京津冀典型城市的秋冬季霧霾污染特征及防治措施淺析

南寧市第三中學五象校區 廣西 南寧 530000

正文：

1.背景

霧霾是一種相對濕度小于90%，能見度低于10km的一種大氣污染現象[1]。通過其定義可知，霧霾的主要危害之一為能見度的削減，由顆粒物對光的散射，折射作用造成能見度的顯著降低，進而引發系列的交通事故[2]。霧霾的主要污染物為PM2.5，顆粒物可以進入人體，對人體的呼吸道，肺部等造成不同程度的損傷，且粒徑越小，危害越大[3]。已有研究顯示，霧霾與當地呼吸道疾病，癌癥等健康問題的增長有顯著正相關性[4-5]。大氣環境復雜，有各類氣態污染物質，有不同的反應介質，因此霧霾污染常被認為是一種復合型污染。在顆粒物形成的過程中，多種氣態前體物如SO2，NO2，VOCs等經過不同的反應途徑生成顆粒物中的主要組分，硫酸鹽，硝酸鹽和含碳組分[6]。霧霾的出現除了污染物的貢獻，還有氣象條件的影響，包括逆溫，靜穩等不利于擴散的氣象條件[7]，氣象條件的影響一般認為是“外因”。而部分特定污染物的突然增長是霧霾發生的“內因”。本研究挑選華北平原的代表城市，北京，天津和河北的唐山的歷年秋冬季（2014年9月至2018年2月的秋冬季）進行污染分析。這三個城市也屬于京津冀區域的范疇，對我國的經濟發展，工業建設以及社會地位都有重要影響。通過對這些典型重污染的北方城市，在重點污染季節的分析，可以對比討論不同城市受污染物的影響程度，結合氣象條件分析，給出針對性的治理建議。

2.污染特征及成因分析

2.1 三個城市污染物的特征分析

三個城市秋冬季月均PM2.5濃度均超過《環境空氣質量標準》(GB3095－2012) 的一級標準值35 μg/m3，且其中每個城市的11、12月份PM2.5濃度均超過二級標準值75μg/m3，因此秋冬季都屬于超標的污染狀況。圖1可以看出，三個城市的污染物呈現較好的同步性，尤其是PM2.5，PM10這類顆粒污染物，這說明霧霾污染是一種區域性污染，從而出現同升同降的趨勢特征，尤其是重污染時段，例如2015年及2016年的12月。三個城市整體看來，污染嚴重程度序列為唐山＞天津＞北京。首先三個城市在秋冬季節的PM2.5和PM10始終保持較高的月均值水平。從2014年到2016年，PM2.5的月均濃度均保持在50μg/m3以上，而在2017年尤其是冬季，PM2.5濃度顯著降低，主要是“煤改氣”政策的利好影響。冬季的大氣活動能力較弱，邊界層較低，不利于污染物的擴散，從而使得污染物較長時間的累積和轉化[8]。一般排放增大及不利氣象共同作用下，顆粒物濃度在秋冬季節有顯著增長。而隨著煤改氣的落實，顯著改善了2017年秋冬季的污染狀況。

北京地區的SO2濃度顯著低于其他兩個城市，說明北京地區本地的SO2排放控制效果較強。2014年至2017年秋冬季北京地區的SO2濃度均值為12.8μg/m3，天津30.15μg/m3，唐山為49.5μg/m3。三個城市的SO2濃度變化都呈現“Λ”型，即從9月開始上升，至12月或者1月達到峰值拐點，2月下降。從秋季轉為冬季，由于供暖，和不利氣象條件導致氣態污染物的月均濃度增大顯著，因此從9月到12月及次年1月SO2都呈現上升的趨勢，然而2月因為春節，部分工廠會停止運行，因此2月有顯著的下降趨勢。

圖1. 北京，天津及唐山六種污染物的月均值變化

表1可知三個城市的污染嚴重程度為唐山＞天津＞北京。各城市的PM2.5濃度季均值均占PM10的60%以上，即顆粒物污染以細顆粒為主。北京的SO2濃度季均值明顯要低于唐山、天津。三市的CO、NO2濃度季均值相當，說明對于機動車的控制都稍顯不足。但三市的秋冬季各項污染物濃度均呈現逐年下降的態勢，說明各個城市對于空氣治理采取的措施收到一定的成效。逐年改善程度北京＞天津＞唐山，這與當地的工業發展水平有關。根據國家統計局（http：//www.stats.gov.cn/）數據顯示，2016年北京的第二產業（工業）占三產的19.26%，天津為42.33%，而唐山比重為55.07%。因此污染的下降幅度稍顯落后。但三個城市總體呈現較好的改善趨勢，以PM2.5為例，北京改善幅度為48.8%，唐山35.0%，天津36.5%。

