京津冀典型城市的秋冬季雾霾污染特征及防治措施浅析

南宁市第三中学五象校区 广西 南宁 530000

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1.背景

雾霾是一种相对湿度小于90%，能见度低于10km的一种大气污染现象[1]。通过其定义可知，雾霾的主要危害之一为能见度的削减，由颗粒物对光的散射，折射作用造成能见度的显著降低，进而引发系列的交通事故[2]。雾霾的主要污染物为PM2.5，颗粒物可以进入人体，对人体的呼吸道，肺部等造成不同程度的损伤，且粒径越小，危害越大[3]。已有研究显示，雾霾与当地呼吸道疾病，癌症等健康问题的增长有显著正相关性[4-5]。大气环境复杂，有各类气态污染物质，有不同的反应介质，因此雾霾污染常被认为是一种复合型污染。在颗粒物形成的过程中，多种气态前体物如SO2，NO2，VOCs等经过不同的反应途径生成颗粒物中的主要组分，硫酸盐，硝酸盐和含碳组分[6]。雾霾的出现除了污染物的贡献，还有气象条件的影响，包括逆温，静稳等不利于扩散的气象条件[7]，气象条件的影响一般认为是“外因”。而部分特定污染物的突然增长是雾霾发生的“内因”。本研究挑选华北平原的代表城市，北京，天津和河北的唐山的历年秋冬季（2014年9月至2018年2月的秋冬季）进行污染分析。这三个城市也属于京津冀区域的范畴，对我国的经济发展，工业建设以及社会地位都有重要影响。通过对这些典型重污染的北方城市，在重点污染季节的分析，可以对比讨论不同城市受污染物的影响程度，结合气象条件分析，给出针对性的治理建议。

2.污染特征及成因分析

2.1 三个城市污染物的特征分析

三个城市秋冬季月均PM2.5浓度均超过《环境空气质量标准》(GB3095－2012) 的一级标准值35 µg/m3，且其中每个城市的11、12月份PM2.5浓度均超过二级标准值75µg/m3，因此秋冬季都属于超标的污染状况。图1可以看出，三个城市的污染物呈现较好的同步性，尤其是PM2.5，PM10这类颗粒污染物，这说明雾霾污染是一种区域性污染，从而出现同升同降的趋势特征，尤其是重污染时段，例如2015年及2016年的12月。三个城市整体看来，污染严重程度序列为唐山＞天津＞北京。首先三个城市在秋冬季节的PM2.5和PM10始终保持较高的月均值水平。从2014年到2016年，PM2.5的月均浓度均保持在50µg/m3以上，而在2017年尤其是冬季，PM2.5浓度显著降低，主要是“煤改气”政策的利好影响。冬季的大气活动能力较弱，边界层较低，不利于污染物的扩散，从而使得污染物较长时间的累积和转化[8]。一般排放增大及不利气象共同作用下，颗粒物浓度在秋冬季节有显著增长。而随着煤改气的落实，显著改善了2017年秋冬季的污染状况。

北京地区的SO2浓度显著低于其他两个城市，说明北京地区本地的SO2排放控制效果较强。2014年至2017年秋冬季北京地区的SO2浓度均值为12.8µg/m3，天津30.15µg/m3，唐山为49.5µg/m3。三个城市的SO2浓度变化都呈现“Λ”型，即从9月开始上升，至12月或者1月达到峰值拐点，2月下降。从秋季转为冬季，由于供暖，和不利气象条件导致气态污染物的月均浓度增大显著，因此从9月到12月及次年1月SO2都呈现上升的趋势，然而2月因为春节，部分工厂会停止运行，因此2月有显著的下降趋势。

图1. 北京，天津及唐山六种污染物的月均值变化

表1可知三个城市的污染严重程度为唐山＞天津＞北京。各城市的PM2.5浓度季均值均占PM10的60%以上，即颗粒物污染以细颗粒为主。北京的SO2浓度季均值明显要低于唐山、天津。三市的CO、NO2浓度季均值相当，说明对于机动车的控制都稍显不足。但三市的秋冬季各项污染物浓度均呈现逐年下降的态势，说明各个城市对于空气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，这与当地的工业发展水平有关。根据国家统计局（http：//www.stats.gov.cn/）数据显示，2016年北京的第二产业（工业）占三产的19.26%，天津为42.33%，而唐山比重为55.07%。因此污染的下降幅度稍显落后。但三个城市总体呈现较好的改善趋势，以PM2.5为例，北京改善幅度为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

