北京市大氣PM2.5監測·模擬和評估技術

程念亮， 李云婷， 孫 峰， 張大偉， 徐文帥， 王 欣， 邱啟鴻， 董 欣， 孟 凡， 李紅霞

(1.北京市環境保護監測中心,大氣顆粒物監測技術北京市重點實驗室,北京 100048；2.北京師范大學水科學研究院,北京100875；3.中國環境科學研究院,北京 100012；4.中山大學先進技術研究院，廣東廣州 510275)

北京市大氣PM2.5監測·模擬和評估技術

程念亮1,2,3， 李云婷1， 孫 峰1， 張大偉1， 徐文帥1， 王 欣1， 邱啟鴻1， 董 欣1， 孟 凡2,3， 李紅霞4

(1.北京市環境保護監測中心,大氣顆粒物監測技術北京市重點實驗室,北京 100048；2.北京師范大學水科學研究院,北京100875；3.中國環境科學研究院,北京 100012；4.中山大學先進技術研究院，廣東廣州 510275)

針對北京市大氣污染防治工作的突出問題和難點問題，介紹了北京市大氣二次污染物PM2.5監測、模擬和評估關鍵技術，旨在為國內各城市環境空氣質量評價、模擬評估、預報預警，以及重污染應急、重大活動空氣質量保障等重要環境管理工作提供有力的技術支持，為管理部門提供準確、及時、全面的信息。

北京市；PM2.5；重大活動；評估體系；預報預警

北京市大氣環境問題歷來受到國內外的高度關注。自1998年以來，北京市不斷采取有力措施，開展大氣污染防治工作，連續實施十多個階段的大氣污染控制計劃，在首都經濟社會快速發展的同時，空氣質量取得了明顯改善，全市主要污染物SO2、NO2、PM10濃度較1998年顯著下降，北京市大氣污染問題得到了有效緩解和遏制[1-2]。但是，北京作為仍在繼續發展的超大型城市，建設規模依然在擴大，人口仍在持續增加，機動車保有量經過多年的高速增長已經超過500萬輛，機動車尾氣、采暖、建筑工地揚塵、工業燃煤等本地污染源排放形成的復合型污染特征明顯，同時還會受到鄰近重工業省市的區域污染輸送影響，空氣污染形勢依然比較嚴峻。

2013 年國家正式實施新的環境空氣質量標準(GB 3095—2012)，增加了 PM2.5等二次污染物，對北京市大氣污染治理提出了更高的要求，也形成了更大的挑戰[3]。在新的評價體系實施后，北京市空氣質量特點發生相應的變化，與API評價體系相比，北京市達標(優、良)天數比例明顯下降，而重污染天數比例顯著上升(AQI體系中5級和6級為重污染日，API體系中4級和5級為重污染日)，并且首要污染物由原先的PM10占主導轉為呈現分布多樣化的狀態。新標準條件下，北京市多項污染物濃度超過國家標準限值，特別是二次污染物 PM2.5問題突出，目前PM2.5年均濃度超標1.5倍，秋冬季重污染問題頻發，全年重污染日超過 40 d，復合性二次污染成為北京市大氣污染的突出特征[4-5]。

在此背景下，2013年國務院印發《大氣污染防治行動計劃》，北京市政府發布《北京市 2013—2017 年清潔行動計劃》和《北京市空氣重污染應急預案》，以堅決有力的污染控制措施推進首都空氣質量改善[6-7]。筆者針對北京市大氣污染防治工作中的突出問題和難點問題，重點介紹了近年來北京市大氣二次污染物PM2.5的支撐技術,旨在為國內各城市環境空氣質量評價、模擬評估、預報預警，以及重污染應急、重大活動空氣質量保障等重要環境管理工作提供有力的技術支持，為管理部門提供準確、及時、全面的信息。

