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京津冀及周邊地區大氣重污染成因更為清晰

藍天保衛戰,精準施策加油干

孫秀艷 劉 毅 寇江澤

2019年03月21日09:58  來源:人民網-人民日報

河北秦皇島海港區金夢海灣。曹建雄攝

最近一段時期,京津冀及周邊地區出現持續時間長、范圍大、污染重的區域污染過程,引起社會的廣泛關注。

過去幾年,尤其是2017年以來,近2000位專家聯合攻關,為大氣污染“找病根”,在科學診斷的基礎上“開藥方”。攻關有哪些新突破新發現?藍天保衛戰的策略是否會因此做出相應調整?本報記者獨家專訪了國家大氣污染防治攻關聯合中心、生態環境部、中國氣象局有關專家和負責人。

大氣重污染原因是什么?

近2000位專家聯合攻關,準確找出京津冀大氣污染“病根”

2017年4月,國務院常務會議確定由原環境保護部(現生態環境部)牽頭,科技、中科院、農業、工信、氣象、衛生、高校等多部門和單位協作,針對京津冀及周邊地區秋冬季大氣重污染成因、重點行業和污染物排放管控技術等難題開展集中攻關,并設立專項資金5.75億元。原環境保護部隨后按照“1+X”模式成立了國家大氣污染防治攻關聯合中心,組建了由200多家單位、近2000人組成的科技攻關團隊。

“攻關項目實現了機制體制、‘一市一策’駐點跟蹤研究、數據資源共享這三大創新。”生態環境部科技與財務司司長鄒首民說,800多名科研人員深入京津冀及周邊地區大氣污染傳輸通道“2+26”城市,開展長期駐點研究和技術指導,在每一個城市布設3—5個采樣點,共設采樣點109個,在2017年—2018年秋冬季進行連續采樣,共采集約2.6萬個樣品,完成了這些城市2017年—2018年秋冬季顆粒物的來源解析研究。

攻關聯合中心建成了天地空綜合立體觀測網,通過外場觀測、實驗室分析和數值模擬等綜合研究手段,目前已基本弄清了京津冀及周邊地區大氣重污染的成因,實現了對重污染過程的精細化定量化描述。

那么,京津冀大氣重污染的“病根”究竟是什么?

“京津冀及周邊地區大氣重污染,是污染物本地累積、區域傳輸和二次轉化綜合作用的結果。”中國工程院院士、北京大學教授張遠航說,“遠超環境承載力的污染排放強度是大氣重污染形成的主因,不利氣象條件造成污染快速累積是誘因,大氣氧化驅動的二次轉化是污染累積過程中顆粒物爆發式增長的動力。”

這樣的結論并不讓人感到意外。但是這一次,專家們的“望聞問切”比以往更細致,“病因”找得更精準。

中國工程院院士、清華大學教授郝吉明說,大氣污染物的高強度排放是京津冀及周邊地區秋冬季大氣污染形成的最主要原因。攻關項目把網格化管理和區縣、鄉鎮調研結合起來,基于大量調查和實測,編制了“2+26”城市精細化大氣污染源排放清單。清單包括10類排放源、9種污染物,涉及各行業工業點源總計8.6萬個、餐飲企業10.6萬家,大大提升了這一區域大氣污染源排放清單的精度。

——看污染來源:燃煤、工業、機動車、揚塵這四大來源是主要的,占比達到90%左右。

——看排放強度:這一區域產業結構偏重,能源結構以煤為主,運輸結構以公路為主,鋼鐵、焦炭、玻璃、原料藥等產量均占全國40%以上,單位國土面積煤炭消費量是全國平均水平的4倍,大宗物料80%依靠柴油貨車運輸,排放強度大。

——看時間分布:受采暖影響,這一區域秋冬季一次PM2.5和有機碳、黑碳等組分的月均排放水平,是非采暖季的1.5—4倍,而保定、濮陽、太原、陽泉、長治、晉城等散煤用量大的城市,上述污染物在秋冬季的排放水平更高。

