重點(diǎn)城市中，太原市環(huán)境空氣質(zhì)量綜合指數(shù)排名倒數(shù)第三，運(yùn)城市、陽泉市與晉城市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)也在倒數(shù)20位以內(nèi)，山西省空氣污染問題較為嚴(yán)重。11個地級市中，太原市、臨汾市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)較高，空氣污染較為嚴(yán)重。

2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

MERRA-2是由美國航空航天局發(fā)布的最新一代大氣再分析資料，它使用升級版本的戈達(dá)德地球觀測系統(tǒng)模型（Goddard Earth Observing System Model， GEOS-5），為大氣污染物、氣象因子、云、輻射等提供了方便、易于獲取的數(shù)據(jù)集。MERRA-2吸收了多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)和來自探空儀、飛機(jī)等的觀測數(shù)據(jù)，對氣象和氣溶膠數(shù)據(jù)（包括自然與人為過程）進(jìn)行同化和再處理，從而實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一整合[4]。2020年1月1日至2020年12月31日的BC地表質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來自tavg1_2d_aer_Nx （M2T1NXAER）數(shù)據(jù)集。原始數(shù)據(jù)空間分辨率為0.5°×0.625°，時(shí)間分辨率為1 h。MERRA-2數(shù)據(jù)采用國際區(qū)時(shí)（Coordinated Universal Time， UTC），本研究將國際區(qū)時(shí)小時(shí)濃度轉(zhuǎn)換為中國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（China Standard Time， CST）小時(shí)濃度值，在此基礎(chǔ)上分析BC濃度時(shí)空變化趨勢。

已有文獻(xiàn)驗(yàn)證了MERRA-2數(shù)據(jù)中BC質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確性。Zhao等對比了天津市BC監(jiān)測數(shù)據(jù)與MERRA-2數(shù)據(jù)集中的BC濃度數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示BC觀測數(shù)據(jù)與MERRA-2數(shù)據(jù)相關(guān)性較高（R=0.72），但是MERRA-2數(shù)據(jù)集的BC平均濃度比監(jiān)測數(shù)據(jù)高出105.85%[5]。Xu等采用14個監(jiān)測點(diǎn)測量的BC濃度數(shù)據(jù)對中國東部地區(qū)2006—2016年MERRA-2數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗(yàn)證，結(jié)果表明MERRA-2數(shù)據(jù)集中的BC濃度總體上低于BC監(jiān)測數(shù)據(jù)。MERRA-2數(shù)據(jù)中BC月均數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)有較高的相關(guān)性（R=0.83）與較低的偏差（RMSE=1.56 μg/m），其中，山西榆社監(jiān)測點(diǎn)測量的BC月均濃度數(shù)據(jù)與MERRA-2數(shù)據(jù)相關(guān)性較高（R=0.73）[6]。盡管MERRA-2數(shù)據(jù)集不能非常準(zhǔn)確地模擬出BC的質(zhì)量濃度，但由于其與監(jiān)測數(shù)據(jù)的高相關(guān)性，因此可運(yùn)用MERRA-2數(shù)據(jù)對山西省BC質(zhì)量濃度變化趨勢特征進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 山西省2020年BC濃度空間分布特征

通過圖1可以看出，山西省BC濃度南高北低，從北方地區(qū)向南方地區(qū)逐漸升高，中部地級市為過渡帶。大同市、朔州市與忻州市BC年均濃度在3 μg/m3以下;呂梁市、陽泉市、太原市與晉中市大部分地區(qū)BC濃度較低，而呂梁市、太原市及晉中市三市交界處BC濃度較高;南部四市中除臨汾市西部地區(qū)濃度較低外，長治市、運(yùn)城市與晉城市都被高濃度BC所環(huán)繞，年均BC濃度最高接近8 μg/m3。山西省年均質(zhì)量濃度為4.04 μg/m3。