表1. 北京，唐山和天津的污染物季均值

※表中數據除CO單位為mg/m3，其他均為μg/m3；表中季節的劃分按照中國農歷計算，即每年的冬季為當年12月加上次年的1月及2月為一個完整冬季。

2.2 霧霾污染成因分析

PM2.5與氣態污染物SO2和NO2之間呈現較好的同步性，SO2是顆粒物中主要組分硫酸鹽的氣態前體物，被大氣中的OH自由基，液相中的H2O2等氧化劑氧化，轉化為顆粒中的硫酸鹽；NO2是硝酸鹽的前體物，首先被大氣中的氧化劑氧化為HNO3，然后結合大氣中的堿性氣體NH3形成NH4NO3，進入顆粒相[9-10]。因此兩種氣態污染物對霧霾的出現都有不同程度的貢獻。在北京，SO2對PM2.5的貢獻與NO2相當，PM2.5的濃度高值出現在SO2和NO2都較高的80μg/m3的范圍，說明SO2和NO2對北京的霧霾都有顯著貢獻，當NO2濃度進一步增大時，PM2.5沒有表現出相應的增長，說明該地的NO2處于相對飽和的狀態，臨界值為80左右；而在唐山地區，可以看出SO2對霧霾的貢獻顯著弱于NO2，紅色區域的PM2.5濃度集中出現在高NO2條件，受SO2的影響相對較弱，說明當地NO2對霧霾的貢獻更加顯著，也是該地需要進行控制的重點污染物；天津地區的NO2對PM2.5的貢獻顯著強于SO2，PM2.5隨著SO2沒有顯著增大，隨著NO2呈現明顯的梯度分布。

圖2. 北京，唐山和天津的PM2.5與SO2、NO2之間的影響分析

除氣態前體物外，高濕的條件也有利于霧霾的出現。濕度較高時，顆粒物中的硫酸鹽，硝酸鹽等組分會因吸濕作用而增大顆粒物中的含水量，進而增大顆粒物的粒徑，且顆粒物表面的反應面積增大，利于更多的反應在顆粒物表面發生。圖3顯示北京和天津的PM2.5與RH之間有一定的正相關趨勢，唐山由于濕度始終保持較高水平（＞30%），因此趨勢相對較弱。此外，在高濕的情況下，各地的PM2.5濃度都會隨著氣態污染物（NO2為例）出現顯著增長。說明氣相條件的高濕加上氣態污染物濃度的增大會共同導致PM2.5的濃度上升，氣相條件和污染物濃度增長都是當前霧霾發生的必要條件。

圖3. 北京、唐山和天津的PM2.5與濕度的相關性分析

霧霾是典型的區域污染問題，因此討論不同城市受到周圍的影響情況有利于制定有針對性的協同處理方針。北京在冬季的軌跡來向以西北為主，且西北來向的氣團往往呈現徑直的特點。同時北京北臨燕山，西臨太行山，從西北方向過來的高空氣團呈現俯沖態勢，因此對當地的污染物有很好的去除作用，加上風速較大，清潔能力更強。而其他氣團都有偏南趨勢，由于北京的南部大都聚集重工業城市，如河北，山東，天津等，加上地形的特點，偏南方向的氣團給北京往往帶來不利的污染狀況，且偏南風都呈現卷曲的軌跡特點，不利于污染物的擴散稀釋。而天津、唐山的來源氣團除西北內陸之外，還有海上傳來的部分氣團，整體的軌跡特征與北京相似，從內蒙過來的徑直氣流經過北京，天津或者唐山直接吹到海域，對沿途的城市污染物都有一定清潔作用，而當行進氣流受到抵制，被迫改變行進方向時，反而成為不利于擴散的惡劣氣象條件。此外，唐山和天津還會收到石家莊，濟南等地的影響。當氣團軌跡來源為西南方向時，西南城市區的污染物能傳輸至兩地，對當地的污染出現有一定貢獻。三個城市地理位置毗鄰，因此互相影響較為顯著。

圖4. 北京、唐山和天津的后向軌跡分析（24h），軌跡時段為2018年2月

3.結論

通過對北京，唐山和天津（2014至2018）重污染季節（秋冬）進行污染情況分析，主要得到以下結論：

（1）三個城市中，污染嚴重水平唐山＞天津＞北京。根據國家統計局（http：//www.stats.gov.cn/）數據顯示2016年北京的第二產業（工業）占三產的19.26%，天津為42.33%，而唐山比重為55.07%。由于工業是污染物排放的一大源頭，唐山＞天津＞北京的污染嚴重程度是與當地的工業發展情況息息相關。 從2014到2018，三個城市的污染物濃度都出現較為顯著的改善，改善幅度北京＞天津＞唐山。

（2）北京當前秋冬季的PM2.5濃度同時受到SO2和NO2的影響，RH對于北京的霧霾也有較好的正向響應關系，這說明北京地區霧霾出現的時候，非均向反應過程貢獻顯著。唐山地區NO2對PM2.5的貢獻影響強于SO2，且與濕度之間沒有呈現顯著的正相關性，可能由于當地濕度平均水平較高所致。天津呈現和唐山類似的規律，NO2對PM2.5的高值出現有更顯著的貢獻。

（3）逐年數據顯示北京的SO2已經收到顯著改善的效果，因此日后的治理重點建議放在NO2的控制；唐山和天津的PM2.5與NO2之間呈現的較好正相關性說明該地的治理重點也是優先NO2。此外，唐山地區的SO2濃度雖然有所改善，但相對仍處于較高水平，因此建議進行同步治理。

（4）區域影響分析發現，三個城市由于地理位置相對較近，彼此之間會產生影響，因此治理污染應從協同處理的角度，采取政府，省市之間的區域聯合行動。