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2020年春节期间我国华北区域大气污染成因分析—以北京为例
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2020-02-13 | 【 【关闭】

(澳门威利斯人最新网站王跃思研究员课题组)

  1.重工业点源排放量大、环境大气容量小仍然是导致重污染事件发生的主因。最近5年春节期间,北京地区大气中细颗粒物浓度平均值持续下降,最近两年浓度水平相当,今年气态污染物NO2和SO2比去年有小幅度上升。在极其不利的气象条件作用下,北京2020年春节期间发生了4次重污染事件,最为严重的一次是大年初一至初四,大气PM2.5日均浓度接近或超过150微克/立方米,达到重污染级别。究其原因,仍与区域污染源排放量大,超出区域大气环境容量密切相关。调研结果表明,春节期间京津冀及周边区域高污染行业,包括钢铁、炼焦、玻璃、耐火材料、炼油和制药等,由于生产工序不能中断,几乎均为24小时倒班生产。2020年1月份粗钢产量为近年来同比最高就是典型一例。部分企业还承担着协同供暖任务,春节期间仍需要持续加班生产。同时,燃煤电厂、供热锅炉等要保障用电正常和居民采暖,需要持续运行,排放强度与日常相比并没有太大差别。受偏南风影响,山东、河北和天津的电厂、钢厂和化工厂等点式污染源排放的硫酸盐、SO2和NOx等污染物向北京输送,并在高湿条件下发生二次转化。北京地面观测数据显示,受偏南风影响, 1月24-28日北京大气中SO2和NO2浓度持续增长,与PM2.5上升趋势高度吻合。

  2.风速低、湿度大和大气边界层高度低,是导致污染物持续积累与快速转化的客观条件。2020年春节期间,北京环境大气相对湿度在40-80%之间,弱北风和偏南风交替,造成污染气团在区域内反复振荡积累,导致偏南污染输送与局地排放污染快速混合;整个春节期间,边界层大气出现多重层结,对流不畅通,污染物易聚难散。尤其是25-28日,大气边界层高度不足千米,极大地降低了大气污染容量,有限空间内快速的二次反应造成颗粒物污染爆发增长,导致北京及北京以南山前地区形成重霾污染带。

  3.燃放烟花爆竹可造成短时间重霾污染事件发生,但不利的气象条件可导致这一影响持续。由于周边燃放烟花爆竹,雷达观测北京城区除夕夜500-1000m高空出现大量污染气团,并随年初一上午旺盛对流到达近地面,是北京新年第一天污染物爆发增长的主要诱因。随后的几天,虽未发现明显的区域输送现象,但区域边界层高度极低,午间边界层高度仍不足1000m。对污染物扩散及其不利,但对颗粒物的吸湿增长和非均相化学反应非常有利。燃放烟花爆竹排放的细颗粒物含有大量亲水无机盐,为NOx、SO2和NH3的二次非均相化学反应提供了充分的反应界面。因此,燃放烟花爆竹,如遇到类似今年低风速、高湿度和极低的大气边界层高度,就会引发较长时间的重霾污染。

  以下是结合观测结果的详细分析:

图1 北京春节期间PM2.5等污染物逐日变化图

  北京1月24-28日,大气中SO2和NO2浓度持续增长,与PM2.5上升趋势高度吻合(参见图1)。北京地面观测数据显示,受偏南风影响,山东、河北和天津的电厂、钢厂和化工厂等点式污染源排放的硫酸盐、SO2和NOx等污染物向北京输送,并在高湿条件下发生二次转化。整个过程,中和剂NH3的浓度也高达10-20微克/立方米。

    

图2 2020年春节期间北京PM2.5化学成分变化特征

  2020.1.20-30,ORG/NO3/SO4/NH4/CHL/NR-PM2.5的平均质量浓度分别为30、27、19、14、3.2和84μg/m3;占比分别为32%、29%、21%、15%、3%;硫酸盐高于往年说明周边燃煤污染输送量大,硝酸盐增长快、占比高,说明本地污染排放与外来污染在高湿的情况下发生了强烈的二次反应。本次重霾期间污染物组成以二次反应物为主,占比76%。参见图2。

    

图3 2020年春节期间北京不同污染级别的PM2.5化学成分变化特征

  按PM2.5浓度将污染等级分为轻度、中度污染和重度污染,NR-PM2.5的浓度依次增大,分别为38.9、127.9和219.0μg/m3,硫酸盐、硝酸盐和铵盐(简称SNA)绝对浓度逐步增加,其中硝酸盐(NO3)是主要组分之一,重污染时上升7个百分点,占被测组分的三分之一;硫酸盐(SO4)和铵盐(NH4)分别上升了3个和2个百分点,ORG所占比例缩减12个百分点。参见图3。

