我國京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^）大氣環境容量研究

郝吉明，許嘉鈺，吳劍，馬喬

（1. 清華大學環境學院，北京 100084；2. 國家環境保護大氣復合污染來源與控制重點實驗室，北京 100084）

我國京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^）大氣環境容量研究

郝吉明1,2，許嘉鈺1,2，吳劍1，馬喬1

（1. 清華大學環境學院，北京 100084；2. 國家環境保護大氣復合污染來源與控制重點實驗室，北京 100084）

本研究以京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^）為例，研究處于不同經濟發展階段的區域大氣環境容量。利用GEOS-Chem全球大氣化學傳輸模式模擬計算大氣污染源排放所帶來的環境空氣中污染物的濃度，以京津冀和西北五省（自治區）的網格平均地面PM2.5年均濃度達到環境空氣質量標準（GB3095—2012）為約束條件，確定出京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^）SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五種大氣污染物環境容量。結果表明，2013年京津冀和西北五省（自治區）SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五種大氣污染物的排放量均超出大氣環境容量。

PM2.5；空氣質量；環境容量

一、前言

我國巨大的能源消費規模和以煤炭為主的能源消費結構導致各種大氣污染物大量排放，近年來全國各地多次發生大范圍、長時間的霧霾天氣，已成為社會關注的焦點。為加快解決目前嚴重的大氣污染問題、切實改善環境空氣質量，國務院于2013年9月發布實施《大氣污染防治行動計劃》。自《大氣污染防治行動計劃》實施以來，全國74座城市的PM2.5年均濃度較2013年有所下降，但有7個省區的PM10年均濃度不降反升，我國東部區域大氣PM2.5和O3污染十分嚴重，全國和重點區域大氣環境質量仍然面臨巨大挑戰。

大氣環境容量是指一個區域在某種環境目標（如空氣質量達標或酸沉降臨界負荷）約束下的大氣污染物最大允許排放量。實際研究時更關注的是“區域大氣環境容量”，即在一定的氣象條件及一定的污染源排放條件下，某一特定區域在滿足該區域環境空氣環境質量目標的前提下，單位時間所能允許的各類污染源向大氣中排放的各類污染物的總量。影響大氣環境容量的因素除了大氣污染物的環境化學特征外，還有區域環境目標、區域地理和氣象特征等。

大氣環境容量在我國一直被作為支撐國家大氣污染物總量控制和空氣質量管理的重要依據。圍繞不同環境目標下的大氣環境容量，我國學者已開展了許多研究。我國2012年對《環境空氣質量標準》進行修訂，PM2.5成為影響我國城市空氣質量達標的首要污染物，環境空氣中的PM2.5標準限值相比SO2、NO2、PM10等成為更嚴格的約束條件，因此，從我國空氣質量管理的需求出發，亟需以PM2.5達標為約束條件核算大氣環境容量，為大氣污染物減排提供科學依據[1]。研究京津冀及西北五省（自治區）的大氣環境容量將為構建處于不同經濟發展階段的區域精準化治霾體系提供重要依據。

二、研究方法

（一）方法概述

本研究以2013年為基準年，2030年為目標年，利用GEOS-Chem全球大氣化學傳輸模式模擬計算大氣污染源排放所帶來的環境空氣中污染物的濃度，以2030年京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^）的網格平均地面PM2.5年均濃度達到環境空氣質量標準（GB3095—2012）為約束條件，確定京津冀及西北五?。ㄗ灾螀^）的SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五種大氣污染物的環境容量，以此分析基準年的超載情況及減排需求。

（二）GEOS-Chem模型設置

1. 模擬時段

基準年為2013年全年，目標年為2030年全年，模擬時間間隔為3 h。

2. 模擬區域

模擬區域包括中國以及中國臨近的其他亞洲地區和國家：東至日本，西到印度，北到西伯利亞，南到印度尼西亞。經緯度范圍為 70 oE～150 oE，11 oS～55 oN，網格分辨率為 0.5o×0.667o [2]。

3. 排放清單

基準年和目標年中國境內的人為源排放為清華大學最新人為源排放清單[3]，其他采用GEOSChem默認的排放清單。

4. 氣象年的選擇

采用的GEOS-5氣象場目前只更新至2012年，同時根據2010—2012年三年的氣象數據模擬基準年2013年的排放對我國東部地區PM2.5月均濃度的比對結果，東部地區2012年PM2.5月均濃度與2010—2012年三年月均濃度的平均值最為接近為6.28 μg/m3，而 2010 年和 2011 年分別為 25.94 μg/m3和-32.22 μg/m3。所以氣象年選擇為2012年。