——看行業分布:鋼鐵及焦化行業主要分布在唐山和晉冀魯豫交界地區,玻璃行業集中在邢臺、淄博等地,石化化工主要集中在淄博、天津、滄州、石家莊等地。

聯合攻關的一大突破,是實現了對重污染過程的精細化定量化描述。

攻關聯合中心副主任、中國環境科學研究院大氣環境首席科學家柴發合告訴記者,2015年以來,京津冀及周邊地區重污染過程發生頻次、持續時長和峰值均呈下降趨勢。2017年10月至今年3月初的秋冬季期間,京津冀及周邊地區共出現23次區域重污染過程。攻關聯合中心對23次污染過程都進行了精細化定量化解析,一一分析比對污染全過程的污染物組分、來源數據。

以今年1月10—14日污染過程中北京市的空氣質量變化為例,10—12日晚間均出現了PM2.5濃度快速增長的現象。專家們利用空氣質量模型進行模擬,結果表明,沿西南通道的污染物傳輸“貢獻”最大。此外,北京12日晚間污染最重時段,硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽濃度明顯上升,占比合計超過50%。這表明北京及周邊地區氣態污染物的二次轉化,也是推高北京PM2.5濃度的關鍵因素。氣態污染物的二次轉化,是指二氧化硫、氮氧化物等氣態污染物在大氣中發生氧化等化學反應,形成硝酸鹽、硫酸鹽等PM2.5的主要成分。

氣象條件和空氣重污染之間,存在著怎樣的關聯?

攻關專家運用多個模型系統,分析了2000年—2017年氣象條件對空氣質量的影響。結果顯示,由于氣象條件的年際差異,京津冀及周邊地區“2+26”城市PM2.5年均濃度的波動幅度可達10%,個別城市可達15%;由于氣象條件的月際差異,城市PM2.5月均濃度的波動幅度可達30%以上。

中國工程院院士、中國氣象科學研究院研究員徐祥德,中國氣科院大氣成分研究所所長王亞強,國家氣候中心研究員柳艷菊等組成氣象攻關團隊,對這一問題開展了深入研究。

徐祥德介紹,京津冀及周邊地區位于太行山東側“背風坡”和燕山南側的半封閉地形中,受青藏高原大地形“背風坡”效應所導致的下沉氣流和“弱風效應”影響,冬季京津冀及周邊地區為顯著的下沉氣流區,這不利于大氣對流擴散及污染物清除。這個地區是我國冬季大氣污染最重、季節差異最為顯著的區域,PM2.5濃度冬季普遍偏高,污染最重,秋、春季次之,夏季最輕。

“從目前統計分析結果來看,在京津冀及周邊地區,符合以下條件時容易產生本地累積型重污染:風速小于2米/秒,對污染物水平擴散極其不利;大氣處于靜穩狀態,垂直擴散能力較差;近地面逆溫,混合層高度低于500米;大氣相對濕度達60%以上,導致氣態前體物向顆粒物加速轉化。”徐祥德說,“在空氣污染過程中,污染累積到一定程度后還會導致氣象條件進一步轉差,重污染和不利氣象條件之間形成顯著的‘雙向反饋’效應。”

污染物成分出現哪些新趨勢?

PM2.5組分發生明顯變化,專家探索性地將城市空氣污染分為6種類型

空氣污染的“病根”是排放,天氣是誘因,復雜的顆粒物二次轉化是催化劑。重污染天氣中首要污染物大多是PM2.5,這種直徑小于或等于2.5微米(不到人的頭發絲直徑的1/20)的顆粒物中,主要的成分有哪些,從何而來?這是對癥下藥時需要了解的問題。

攻關研究表明,2017年,“2+26”城市二氧化硫、氮氧化物、PM2.5、可吸入顆粒物(PM10)、揮發性有機物、氨和一氧化碳等污染物排放量,同比下降6%—31%,其中,二氧化硫排放降幅最大,氨排放降幅最小。