山西省BC濃度空間分布格局與PM2.5濃度分布格局基本一致，陳輝等的研究表明山西省PM2.5濃度呈南高北低的分布趨勢[7]，BC作為PM2.5的組分之一，質(zhì)量濃度與PM2.5質(zhì)量濃度有一定的相關(guān)性。由清華大學(xué)開發(fā)并維護(hù)的中國多尺度排放清單模型（Multi-resolution Emission Inventory for China，MEIC）提供了中國高分辨率人為源大氣污染排放清單（目前更新到2017年）。MEIC顯示，山西省2017年BC排放分布格局也為南高北低，因此人為排放是BC濃度空間分布趨勢的重要影響因素。山西省南部高BC濃度除本地排放外，還可能源于區(qū)域傳輸。MEIC顯示，河北南部、河南北部BC排放量也相對較高。由于BC粒徑較小，易于進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，河南北部與河北南部的BC氣溶膠也可能對山西省南部高BC濃度有一定貢獻(xiàn)。另外，山西省BC分布格局也可能受盛行風(fēng)向、風(fēng)速、降水等多個氣象要素綜合影響。

3.2 山西省2020年BC濃度時(shí)間變化趨勢

山西省2020年分季節(jié)一日內(nèi)BC濃度變化趨勢如圖2所示。通過圖2可以看出，BC濃度小時(shí)變化特征明顯，在一日內(nèi)呈現(xiàn)“一峰一谷”的趨勢，峰值出現(xiàn)在早上5：00—7：00，夏季峰值出現(xiàn)時(shí)刻最早，為5：00，秋、冬季峰值出現(xiàn)時(shí)間最晚，為7：00。道路交通早高峰時(shí)間一般在早上5：00—9：00，早晨BC濃度峰值的出現(xiàn)與公眾上班出行時(shí)間基本吻合。夏季與冬季峰值濃度在時(shí)刻上的差異主要是由于冬季公眾出行時(shí)間推后，導(dǎo)致道路交通污染時(shí)間后移。結(jié)合BC小時(shí)濃度與人類活動出行時(shí)間可推斷，BC濃度峰值的出現(xiàn)可能與交通排放有密切關(guān)系。四季BC小時(shí)濃度谷值都出現(xiàn)在14：00—15：00，此時(shí)交通污染減少可能是BC濃度降低的原因。夜間BC濃度普遍較高，可能是由于物流貨運(yùn)車輛在夜間行駛較多，且大型貨車中柴油車占比較高，而夜間大氣邊界層高度降低，且逆溫一般發(fā)生在夜晚和早晨，影響了污染物的擴(kuò)散。這一變化趨勢與Zhao[5]和關(guān)亞楠[8]分別在天津市與石家莊市的研究基本一致。

圖3顯示了山西省2020年BC日均與月均濃度變化趨勢。BC濃度在5月最低，1月最高。BC氣溶膠在春夏秋冬四季的平均濃度分別為3.15 μg/m、3.45 μg/m、4.45 μg/m和5.11 μg/m，變化趨勢為冬季>秋季>夏季>春季，春夏季濃度較低，秋冬季濃度較高。這一變化趨勢主要是因?yàn)榇合募練鉁剌^高、降水較頻繁，邊界層高度高，大氣垂直與水平擴(kuò)散明顯，從而降低了污染水平。而冬季由于混合層高度低，逆溫時(shí)有發(fā)生，空氣層界穩(wěn)定，從而阻礙了污染物向周圍地區(qū)的擴(kuò)散過程，導(dǎo)致冬季BC濃度較高。從人為活動的影響方面看，在農(nóng)村地區(qū)，秋收時(shí)期存在露天焚燒秸稈的現(xiàn)象，冬季北方地區(qū)燃煤取暖，也增加了秋冬季BC濃度。