（三）模型驗證

利用GEOS-Chem模型測算大氣環境容量時，需要對氣象場、排放清單和濃度場進行驗證。

由于GEOS-Chem模型采用的氣象場為已同化的GEOS-5氣象場，因此本研究不再對氣象場進行驗證。

1. 基準年排放清單比較與校驗

本研究也將基準年排放清單與近年來其他排放清單研究結果進行了比較，如表1所示。文獻[4～6]的排放清單都是采用自下而上的方法建立；文獻[7]中2015年的排放數據是以2010年為基準年的未來預測數據。除我國環境保護部公布的排放數據明顯低于本研究采用的排放清單外，本研究采用的排放清單均在上述研究的變化范圍內。環境保護部排放數據較低的原因之一是沒有將非道路交通源的排放包括在內。

2. 基準年PM2.5模擬濃度驗證

基準年地面PM2.5濃度模擬值準確，才能保證未來年模擬結果的可靠性。下文將對基準年PM2.5模擬濃度驗證進行論述。

三、主要結果與分析

（一）未來年排放清單

大氣污染與能源利用密切相關，未來年主要大氣污染物的排放量取決于能源消費量和大氣污染控制技術與對策。通常通過設置不同的能源消費情景和大氣污染物控制情景分析法確定未來年主要大氣污染物的排放量。本研究依據文獻[8]的研究成果，只針對能夠實現2030年空氣質量目標的能源情景（2030PC）和污染控制情景（2030PC2）進行分析，如表2和表3所示。

表1 排放清單與其他近期研究的比較 ×103 t

表2 2030年能源情景的關鍵參數

表3 2030年未來情景設置

在能源情景中，2030年中國能源消費量較2013年上漲7%；煤炭仍然是能源結構中比例最大的部分，但所占比例由2013年的61%降低至2030年的44%；可再生能源及核能，所占比例由2013年的8.3%上升至2030年的15.1%。在末端控制策略方面，該清單為每個能源情景設計了兩個末端排放控制策略，末端控制技術的分布率主要依據相關政府公告和規劃計算。污染控制情景是依據《大氣污染防治行動計劃》設定，并假設控制措施逐漸加嚴到2030年，在該情景中，煙氣脫硫裝置（FGD）在電廠和工業部門中大范圍應用，新建的工業鍋爐均要求安裝低氮燃燒技術設備（LNB），靜電除塵器（ESP）和高效除塵器（HED）將逐步替代低效率的濕式除塵器（WET）。對于民用部門，到2030年低硫煤使用率將達100%，更先進的煤炭和生物質爐灶也將廣泛使用；對于交通部門，高排放車輛將被更快淘汰，到2030年所有車輛都達到目前歐洲最嚴格的排放標準[9]。

（二）未來年大氣PM2.5濃度分析

以2012年為氣象年，將2013年我國的人為源大氣污染物排放清單更新為未來年的排放清單、自然源及境外源排放清單保持不變，利用GEOSChem模擬京津冀和西北五省（自治區）地面PM2.5濃度分布（見圖1）。為了便于分析，除了未來年2030年PM2.5濃度變化外，圖1增加了各省市自治區2013年監測濃度和模擬濃度。2013年底只有74座城市有完整和連續的PM2.5監測數據[10]，因為這74座城市只包含西北五?。ㄗ灾螀^）的省會城市，所以在圖1中添加了2015年PM2.5地面監測數據[11]。圖1的橫坐標從左到右按照緯度遞增進行城市排序。

圖1 京津冀及西北五?。ㄗ灾螀^）地面PM2.5濃度情況

1. 地面PM2.5濃度模擬值驗證

以標準平均偏差、標準平均誤差及相關性系數R三個參數對GEOS-Chem模型模擬的地表PM2.5濃度的能力進行校驗。將京津冀13座城市和西北五?。ㄗ灾螀^）省會城市地面PM2.5濃度監測數據與該城市中心所在GEOS-Chem模型網格的模擬濃度進行比較，結果見表4。