2017年—2018年采暖季期間,“2+26”城市PM2.5的平均濃度為85微克/立方米,其中有機物、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽等主要組分的占比分別為28%、19%、12%和11%。這揭示京津冀及周邊地區大氣PM2.5化學特征發生了顯著變化。2018年11月—今年2月主要監測站點在線測量的結果,再次印證了這一變化規律。

——有機物占比正在下降。

PM2.5組分“黑名單”中,排在第一位的是有機物。目前,在測的有機物達100多種,主要來自散煤燃燒、機動車尾氣等一次排放和揮發性有機物的二次轉化,隨著散煤燃燒排放等得到有效治理,有機物的占比正在下降。

——硫酸鹽濃度及占比大幅降低。

作為大氣主要污染物之一,二氧化硫是導致酸雨的重要因素,也曾是二次生成PM2.5的最主要來源。很多地區一直把控制二氧化硫排放總量作為大氣污染治理的頭等工作。攻關專家認為,京津冀及周邊地區散煤“雙替代”、燃煤鍋爐和“散亂污”企業綜合整治成效顯著,使得硫酸鹽濃度及占比大幅降低。

——硝酸鹽污染十分突出。

觀測期間的數據分析顯示,京津冀及周邊地區硝酸鹽區域性污染十分突出,硝酸鹽絕對濃度和占比大幅度超過硫酸鹽,成為PM2.5中最主要的二次無機組分,其濃度快速上升已成為PM2.5爆發式增長的關鍵因素之一。這表明,加強氮氧化物的控制非常重要、非常緊迫。

中國環境科學研究院研究員薛志鋼告訴記者,“2+26”城市氮氧化物最重要的來源是道路移動源,也就是機動車,占比32%;非道路移動源即工程機械、農業機械、船舶和飛機等的排放占比17%;電力和供熱行業排放占比17%;其他工業排放占20%。抓住重點領域、推進氮氧化物減排成為當務之急。

——銨鹽排放須引起重視。

PM2.5組分“黑名單”中銨鹽排在第四位。聯合攻關專家、中國農業大學教授劉學軍表示,銨鹽主要由氨氣通過二次轉化而來,其來源主要是農業氨排放,占比高達85%,其中畜禽養殖占57%,氮肥使用占20%。從時間分布上看,秋冬季氨排放量低,夏季排放量大。另外,秸稈焚燒等生物質燃燒、垃圾填埋場、污水處理廠等也有氨排放。

各個城市產業、能源、運輸結構不同,城市化水平及消費水平不同,污染呈現不同特點。中國工程院院士、清華大學環境學院院長賀克斌介紹,根據城市污染源結構特征,可探索性地將“2+26”城市分為6種類型:

天津、石家莊、唐山、邯鄲、滄州、濟南、淄博、安陽等城市為綜合工業污染類;北京、鄭州等城市為偏機動車及溶劑類(裝修涂料、干洗劑、發膠、染發劑等);邢臺、太原、長治、陽泉、晉城、聊城、濱州等城市為偏煤焦鐵類;廊坊、衡水、濟寧、德州、新鄉等城市為偏溶劑使用類;保定、鶴壁、焦作等城市為偏建材污染類;菏澤、濮陽、開封等城市為偏農業及石化化工類。

區域傳輸影響有多大?

區域傳輸加重污染快速累積,全年平均“貢獻”約20%—30%

兩年多前,一張在北京市西紅門拍攝的大氣污染團從南邊滾滾來襲的照片,在很多人的微信朋友圈中刷屏,至今讓人印象深刻。

“事實上,攻關期間,每次重污染我們都開展走航觀測,采用新技術密切關注重污染過程。”中國工程院院士、中國科學院合肥物質科學研究院研究員劉文清說。

京津冀及周邊地區的特殊地形,使得污染物區域傳輸對污染快速累積產生顯著影響。攻關研究表明,西南通道(太行山前輸送帶)、東南通道(濟南—滄州—天津輸送帶)和偏東通道(燕山前輸送帶)均影響較大。京津冀及周邊地區各城市污染程度受到整個區域的傳輸影響,全年平均“貢獻”約為20%—30%,重污染期間的“貢獻”還會再提升約15%—20%。