1 PM2.5監測及特征分析

為了全面提升基于AQI評價技術標準的空氣質量預報技術水平，北京市環保監測中心在地面常規監測網絡的基礎上，在不同海拔高度的山區建立了垂直方向梯度監測站；在常規6項污染物的監測網絡基礎上，構建了以PM2.5組分在線觀測、PM2.5實時源解析、空間觀測(光學)為主體的三維立體觀測網絡(圖1)；利用PM2.5水溶性離子組分在線分析儀、PM2.5有機碳/無機碳分析儀等基于化學分析方法的在線設備實現對PM2.5組分在線觀測；利用基于質譜方法的單顆粒飛行時間質譜儀實現對PM2.5實時成分分析及來源解析；利用微脈沖激光雷達、激光云高儀、溫廓線雷達等基于光譜吸收、光學散射和遙感等技術為核心的測量設備開展空間觀測，輔助分析評估和預報本地空氣質量，分析區域間污染物傳輸對空氣質量的相互影響，以非常規的三維立體綜合觀測作為地面常規監測的補充，對大氣污染的生成和傳輸規律特性有了進一步了解。劉保獻等[8]、楊懂艷等[9]、Zhao等[10]研究表明北京市 PM2.5重污染期間采暖季硫酸鹽離子呈暴發性增長趨勢，12 h內可增長 10 倍，非采暖季則以硝酸鹽快速增長為主；從組分特征來看，二次無機離子占比超過 65%，陽離子中 NH4+最高，陰離子以 NO3-和SO42-為主；從氣象要素來看，主要表現為風速小、濕度大、正變溫、負變壓、逆溫強等。這揭示了重污染期間近地面“靜穩天氣”下，北京市及鄰近周邊地區邊界層中上部污染物跨城市輸送影響超過50%。北京地區 PM2.5污染問題均離不開綜合減排和區域聯防聯控，且區域輸送的空間尺度不局限于城市間，可擴展到城市群，僅進行京津冀區域治理不能完全滿足污控需求。這些研究結果為京津冀區域聯防聯控工作提供了重要的科學依據，為《北京市清潔空氣行動計劃》重污染應對措施的制訂和實施奠定了基礎。

圖1 北京市三維立體觀測網絡Fig.1 Three-dimensional monitoring network in Beijing

2 PM2.5預報預測技術

與國內外大多數城市類似，北京市的空氣質量預報技術體系也由統計預報模式、數值預報模式和專家診斷訂正3個部分組成[11]。經過多年的發展，北京市的空氣質量預報產品在2013年已經包括了對夜間和白天以及未來3 d的短期分區預報，并基于歷史的統計信息形成了分區預報的動態系數，可每天自動生成分區的預報結果。此外，針對重大社會事件以及節假日，可提供基于氣象預測資料的未來7～10 d空氣質量的變化趨勢分析。

近年來，基于多個科研項目和聯合中國科學院大氣物理研究所等合作單位，集合團隊力量重點拓展完善二次污染物PM2.5預報業務系統及性能。在統計預報方面，采用不同統計方法對多個環境監測站點的可吸入顆粒物、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)和二氧化氮(NO2)等污染物，建立6、12、24 h不同時段的統計模型，形成多方法、多站點、多項污染物、多時段的統計預報模型集合。在北京市的業務預報應用中，利用數據挖掘技術，通過采用相關性分析、線性回歸、判別分析、分類回歸樹和時間序列分析等多種統計分析技術及方法，建立針對不同預報要求的各種統計預報模型，并開展了PM10、NO2、SO2等多項污染物的濃度或級別預報。在數值預報方面，充分考慮當前國際上廣泛應用的中尺度氣象模式、空氣質量模式以及排放源處理模型，同時結合北京市空氣污染特點，選用中國科學院大氣物理研究所自主開發的NAQPMS模式，美國EPA的CMAQ模式、美國Environ公司在城市大氣化學中廣泛應用的CAMx模式等作為空氣質量數值預報體系的核心模式，并采用統一的氣象模式作為污染的驅動場，采用統一的排放源處理過程。

在重污染研判技術方面，基于大數據和認知學習的區域重污染過程判別預報方法體系，基于深度學習算法、相關反饋算法等自動識別京津冀地區及周邊地區的重污染過程，并對重污染過程原因進行分析，包括過程內因分析、氣象條件分析和傳輸分析。具體分析要素包括異動組分、逆溫、濕度、風速、氣壓場形勢、傳輸路徑等。能快速識別相似案例并形成預報結果，形成基于大數據分析和精準化模式的區域重污染過程預測研判技術及業務化平臺。

此外，還建立了重污染和重大活動保障期間視頻會商平臺，極大地降低了預報的不確定性，支持了重污染應急工作，特別是北京市2015年啟動的2次空氣重污染紅色預警。紅色預警期間，北京市委書記郭金龍、市長王安順、環保部科技司羅毅司長等在監測中心會商大廳調研空氣質量保障和重污染應急等工作情況。領導高度重視，技術人員以科學的態度做好研判；通過視頻會商將區域內環保技術人員動員起來，共同打好大氣污染防治攻堅戰。同時，也間接深化了區域大氣污染聯防聯控，加強對重污染精細化預警預報研究，增強了人民對大氣污染防治的信心。

綜上所述，北京市監測中心集成數值、統計、判別預報技術，創新性建立空氣質量預報預警體系，引領和促進了全國空氣質量預報預警工作。同時，北京市成為國內首個發布 AQI 標準下空氣質量預報信息的城市，為全國空氣質量預報預警體系建設起到引領示范作用，并被國際重點城市借鑒吸收，同時還向亞洲其他城市推廣[12-15]。

