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把脉大气重污染 大气攻关项目为环境决策提供科学支撑

时间:2019-04-15 09:44

来源:中国环境报

作者:文雯

“我们建立了国内最大的天地一体化观测网,其中依托中国环境监测总站和环科院,建立了京津冀地区组分观测网和雷达监测网;依托北京大学和环科院,开展了京津冀大气综合观测实验,首次在4个超级观测站上对大气氧化性-新粒子生成-颗粒物增长和消光特性等关键参数开展了同步观测研究。”大气攻关项目专家、北京大学环境科学与工程学院研究员陆克定说。

从2017年10月开始,到现在短短一年多,大气攻关项目组的专家们深入一线调研,针对当前大气重污染成因研究碎片化和认识片面化的问题,以重污染发生-演变-消散全过程的核心科学问题为导向,采用闭合研究的技术思路,开展边界层气象和大气化学过程天地空一体化同步立体综合观测实验,构建基于观测的模型、近真实条件下烟雾箱模拟和空气质量模型相互印证的方法体系,强化硫-氮-碳污染物转化机制及高湿富氨条件下二次颗粒物形成机制的研究,定量解析污染排放、气象过程和化学转化对重污染过程的影响,提出我国大气重污染成因的耦合新机制及参数化方案,形成具有共识性的科学结论,构建持续开展重污染过程全方位监控和来源成因诊断的业务化能力,为环境管理部门综合决策提供科学支撑。

摸清“2+26”城市大气污染特征

2018年,山西、陕西、河北、湖北、重庆、内蒙古、四川等地区对水泥行业实施夏季错峰生产。以山西省为例,通过2018年错峰生产,全省减少水泥熟料产量390.9万吨,减少燃煤消耗45万吨(折标煤),减少CO2排放338.1万吨,减少SO2排放120吨,减少NOx排放4340吨,减少粉尘排放720吨,减少熟料库存约400万吨,减少企业流动资金占用约6亿元。

在这些地区实行水泥行业错峰生产的举措并不是无的放矢,而是基于大气攻关项目的研究成果。哪些地区需要对水泥进行错峰生产,哪些地区需要加大淘汰钢铁落后产能力度,环保措施在大气攻关项目的支持下,有了更为清晰和明确的目的。

基于手工观测数据,大气攻关项目对京津冀及周边地区秋冬季颗粒物化学组分的空间分布开展了定量研究。陆克定介绍说,“2+26”城市的硫酸盐浓度范围在3.98μg/m3~17.52μg/m3,浓度最低的是北京市,浓度最高的是晋城,除了北京、天津、廊坊、沧州和唐山,其他23个城市的浓度均超过10.0μg/m3。浓度较高的城市是鹤壁、焦作、晋城,分别为16.73μg/m3,17.42μg/m3,17.52μg/m3。“2+26”城市的有机物浓度范围在17.17μg/m3~351.54μg/m3,浓度最低的是天津,浓度最高的是保定。除了北京和天津,其他26个城市的浓度均在20.0μg/m3以上,只有保定超过了50.0μg/m3,达到了最高值51.54μg/m3。

“这说明,京津冀大气PM2.5主要来自二次转化及机动车和燃煤一次排放,在区域层面上工业排放对PM2.5的贡献仍然比较显著。”陆克定解释说。

发现主要大气输送通道

陆克定介绍说,立体监测网从2017年10月下旬至目前,观测到主要的输送过程以太行山输送带为主。

“北京地区除本地排放在区域逆温等不利扩散条件下的累积外,系统性的偏南风导致的外来污染输送也是污染形成的主要原因。”陆克定解释说,污染物主要在太行山山前的城市带上形成堆积和输送,输送通道上各城市颗粒物污染发生有明显先后顺序,上风向城市污染状况对下风向城市空气质量有明显影响。与2016年同期相比,污染输送总量和峰值有明显降低。2017~2018年度秋冬季,几次污染形成初期,京津冀地区均主要以偏南风(西南风或南风)为主,风速较低,并且存在明显的边界层降低和逆温现象。

针对与京津冀冬季颗粒物污染有密切联系的大地形和气象条件的综合影响问题,大气攻关项目发现此区域大气颗粒物污染受我国青藏高原大地形影响,其大气扩散条件存在“先天不足”。这一地区易受到大地形“背风坡”效应所导致的下沉气流和“弱风效应”的影响。

2017~2018年秋冬季北京地区气温相对于气候平均状态总体偏低,且低于其南部地区,京津冀地区相对于气候平均状态为低槽控制,高度场负距平,冷空气活跃,京津冀地区相对于气候平均状态为异常偏北风控制。“上述气象条件是2017~2018冬季空气质量改善的外部条件。”陆克定告诉记者。

切断污染输送的通道

很多人发现,从2017年年底开始,重污染预警的天数明显减少。像以前持续一周重污染的情况几乎没有再出现,污染团的转移也很少出现。切断污染输送通道,才能降低重污染发生的频率,减少大气重污染持续时间。

在我国现有污染物排放量大的内因条件下,京津冀区域冬季相隔一段时间就会出现的PM2.5重污染过程是在不利气象条件出现的背景下形成的;当PM2.5污染累积到一定程度,会使边界层气象条件进一步恶化,不利气象条件与PM2.5质量浓度在数小时或十几小时内至少上升一倍的“爆发性增长”之间存在“双向反馈”的相互促进机制,不利气象条件的反馈作用控制了PM2.5浓度的“爆发性增长”量:在北京体现为南风输送污染物到两面环山的北京地区累积。

“当PM2.5污染累积到一定程度会显著改变边界层结构,导致逆温、低层增湿、湍流下降、边界层高度下降到300 m甚至更低,使污染物在更贴近地面、更小范围内混合,这种边界层气象条件进一步转差的反馈作用导致了PM2.5在数小时或十几小时内质量浓度至少上升一倍爆发性增长现象。”陆克定告诉记者,这种现象受不利气象条件与累积到一定程度PM2.5污染之间“双向反馈”机制控制。

在2013年以来冬季持续时间超过3天的绝大多数重污染过程中,这种“双向反馈”的机制被发现普遍存在。陆克定介绍说,2017年11月~2018年2月京津冀出现的5次持续性重污染过程中,有4次存在这种“双向反馈”机制。有一次因PM2.5没有累积到足以显著改变边界层结构的门槛条件,南风的输送控制了PM2.5的上升。这表明将PM2.5污染在冬季大幅削减、使之达不到触发“双向反馈”机制的浓度,会大幅减少持续性重污染过程;同时表明即使在有利气象条件下,也不宜无限制地允许污染排放,因为当污染累积到一定程度后会显著改变边界层气象条件,“关闭”污染扩散的“气象通道”。


编辑:李丹

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