對北京市而言,在重污染期間區域傳輸“貢獻”最高可達60%—70%,其中西南通道、東南通道和偏東通道都有較大影響。西南通道的定量分析顯示,在典型污染過程的起始階段,向北京的輸送通量最高可達500—800微克/平方米·秒,污染形成階段的輸送通量在100—200微克/平方米·秒左右。

中國科學院大氣物理研究所研究員王自發告訴記者,輸送通量是表示污染物輸送強度的物理量,數值越大,代表輸送強度越大。“根據定量分析結果,按照近地面大氣混合層500米高計算,在污染過程起始階段,周邊地區每小時每公里最高向北京輸送0.9噸—1.5噸PM2.5,影響非常明顯。”

有人認為,北京的藍天受到了周邊地區的拖累。但北京跟蹤研究工作組專家、清華大學教授王書肖并不這樣認為。她說,如果因此將北京空氣污染完全歸咎于周邊地區,那可就錯了。

王書肖表示,大氣污染是區域性問題,京津冀及周邊地區在同一空氣流場內,各城市的污染物相互影響,北京既受其它城市影響,也影響其它城市,空氣質量一榮俱榮、一損俱損,誰都難以獨善其身。

區域內空氣質量相對較好的地方,對區域傳輸“貢獻”會小一些,這是大家的普遍印象。但專家們對各城市細致的“體檢”,推翻了這樣的誤解。

“天津市去年PM2.5年均濃度為52微克/立方米,其中一個原因是得益于相對較好的擴散條件。”中國環境科學研究院研究員孟凡說,天津污染物排放總量很大,但一次PM2.5直接排放并不是很高,只有唐山市的1/3,對本地造成的影響比較小。不過,天津的二氧化硫、氮氧化物、揮發性有機物排放較高,排名“2+26”城市前列。這些PM2.5前體物轉化成硫酸鹽、硝酸鹽和顆粒物有機組分需要一定時間,輸送過程中伴隨著轉化,對區域污染影響較大。空氣質量模型模擬計算顯示,天津的污染物對區域傳輸的“貢獻”在“2+26”城市中排名靠前。

攻關研究顯示,區域排放總量位居前列的5個城市,河北占了3個。西南通道也就是冀中南太行山沿線方向,包括河北石家莊、保定、邢臺、邯鄲等城市,工業產業結構偏重、能源結構偏煤、運輸結構偏公路等問題突出,污染物排放總量較高,遠超環境容量。東部的唐山市,工業污染特征也十分突出。

“河北空氣質量相對較差,只有大幅削減污染物排放,才能提升本地空氣質量,促進京津冀及周邊地區空氣質量持續改善。”河北省生態環境廳廳長高建民說。生態環境部大氣環境管理司司長劉炳江強調:“區域大氣污染治理過程中,各個城市首先要‘自掃門前雪’,把本地污染排放降下來。”

藍天保衛戰“戰術”需要調整嗎?

大氣污染防治措施需適時完善,要下大力氣調整產業、能源、運輸、用地結構

攻關專家認為,治污不斷深入,區域污染來源占比也在不斷變化,相應的措施必須跟上形勢,適時加以調整完善。

專家組建議,今后要更加注重科學應對重污染天氣。“研究成果對重污染天氣減排工作具有很高的參考價值,相應方案要及時調整,保證更有效地降低污染峰值,縮短污染時間。”柴發合說,比如,分析出污染團的來源和傳輸方向,有針對性地做好源頭及通道的應急減排,效果將更加顯著。

針對秋冬季區域各城市污染程度普遍受到傳輸影響的問題,柴發合表示,晉冀魯豫交界地區地形條件先天不足,大氣擴散條件較差,常常成為污染的“熱點地區”。在重污染天氣應對工作中,今后要注重這一地區的3個問題:應急預案中的企業減排量要與預警等級完全匹配;啟動應急措施的時間要盡可能提前,提前兩天甚至更早啟動;應急減排措施要100%落地。