3 PM2.5評估分析技術

重大活動的空氣質量保障是北京市乃至周邊省(市、自治區)政府一項常態化的工作任務。開展減排措施、氣象條件后分析及評估研究是國內外急需研究和關注的問題，為保障國際重大活動期間空氣質量所采取的臨時性減排措施較為罕見，不可重復，且為評估減排措施對空氣質量改善及評估工作提供了難得的機會[16-17]。分析重大活動期間北京市及周邊地區保障措施的實施后各項大氣污染物濃度特征,相對客觀準確地評估保障措施與污染物排放規模下降、污染排放量削減、空氣質量改善之間的內在定性定量關系是重點和難點所在。同時，建立規范的空氣質量綜合觀測組織體系和科學的措施效果評估方法體系，能夠為環境管理部門的官方權威發布提供準確的評估結果和豐富的數據支撐[18]。一方面，服務于環境管理，為保障措施的總體效果提供評估結論和數據支撐，并將結果及時向媒體和公眾發布；另一方面，可為 “十三五”期間北京市大氣污染的控制措施及下一階段清潔空氣行動計劃的制訂提供技術支撐。筆者以2015年“抗戰勝利70周年閱兵”空氣質量保障為例，闡述重大活動期間北京市空氣質量分析的技術體系(圖2)。

圖2 北京市空氣質量預報技術體系Fig.2 The framework of air quality forecasting platform in Beijing

采用大數據的觀測評估和先進的模型評估相結合，基于地面觀測網絡、綜合實驗室、遙感監測、垂直觀測等三維監測手段，獲取高時空分辨率的觀測數據，采用同比、環比、空間差異分析和過程分析等方法評估環境空氣質量狀況和變化響應；應用源清單、數值模擬、化學質量平衡、動態源解析等多種源解析方法，確定污染物減排量、各源類的貢獻，綜合分析減排措施與空氣質量變化之間的關系。評估大氣污染物包括重點污染物(PM2.5、O3)、其他常規污染物(SO2、NO2/NOx、PM10和CO)以及研究性監測污染物(VOCs、NH3)等。評估空間范圍重點是北京市區，其次周邊區域，包括京津冀和周邊7省區。評估的時間段劃分為“保障前”“保障期間”和 “保障后”。2015年“抗戰勝利70周年閱兵”期間北京市空氣質量保障技術路線如圖3所示。

2015年8月20日至9月3日，北京市細顆粒物(PM2.5)平均濃度為17.8 μg/m3，同比下降73.2%，連續15 d達到一級優水平，相當于世界發達國家大城市水平。若不采取保障措施，PM2.5濃度比實際濃度將增加約70%；津冀晉蒙魯豫等周邊省區市空氣質量同步明顯改善，70個地級以上城市的PM2.5平均濃度同比下降40%左右。“閱兵”期間空氣質量保障措施實現的污染物減排比例及環境污染物濃度改善比例略高于2015年APEC會議空氣質量保障方案[6-7,19-20](圖4)。

北京市重大活動空氣質量保障技術及其成功經驗，為北京連續實現“APEC 藍”“田徑藍”“閱兵藍”提供了關鍵、翔實的科學技術支撐，相關方法也在其他城市承辦國家級重大活動保障中得到普遍推廣應用。

北京市環境保護監測中心及相關技術團隊建立了以大氣環境信息綜合診斷分析技術、重污染案例分析及判別預報技術、空氣質量動態統計預報模型系統、多模式集合數值模擬及預報系統為核心的空氣質量預報預警技術方法體系，能夠及時有效地提供空氣重污染預報預警信息，對北京市近幾年發生的重污染過程均能做到及時發現與有效識別，全年重污染應急預警啟動日次對重污染日的覆蓋率超過85%，對北京市空氣重污染應急工作的開展發揮了重要的技術支撐作用。在項目成果的支持下，北京市在全國率先多次提前發布空氣重污染預警并取得成功，在空氣質量實況仍為“優良”的狀況下，提前24～72 h啟動預警并實施污染控制。特別是2015年北京市實施了2次空氣重污染紅色預警，發布空氣重污染紅色預警技術難度大，實施風險高，成功預報預警并支持了政府管理部門啟動區域應急減排，有效減緩了污染積累。研究表明，與不采取應急措施相比，實施紅色應急措施后環境PM2.5濃度下降了20%～25%[21-22]。北京市首發空氣重污染紅色預警被評為2015年中國環保十大事件之一，項目技術成果與環境管理密切結合，社會效益和環境效益顯著，為北京市重污染應急及大氣污染防治工作的改進完善做出了突出貢獻。