由表4可見，京津冀的標準平均偏差為-8.0%，相關性系數R為0.83；西北五?。ㄗ灾螀^）的標準平均偏差為-8.4%，相關性系數R為0.97，模型對地表PM2.5濃度評估略低，這是因為氣象年為2012年，而普遍認為2013年的擴散條件優于2012年，所以導致模型對地表PM2.5濃度的模擬結果略低于監測值。京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^）合計66座城市，2015年地面PM2.5監測值與基準年模擬值的相關性分析結果表明，雖然無論是氣象場還是排放清單在2013年與2015年都存在差異，但是該相關性分析結果能夠反映模擬結果的準確程度。結果表明，京津冀、陜西、青海的模擬結果好于甘肅、新疆和寧夏的模擬結果。

2. 未來年地面PM2.5濃度達標分析

圖1表明，未來年京津冀、西北五?。ㄗ灾螀^）的網格平均地面PM2.5年均濃度均能達到空氣質量二級標準的35 μg/m3，但是，河北、西北五?。ㄗ灾螀^）中64座地級市中合計有15座城市不能達標。這就意味著，未來年排放清單的排放量是以京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^）的網格平均地面PM2.5年均濃度達到環境空氣質量標準（GB3095—2012）為約束條件的大氣環境容量，而不是以各地級市網格平均地面PM2.5年均濃度達到環境空氣質量標準（GB3095—2012）為約束條件的大氣環境容量，后者比前者小，尚需進一步研究才能確定后者的具體數值。

（三）大氣環境容量分析

1. 大氣環境容量

未來年排放清單的排放量是以京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^）的網格平均地面PM2.5年均濃度達到環境空氣質量標準（GB3095—2012）為約束條件的大氣環境容量，SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs、NH3的環境容量如表5所示。

表4 基準年地面PM2.5濃度模擬值校驗結果

表5 主要大氣污染物環境容量 ×104 t

2. 大氣環境容量超載率

通過基準年2013年的大氣污染物排放量與其環境容量的比值，衡量大氣環境超載的結果。由表6可知，西北五?。ㄗ灾螀^）總體超載與京津冀基本相當。一次PM2.5和NOx的超載狀況比其他幾種污染物更為嚴重，超載率為158%～400%；若想使大氣環境不超載，各地區相對于2013年的SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs的排放量削減比例應在30%～75%，NH3的排放量最大削減比例要達到53%。

表6 基準年主要大氣污染物超載情況 %

四、結語

以京津冀和西北五省（自治區）的網格平均地面PM2.5年均濃度達到環境空氣質量標準（GB3095—2012）為約束條件，京津冀SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五種大氣污染物環境容量分別為 609 kt、745 kt、295 kt、1 322 kt和 6 260 kt；西北五?。ㄗ灾螀^）五種大氣污染物環境容量分別為 926 kt、947 kt、349 kt、758 kt和 9 160 kt；然而該環境容量對應的京津冀和西北五省（自治區）中66座地級市的PM2.5年均濃度達標率為76.6%，100%達標率對應的大氣環境容量應小于該容量。

2013年，京津冀地區SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五種大氣污染物的排放量分別是其大氣環境容量的2.23倍、2.74倍、3.59倍、1.63倍和1.70倍；西北五?。ㄗ灾螀^）五種大氣污染物排放量分別是其大氣環境容量的2.28倍、2.27倍、2.81倍、1.73倍和1.28倍。2013年，京津冀和西北五?。ㄗ灾螀^）大氣環境容量超載情況基本相同，所以在新時期“一帶一路”戰略實施過程中必須關注西部干旱區大氣環境容量的約束條件。若使大氣環境容量不超載，相對于2013年，京津冀五種大氣污染物削減比例分別為55%、64%、72%、39%、41%；西北五省（自治區）五種大氣污染物削減比例分別為56%、56%、64%、42%、22%。

利用空氣質量模型確定大氣環境容量的不確定性取決于空氣質量模型、氣象場、排放清單、空氣質量標準值等諸多因素。本研究利用GEOS-Chem模型及清華大學編制的2013年人為源排放清單，發現甘肅、新疆和寧夏的地面PM2.5濃度模擬值與監測值負相關或相關性低。因此，本研究確定甘肅、新疆和寧夏的大氣環境容量的不確定性高于京津冀、陜西和青海，尚需深入研究。

[1] 薛文博, 付飛, 王金南, 等. 基于全國城市PM2.5達標約束的大氣環境容量模擬 [J]. 中國環境科學, 2014, 34(10): 2490-2496.Xue W B, Fu F, Wan J N, et al. Modeling study on atmospheric environmental capacity of major pollutants constrained by PM2.5compliance of Chinese cities [J]. China Environmental Science,2014, 34(10): 2490-2496.