氣態污染物二次轉化往往是推高PM2.5濃度、導致污染加劇的重要原因。面對PM2.5組分占比的新變化,專家們認為,必須更加重視氮氧化物污染防治。“氮氧化物既是硝酸鹽的前體物,也是形成硫酸鹽的氧化劑。”賀克斌表示,應對空氣重污染時,在多種污染物協同管控的基礎上,把氮氧化物排放降得更低一點,效果更明顯。

日常減排是治本之策。專家組對癥下藥,針對各地情況開出了具體“藥方”。

——調整產業結構。區域內鋼鐵產能巨大,冶金企業扎堆,鋼鐵、焦化、冶金、水泥等高污染、高能耗產業在唐山和晉冀魯豫交界地區高度集中。晉冀魯豫交界地區小冶金企業扎堆,裝備、治理、管理水平落后,而且焦炭—鋼鐵、炭素—電解鋁產能的配比不合理,是下一步產業結構調整的重點區域。

——調整能源結構。區域內能源消費結構較為單一,煤炭消費量較大,山西、河南、河北屬于煤炭依賴型,北京屬于油氣綜合型,天津、山東屬于煤油氣綜合型,都需要做出相應優化。

——調整運輸結構。區域內柴油車氮氧化物和顆粒物排放,分別占汽車排放總量的65%和99%,是下一步運輸結構調整的重點。

——補上治理短板。京津冀及周邊區域揮發性有機物污染治理的重要性日益凸顯,需要加大力度治理苯、甲苯、二甲苯、乙烯、甲醛等重點污染物,而其關鍵在于控制汽油轎車、橡膠品制造、煉焦、瀝青鋪路、化學原料制造、涂裝等污染源頭。

“氨排放也是造成顆粒物污染的原因之一,大氣治理應將氨減排考慮進來。”劉學軍說,種植業和養殖業的氨減排潛力較大,氮肥機械深施、水肥一體化等技術,能降低一半以上的農田化肥氨排放,養殖業可以通過采用低蛋白配方飼料、改善動物飼養環境等措施實現氨減排。

——疏解北京非首都功能。對北京而言,機動車尾氣已經成為本地污染物排放的大頭。王書肖說,北京今后的減排措施要集中在移動源和生活源上,但這還不足以支撐PM2.5濃度大幅度下降。北京PM2.5濃度要進一步下降,加快疏解非首都功能的進度是根本。

從2013年“大氣十條”實施以來,藍天保衛戰持續推進。“目前,許多能用的、好用的措施都得到了應用,空氣質量改善的難度在增大,邊際成本在提高,污染治理進入深水區,越來越觸及深層次問題。”柴發合說,除北京以外,京津冀及周邊地區的產業、能源、運輸、用地結構還沒有發生根本性轉變,區域內秋冬季空氣質量仍不能擺脫對氣象條件的依賴,一旦遭遇不利天氣條件,就會發生空氣重污染。大氣污染防治往下走,重點還是結構調整。

劉炳江表示,目前京津冀及周邊地區結構調整,面臨不少難題:

產業結構調整難度很大。結構不合理是長期發展的結果,短期內難以根本改變。調整產業結構、化解過剩產能影響面較廣,涉及就業等民生問題,目前經濟激勵政策不足,實施難度較大。

能源替代成本較高。京津冀及周邊地區消耗了全國33%的煤炭,清潔燃煤集中供暖比例較低,散燒煤取暖使用量仍較大。在“煤改氣”“煤改電”工作推進過程中,天然氣供應需求量大,基礎設施改造和運行成本高,地方財政補貼壓力大等問題較為突出。

公路運輸依賴度高。京津冀及周邊地區公路貨運量占貨運總量的80%以上,比全國高出10個百分點。研究表明,一輛重型柴油車的污染物排放量相當于750輛輕型汽油車,區域內柴油貨車排放超標問題尤為突出,導致氮氧化物和PM2.5排放量居高不下。

“這些確實都是硬骨頭,要按照打贏藍天保衛戰三年行動計劃的部署,下更大氣力啃下來。”劉炳江說。

藍天白云何時常駐?