4 山西省BC濃度減排措施分析

BC氣溶膠產(chǎn)生于生物質(zhì)與化石燃料的不充分燃燒。MEIC清單顯示，山西省2017年總BC排放為6.3萬t，其中居民源排放最多，為2.8萬t，工業(yè)源排放為2.6萬t，交通源排放為1.0萬t。山西省是煤炭大省，大量的煤炭消耗導(dǎo)致BC排放量較高?！渡轿鹘y(tǒng)計(jì)年鑒2021》顯示，2020年山西省煤炭消費(fèi)量為36 186萬t，其中生產(chǎn)建設(shè)煤炭消費(fèi)量占比最多，為35 813萬t，生活用煤炭消費(fèi)量為373萬t。對比2010年，煤炭消費(fèi)量增加了約28.4%。在農(nóng)村地區(qū)，家庭取暖或烹飪過程中直接燃燒固體燃料是BC的主要來源，城市地區(qū)以柴油發(fā)動機(jī)為主的交通排放也是BC顆粒的主要貢獻(xiàn)[9]。近年來，山西省政府為控制省內(nèi)空氣質(zhì)量采取了一系列措施。2020年印發(fā)《山西省打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)2020年決戰(zhàn)計(jì)劃》，致力于空氣污染防治。

在工業(yè)生產(chǎn)方面，繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局，整治“散亂污”企業(yè)，關(guān)停焦化產(chǎn)能落后企業(yè)，整治鋼鐵企業(yè)排放。為重點(diǎn)企業(yè)實(shí)施冬季采暖季錯峰生產(chǎn)，對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級改造。在山西省目前的工業(yè)生產(chǎn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭仍是主要的能源。政府鼓勵工業(yè)企業(yè)選用清潔能源，減少大氣污染物排放，減少環(huán)境污染。山西省工業(yè)較為發(fā)達(dá)，但也隨之帶來了環(huán)境污染。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)健康綠色發(fā)展是目前的主要目標(biāo)。

在居民生活方面，山西省劃分了8個重點(diǎn)城市，鼓勵并促進(jìn)冬季清潔取暖代替散煤燃燒。冬季取暖一直是北方地區(qū)冬季的重要大氣污染來源，散煤在室內(nèi)的不充分燃燒更增加了BC氣溶膠濃度。塊煤、煙煤散燒所產(chǎn)生的環(huán)境污染大于無煙煤與蜂窩煤，采取政策鼓勵采用蜂窩煤代替塊煤、煙煤，大力發(fā)展集中供暖與清潔取暖能有效改善冬季污染物排放嚴(yán)重的問題。隨著近年來冬季采暖燃燒控制政策的實(shí)施，2020年山西省生活用煤量相比2017年下降了61.9%。

交通污染方面，監(jiān)控柴油車重點(diǎn)排放路段，加強(qiáng)力度監(jiān)管車輛燃油品質(zhì)，淘汰不符合排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油車，并大力推廣新能源汽車。交通尾氣排放是城市地區(qū)BC排放的主要來源[9]，一輛近乎報(bào)廢的柴油車輛的尾氣排放相比新車高出幾百倍，因此淘汰重污染柴油車能有效降低污染物排放量。

5 結(jié)語

①山西省BC濃度空間分布呈現(xiàn)南高北低的分布趨勢，晉城市、運(yùn)城市和長治市三市大部分地區(qū)，以及呂梁市、太原市及晉中三市交界處BC污染較嚴(yán)重。山西省BC年平均濃度為4.04 μg/m3。

②BC日變化趨勢呈現(xiàn)明顯的“一峰一谷”，峰值出現(xiàn)在早上5：00—7：00，谷值出現(xiàn)在14：00—15：00。山西省1月BC濃度最高，5月最低。季節(jié)變化趨勢為冬季>秋季>夏季>春季。

③近年來，山西省在環(huán)境空氣質(zhì)量控制方面的政策性減排措施主要集中在工業(yè)、居民生活源與交通源排放的控制上，且取得了一定的成效。

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