[2] Chen D, Wang Y X, McElroy M B, et al. Regional CO pollution in China simulated by high-resolution nested-grid GEOS-Chem model [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2009, 9(11):3825-3839.

[3] Ma Q, Cai S, Wang S, et al. Impacts of coal burning on ambient PM2.5pollution in China [J]. Atmospheric Chemistry and Physics,2017, 17(7): 4477-4491.

[4] Liu F, Zhang Q, Zheng B, et al. Recent reduction in NOxemissions over China: synthesis of satellite observations and emission inventories [J]. Environmental Research Letters, 2016, 11(11): 114002.

[5] Xia Y, Zhao Y, Nielsen C P. Benefits of China’s efforts in gaseous pollutant control indicated by the bottom-up emissions and satellite observations 2000—2014 [J]. Atmospheric Environment,2016, 136: 43-53.

[6] Wu R, Bo Y, Li J, et al. Method to establish the emission inventory of anthropogenic volatile organic compounds in China and its application in the period 2008—2012 [J]. Atmospheric Environment,2016, 127: 244-254.

[7] Zhao B, Wang S, Wang J, et al. Impact of national NOxand SO2control policies on particulate matter pollution in China [J]. Atmospheric Environment, 2013a, 77: 453-463.

[8] Zhao B, Wang S X, Liu H, et al. NOxemissions in China: historical trends and future perspectives [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013, 13(19): 9869-9897.

[9] Wang S X, Zhao B, Cai S Y, et al. Emission trends and mitigation options for air pollutants in East Asia [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2014, 14(13): 6571-6603.

[10] 國際環保組織:綠色和平. 2013年度中國74座城市PM2.5濃度排名 [EB/OL]. (2014-02-27) [2017-04-09]. http://www.greenpeace.org.cn/PM25-ranking.International Organization for Environmental Protection:Greenpeace. PM2.5ranking of 74 cities in China, 2013 [EB/OL].(2014-02-27) [2017-04-09]. http://www.greenpeace.org.cn/PM25-ranking.

[11] 國際環保組織:綠色和平. 2015年度中國366座城市PM2.5濃度排名[EB/OL]. (2016-01-20) [2017-04-15]. http://www.greenpeace.org.cn/pm25-city-ranking-2015.International Organization for Environmental Protection:Greenpeace. PM2.5ranking of 366 cities in China, 2015 [EB/OL].(2016-01-20) [2017-04-15]. http://www.greenpeace.org.cn/pm25-city-ranking-2015.

A Study of the Atmospheric Environmental Capacity of Jingjinji and of the Five Northwestern Provinces and Autonomous Regions in China

Hao Jiming1,2, Xu Jiayu1,2, Wu Jian1, Ma Qiao1
(1. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. State Environmental Protection Key Laboratory of Sources and Control of Air Pollution Complex, Beijing 100084, China)

This article discusses the regional atmospheric environmental capacity of areas in different stages of economic development, and presents the Beijing-Tianjin-Hebei (Jingjinji) region and the five northwestern provinces and autonomous regions in China as examples. The atmospheric environmental capacities for sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxides (NOx),fine particulate matter (PM2.5),volatile organic compounds (VOCs), and ammonia (NH3) emissions were calculated for the various provinces with the constraint condition of the annual average ambient PM2.5concentration standard (GB3095—2012), using a global chemical transport model from the Goddard Earth Observing System (GEOS-Chem). The results indicate that the total emissions of SO2, NOx, primary PM2.5, VOCs and NH3emited from the Jingjinji and the five northwestern provinces and autonomous regions all exceed the environmental capacity.

PM2.5; air quality; environmental capacity

X51

A

2017-06-20；

2017-07-10

許嘉鈺，清華大學環境學院，高級工程師，研究方向為能源利用與大氣污染模擬及控制對策等；E-mail: jiayu-xu@tsinghua.edu.cn

中國工程院咨詢項目“生態文明建設若干戰略問題研究（二期）”(2015-ZD-16)

本刊網址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.04.003