再經過10多年努力,“2+26”城市的PM2.5年均濃度可逐漸達標

調整結構,總量減排,強化應急,促進聯動……攻關專家的“藥方”很務實,各地各部門正在抓落實。

——減排,持之以恒推進。

“把污染總量減下來是實現區域空氣質量持續改善的必由之路。”劉炳江表示,京津冀及周邊地區產業結構調整,主要是針對高能耗、高排放企業。要嚴控“兩高”行業產能,深化工業污染治理,鞏固“散亂污”企業綜合整治成果。

河北的大氣污染防治,關乎整個區域空氣質量改善。“正像專家們分析的那樣,我省的石家莊、唐山、邢臺、邯鄲等幾個大氣污染較重城市,都存在主要產業行業的大氣污染物排放問題。我們要充分利用專家研究成果,瞄準‘靶心’科學施治。”高建民說,調結構很艱難,但河北將嚴控“兩高”行業新增產能,堅定不移調整產業結構,大力化解過剩產能、淘汰落后產能,對鋼鐵、焦化、煤電等排放大戶,加快推進超低排放改造和深度治理。

徐祥德表示,聯合攻關研究表明,全球變暖趨勢導致我國北方地區,特別是京津冀地區冬季靜穩天數明顯增多。氣候變暖和人類溫室氣體排放有關,減緩氣候變暖的進程,要靠減排。通常在減排二氧化碳等溫室氣體的過程中,會同時減排大氣污染物,這對治理大氣污染和緩解氣候變暖都有益處。

——應急,強化聯防聯控。

攻關專家建議,進一步強化區域聯防聯控,降低整個區域污染物排放強度,盡可能減輕傳輸影響。在夯實應急減排措施方面,不斷推進各地修訂重污染天氣應急預案,細化應急減排清單,做到涉氣污染源全覆蓋,把應急減排措施落實到具體生產工序和生產線,實施減排措施清單化管理,不斷提高環境管理精細化水平。

秋冬季污染物濃度在短時間內快速升高、爆發式增長的現象,在京津冀及周邊地區多個城市出現。劉炳江表示,針對這種現象,生態環境部將嚴格要求地方落實重污染天氣應急預案,繼續指導各地強化重污染天氣應對,開展應急聯動。

提高空氣質量預報能力,是應對空氣重污染過程、減輕污染的重要舉措。徐祥德認為,在一個時段內排放量相對固定的情況下,氣象條件是重污染事件是否發生的關鍵因素,幾天之內就有可能從藍天白云轉變為污染物“爆表”。下一步要加強、深化氣象影響和大氣污染成因關聯性的研究,做好重污染天氣的精準預報預測;另外,要加強不同地形與氣象條件背景下排放源布局影響與區域輸送“貢獻”等問題的研究,為精準防治大氣污染提供科學依據。

記者了解到,生態環境部將繼續與中國氣象局密切合作,完善中長期(40天)、短期(15天)和鄰近(7—10天)預報相結合的業務化預報模式,逐步提升區域和各省級預報中心能力,提升預報的時效性和準確性,為提前采取措施提供有效支撐,盡可能減少污染物累積。

去年入冬以來,京津冀及周邊地區已發生10多次大氣污染過程。人們期盼,藍天白云、繁星閃爍的日子更多一些。

賀克斌表示,只要堅持不懈、綜合施治,藍天就會越來越多。例如,根據專家研究,推廣燃煤鍋爐綜合整治,可使“2+26”城市PM2.5濃度下降1%—15%;完善重污染應急措施,可使PM2.5濃度下降4%—21%。

郝吉明說,基于藍天白云常駐的目標,攻關項目團隊提出了“2+26”城市空氣質量達標時間和改善路徑。各地各部門正在攻堅克難,精準治污。目前,在全社會的共同努力下,老百姓已經看到空氣質量明顯改善,藍天白云比過去顯著增加。相信再經過10多年努力,“2+26”城市PM2.5年均濃度可逐漸達標。

(責編:胡宇濃、馮亞濤)

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