服務首都核心功能定位，圓滿完成重大活動保障，實現“APEC 藍”和“閱兵藍”，樹立了全社會對實現“北京藍”常態化的信心。在不利氣象條件下，科學指導啟動最高級別強化減排措施，明確時間節點、應急區域、控制行業和減排物種，為重大活動的成功舉辦做出了突出貢獻。通過模擬評估改善效果，科學論證“人努力”是保障成功的主要因素，進一步增強了全社會早日實現“北京藍”常態化的信心[23-24]。多渠道發布空氣質量預報信息，為公眾規避重污染和健康出行提供服務，促進全社會環境保護意識的提升。始終堅持成果面向公眾的及時發布和宣傳，向社會公布PM2.5的監測及預報結果，第一時間全面發布到網絡和手機等平臺，立即引起了全社會的高度關注。通過北京城市電視平臺，空氣質量實時信息和未來3 d預報信息在全市7 500個樓宇電視和7塊戶外大屏每天發布26次。通過北京交通廣播、北京衛視、微博、微信、現場講解等渠道，更廣泛地開展環保宣傳、環境資訊發布、環保知識科普等工作。自2013年以來，監測中心微博粉絲83萬，累積博文6 152條。特別是重污染應急期間，點擊率激增，成為公眾健康出行的重要依據，為及時采取臨時減排措施減緩污染程度，指導公眾規避空氣重污染對健康的影響等發揮了積極作用。累計接待公眾參觀47批1 151人，媒體采訪294批942人，各地區交流調研151批1 765人，其中接待習近平總書記、張高麗副總理、郭金龍書記調研組，全國人大副委員長沈躍躍率領的全國人大環資委調研組，中組部掛職干部，韓國京畿道政府環境考察團，意大利環境、國土和海洋部可持續發展、環境損害歐盟和國際事務司司長一行，韓國KBS專題片欄目組等機構團體調研參觀63批次，523人次[25-26]。研究注重環境保護宣傳，提高了公民環保意識；獲得廣泛關注，取得了良好的社會效益和環境效益。

圖3 2015年“抗戰勝利70周年閱兵”期間北京市空氣質量評估技術路線Fig.3 The technical route of air quality assessment during the military parade on September 3rd of 2015 for commemorating 70th anniversary of China’s victory in World War Ⅱ

注：A.空氣質量保障前；B.空氣質量保障期間；C.空氣質量保障后。Note：A.Before ensuring air quality; B.During the period for ensuring air quality; C.After ensuring air quality.圖4 2015年“抗戰勝利70周年閱兵”前后北京市及周邊地區PM2.5濃度的空間變化 Fig.4 The spatial changes of PM2.5 concentrations in Bejing and its surrounding areas before and after the military parade on September 3rd of 2015 for commemorating 70th anniversary of China's victory in World War Ⅱ

4 結論

(1)北京市環保監測中心集成數值、統計、判別預報技術，創新性建立空氣質量預報預警體系，在全國率先開展新空氣質量標準的業務預報和信息發布，提高了空氣質量以及重污染過程的模擬性能，綜合預報級別準確率超過了80%。

(2)首次集成建立了包含會前方案可行性研判、會期綜合預報預警、會后快速綜合評價的重大活動空氣質量保障技術。圓滿完成各類重大活動保障，實現了“APEC藍”“田徑藍”和“閱兵藍”，增強了全社會對于早日實現常態化“北京藍”的信心。

(3)全方位多渠道發布空氣質量預報信息，為公眾規避重污染和健康出行提供服務，促進全社會環境保護意識的提升，取得了良好的社會效益和環境效益。

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Monitoring,Simulating and Evaluating Techniques of Atmospheric PM2.5in Beijing

CHENG Nian-liang1,2,3,LI Yun-ting1,SUN Feng1et al

(1.Beijing Municipal Key Laboratory of Atmospheric Particulate Monitoring Technology，Beijing Municipal Environmental Monitoring Center,Beijing 100048; 2.College of Water Sciences，Beijing Normal University,Beijing 100875；3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012)

Aiming at outstanding problems and difficult problems in the air pollution control in Beijing,the key techniques for monitoring,simulating and evaluating the secondary air pollutant PM2.5in Beijing were introduced,so as to provide powerful technical supports for evaluating,simulating and forecasting environmental air quality and ensuring air quality in heavy pollution and major activities,and to provide accurate,timely and all-round information for administrative departments in domestic cities .

Beijing; PM2.5; Major activities; Evaluating system; Forecasting and early-warning

環境保護公益性行業科研專項(201409005);國家科技支撐計劃項目(2014BAC23B03，2016YFC0208902);北京市市委組織部優秀人才培養項目(20160002173G166)；北京市團委優秀青年人才培養項目(2016-02-06)。

程念亮(1987- )，男，山東泰安人，工程師，博士，從事大氣環境監測、模擬、預報與評估研究。

2016-10-14

S 181.3

A

0517-6611(2016)34-0085-05