※表中数据除CO单位为mg/m3，其他均为µg/m3；表中季节的划分按照中国农历计算，即每年的冬季为当年12月加上次年的1月及2月为一个完整冬季。

2.2 雾霾污染成因分析

PM2.5与气态污染物SO2和NO2之间呈现较好的同步性，SO2是颗粒物中主要组分硫酸盐的气态前体物，被大气中的OH自由基，液相中的H2O2等氧化剂氧化，转化为颗粒中的硫酸盐；NO2是硝酸盐的前体物，首先被大气中的氧化剂氧化为HNO3，然后结合大气中的碱性气体NH3形成NH4NO3，进入颗粒相[9-10]。因此两种气态污染物对雾霾的出现都有不同程度的贡献。在北京，SO2对PM2.5的贡献与NO2相当，PM2.5的浓度高值出现在SO2和NO2都较高的80µg/m3的范围，说明SO2和NO2对北京的雾霾都有显著贡献，当NO2浓度进一步增大时，PM2.5没有表现出相应的增长，说明该地的NO2处于相对饱和的状态，临界值为80左右；而在唐山地区，可以看出SO2对雾霾的贡献显著弱于NO2，红色区域的PM2.5浓度集中出现在高NO2条件，受SO2的影响相对较弱，说明当地NO2对雾霾的贡献更加显著，也是该地需要进行控制的重点污染物；天津地区的NO2对PM2.5的贡献显著强于SO2，PM2.5随着SO2没有显著增大，随着NO2呈现明显的梯度分布。

图2. 北京，唐山和天津的PM2.5与SO2、NO2之间的影响分析

除气态前体物外，高湿的条件也有利于雾霾的出现。湿度较高时，颗粒物中的硫酸盐，硝酸盐等组分会因吸湿作用而增大颗粒物中的含水量，进而增大颗粒物的粒径，且颗粒物表面的反应面积增大，利于更多的反应在颗粒物表面发生。图3显示北京和天津的PM2.5与RH之间有一定的正相关趋势，唐山由于湿度始终保持较高水平（＞30%），因此趋势相对较弱。此外，在高湿的情况下，各地的PM2.5浓度都会随着气态污染物（NO2为例）出现显著增长。说明气相条件的高湿加上气态污染物浓度的增大会共同导致PM2.5的浓度上升，气相条件和污染物浓度增长都是当前雾霾发生的必要条件。

图3. 北京、唐山和天津的PM2.5与湿度的相关性分析

雾霾是典型的区域污染问题，因此讨论不同城市受到周围的影响情况有利于制定有针对性的协同处理方针。北京在冬季的轨迹来向以西北为主，且西北来向的气团往往呈现径直的特点。同时北京北临燕山，西临太行山，从西北方向过来的高空气团呈现俯冲态势，因此对当地的污染物有很好的去除作用，加上风速较大，清洁能力更强。而其他气团都有偏南趋势，由于北京的南部大都聚集重工业城市，如河北，山东，天津等，加上地形的特点，偏南方向的气团给北京往往带来不利的污染状况，且偏南风都呈现卷曲的轨迹特点，不利于污染物的扩散稀释。而天津、唐山的来源气团除西北内陆之外，还有海上传来的部分气团，整体的轨迹特征与北京相似，从内蒙过来的径直气流经过北京，天津或者唐山直接吹到海域，对沿途的城市污染物都有一定清洁作用，而当行进气流受到抵制，被迫改变行进方向时，反而成为不利于扩散的恶劣气象条件。此外，唐山和天津还会收到石家庄，济南等地的影响。当气团轨迹来源为西南方向时，西南城市区的污染物能传输至两地，对当地的污染出现有一定贡献。三个城市地理位置毗邻，因此互相影响较为显著。

图4. 北京、唐山和天津的后向轨迹分析（24h），轨迹时段为2018年2月

3.结论

通过对北京，唐山和天津（2014至2018）重污染季节（秋冬）进行污染情况分析，主要得到以下结论：

（1）三个城市中，污染严重水平唐山＞天津＞北京。根据国家统计局（http：//www.stats.gov.cn/）数据显示2016年北京的第二产业（工业）占三产的19.26%，天津为42.33%，而唐山比重为55.07%。由于工业是污染物排放的一大源头，唐山＞天津＞北京的污染严重程度是与当地的工业发展情况息息相关。 从2014到2018，三个城市的污染物浓度都出现较为显著的改善，改善幅度北京＞天津＞唐山。

（2）北京当前秋冬季的PM2.5浓度同时受到SO2和NO2的影响，RH对于北京的雾霾也有较好的正向响应关系，这说明北京地区雾霾出现的时候，非均向反应过程贡献显著。唐山地区NO2对PM2.5的贡献影响强于SO2，且与湿度之间没有呈现显著的正相关性，可能由于当地湿度平均水平较高所致。天津呈现和唐山类似的规律，NO2对PM2.5的高值出现有更显著的贡献。

（3）逐年数据显示北京的SO2已经收到显著改善的效果，因此日后的治理重点建议放在NO2的控制；唐山和天津的PM2.5与NO2之间呈现的较好正相关性说明该地的治理重点也是优先NO2。此外，唐山地区的SO2浓度虽然有所改善，但相对仍处于较高水平，因此建议进行同步治理。

（4）区域影响分析发现，三个城市由于地理位置相对较近，彼此之间会产生影响，因此治理污染应从协同处理的角度，采取政府，省市之间的区域联合行动。