  重污染形成的主要化学机制:硫酸盐比例比春节前上升8个百分点,说明区域燃煤排放二氧化硫相对较高,偏南小风造成京南河北和天津的硫酸盐和氮氧化物等污染向北京输送,在高湿条件下(RH在40-80%之间交替变化),本地排放为主的NOx促发了外来SO2向硫酸盐的转化,大气中存量足够的氨气使其形成了水溶性无机盐-硫酸铵和硝酸铵,进一步加剧了颗粒物的吸湿增长。重度污染时,区域传输减弱,局地转化加强。比对香河PM1.0和北京PM2.5中化学成分的差别发现,二次粒子的转化主要在1.0-2.5微米较粗的颗粒物中进行。污染加重过程中,细颗粒物的酸性持续上升,pH呈现减小趋势,有利于污染物的酸催化氧化。

 

图4 2020年1月24日-29日气溶胶后向散射系数和边界层高度

  整个春节期间,边界层大气出现多重层结,对流不畅通,污染物易聚难散。尤其是25-28日,大气边界层高度不足千米,极大地降低了大气污染容量。参见图4。

图5 2020年1月20日-30日春节期间京津冀及周边PM2.5浓度空间分布图

  2020年春节期间,京津冀及周边地区多个城市受到以PM2.5为首要污染物的重度污染影响,尤其22日-28日在山前平原的风场辐合带区域污染最为严重,形成了山前污染带。参见图5。

 

图6 2020年1月20日-30日北京春节期间典型天气图及关键气象要素演变

  2020年春节期间,华北受变性高压影响,气压梯度小,风速弱,区域没有强冷空气南下,使得京津冀及周边地区空气停滞,弱风高湿导致污染累积和二次转化增加。北京地区湿度在40-80%之间,弱北风和偏南风交替,山谷-平原风振荡,偏南污染输送和本地排放交织,山前(太行山和燕山)出现显著高污染带长时间滞留(参见图5)。直到29日稍大偏北风清除北京污染,但北京以南、太行山东麓平原地区污染仍然严重。参见图6。

 图7 2020年春节期间京津冀及周边地区大气NO2柱浓度分布图

(本报告卫星图片由中国科学技术大学刘诚教授提供)

  图7为京津冀重污染期间卫星反演NO2大气柱浓度变化,显示出了高大污染点源的所在位置,结合风场的变化,不难分析出其对整个区域近地面大气污染变化的影响。

  总结:区域重工业点源排放传输和本地污染排放叠加,加之不利的气象条件导致了大气中二次无机盐为主的细颗粒物爆发增长,共同造成了京津冀及周边区域春节期间的重度空气污染事件。

  佐证材料:北京东南地区河北廊坊地区香河观测资料分析。该观测站隶属澳门威利斯人最新网站,地理位置正好是北京-天津之间,此区域是个通道,对北京及周边区域重污染形成具有重要的指示作用。

 

  图R01 2020年春节期间北京偏南方向河北廊坊地区观测站NR-PM1化学成分变化特征

  2020.1.20-30,北京偏南地区河北廊坊地区中科院威利斯人香河观测站观测结果。Org、NO3、SO4、NH4、Cl和NR-PM1的平均质量浓度分别为13、7、5、4、2和31μg/m3(注意北京为NR-PM2.5,约比NR-PM1.0高1倍);占比分别为43%、24%、16%、12%、5%;相比春节清洁时段香河地区SNA逐渐增加,其中NO3是主要组分,而Org所占比例逐渐减小(69% vs 46%)区域传输减弱,局地转化加强。)SO4比例比春节前上升10个百分点,说明区域燃煤量增加或是工业燃煤脱硫不利导致SO2排放量增加,造成大气中SO2浓度比春节前上升60%(参见图R01)。春节期间,非燃放区的烟花爆竹燃放,也对区域大气颗粒物中的无机盐有不可忽视的贡献。河北廊坊地区受偏南风影响,山东、河北和天津的SO4和NOx等污染物向该地区输送(参考图10);RH介于60%-80%,存在本地排放NOx促发SO2向硫酸盐的转化。

图R02 2020年春节期间河北廊坊不同污染级别的PM1化学成分变化特征

  按PM2.5浓度将污染等级分为优、良、轻度污染、中度污染和重度及以上污染五个等级,NR-PM1的浓度依次增大,分别为7.2、32.7、40.1、50.1和89.4μg/m3,水溶性无机盐SNA逐渐增加,其中硝酸盐是主要组分,而有机物Org所占比例逐渐减小23个百分点(69% vs 46%)。参见图R02。说明河北廊坊地区的重污染形成过程与北京城市相仿,均是由于高湿、静风气象环境条件下的无机盐颗粒物爆发增长所造成。

  (本报告仅作为科普,为公众答疑解惑。暂不作为公开发表文献之引用。有数据需求,可直接与编辑联系:wys@mail.iap.ac.cn;王跃思 澳门威利斯人最新网站)

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