183328150012017年4月以來(lái)，我國(guó)開展了大氣重污染成因與治理攻關(guān)項(xiàng)目，匯集國(guó)內(nèi)2000多名環(huán)境科學(xué)、大氣科學(xué)、氣象科學(xué)以及行業(yè)治理等方面的優(yōu)秀科學(xué)家和一線科研工作者，建成了天地空綜合立體觀測(cè)網(wǎng)，通過外場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室分析和數(shù)值模擬等綜合研究手段，集中開展聯(lián)合攻關(guān)，目前已基本弄清了京津冀及周邊地區(qū)大氣重污染的成因，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重污染過程的精細(xì)化定量化描述。
研究發(fā)現(xiàn)：
01 硝酸鹽超過硫酸鹽成為京津冀大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)中*主要的二次無(wú)機(jī)組分
2017–2018年采暖季期間(11月15日-次年3月15日)，京津冀及周邊地區(qū)大氣污染傳輸通道城市(“2+26”城市)PM2.5的平均濃度為85微克/立方米，其中有機(jī)物、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽等主要組分的占比分別為28%、19%、12%和11%，揭示京津冀大氣PM2.5化學(xué)特征發(fā)生了顯著變化，2018年11月–2019年2月主要站點(diǎn)在線測(cè)量的結(jié)果再次印證了這一變化規(guī)律。
觀測(cè)期間的數(shù)據(jù)分析表明，京津冀硝酸鹽區(qū)域性污染十分突出，硝酸鹽絕對(duì)濃度和占比大幅度超過硫酸鹽，成為PM2.5中*主要的二次無(wú)機(jī)組分，其濃度快速上升已成為PM2.5爆發(fā)式增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。究其原因，主要是京津冀及周邊地區(qū)散煤“雙代”、燃煤鍋爐和“散亂污”企業(yè)綜合整治措施成效顯著，使得硫酸鹽濃度及占比大幅降低，同時(shí)也凸顯出強(qiáng)化氮氧化物(NOx)控制的重要性和緊迫性。
02 遠(yuǎn)超環(huán)境承載力的污染排放強(qiáng)度是京津冀及周邊地區(qū)大氣重污染形成的主因
京津冀及周邊地區(qū)偏重的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、以煤為主的能源結(jié)構(gòu)、以公路為主的交通結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致單位國(guó)土面積煤炭消費(fèi)量是全國(guó)平均水平的4倍，鋼鐵、焦炭、玻璃、原料藥等產(chǎn)量均占全國(guó)40%以上，大宗物料80%依靠柴油貨車運(yùn)輸。
從時(shí)間分布上看，受采暖影響，秋冬季一次PM2.5和有機(jī)碳、黑碳等組分的月均排放水平是非采暖季的1.5–4倍，而保定、濮陽(yáng)、太原、陽(yáng)泉、長(zhǎng)治、晉城等散煤用量大的城市，上述污染物在秋冬季的排放水平更高。
從空間分布上看，區(qū)域內(nèi)污染物排放總量大的城市為唐山、天津、石家莊、邯鄲、淄博，排放強(qiáng)度大的城市為唐山、淄博、濮陽(yáng)、安陽(yáng)、濱州。從行業(yè)分布來(lái)看，鋼鐵及焦化行業(yè)主要分布在唐山和晉冀魯豫交界地區(qū)，玻璃行業(yè)集中在邢臺(tái)、淄博、衡水等地，石化化工主要集中在淄博、天津、滄州、石家莊等地。在“2+26”城市PM2.5年均濃度達(dá)標(biāo)(35微克/立方米)約束下，一次PM2.5、NOx、VOCs及NH3等污染物排放量仍遠(yuǎn)超環(huán)境容量。
03 不利氣象條件造成污染快速累積是京津冀及周邊地區(qū)大氣重污染形成的誘因
京津冀及周邊地區(qū)位于太行山東側(cè)“背風(fēng)坡”和燕山南側(cè)的半封閉地形中，削弱了該地區(qū)秋冬季盛行西北季風(fēng)的作用，同時(shí)受中層暖蓋的影響，“弱風(fēng)區(qū)”特征明顯，污染物擴(kuò)散條件較差。在當(dāng)前高強(qiáng)度的污染物排放背景下，一旦出現(xiàn)近地面風(fēng)速小于2米/秒、相對(duì)濕度高于60%、邊界層高度低于500米、逆溫等不利氣象條件，極容易產(chǎn)生本地積累型污染。
京津冀及周邊地區(qū)各城市污染程度受到整個(gè)區(qū)域的傳輸影響，全年平均貢獻(xiàn)約為20%–30%，重污染期間的貢獻(xiàn)還會(huì)再提升約15%–20%。
對(duì)北京市而言，區(qū)域傳輸貢獻(xiàn)*高可達(dá)60%–70%，其中西南通道(太行山前輸送帶)、東南通道(濟(jì)南-滄州-天津輸送帶)和偏東通道(燕山前輸送帶)影響較大。西南通道的定量分析顯示，在典型污染過程的起始階段，向北京的輸送通量可達(dá)500–800微克/(平方米秒)，污染形成階段的輸送通量在100–200微克/(平方米秒)左右。
04 大氣氧化驅(qū)動(dòng)的二次轉(zhuǎn)化是京津冀大氣污染積累過程中爆發(fā)式增長(zhǎng)的動(dòng)力
PM2.5二次轉(zhuǎn)化微觀機(jī)理十分復(fù)雜，硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽和二次有機(jī)物等組分快速生成助推了PM2.5爆發(fā)式增長(zhǎng)，不同時(shí)段、不同城市和不同氣象條件下，各二次組分增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)不同。
硝酸鹽主要受NOx的氣相氧化驅(qū)動(dòng)，日間羥基自由基氧化貢獻(xiàn)約70%–90%，夜間硝基自由基氧化貢獻(xiàn)約10%–30%。硫酸鹽主要通過二氧化硫(SO2)的多相化學(xué)反應(yīng)生成，其生成速率與顆粒物的酸堿度密切相關(guān)，在偏酸性條件下，過渡金屬催化氧化占90%以上;在近中性條件下，過氧化氫(H2O2)和二氧化氮(NO2)的氧化各占50%。
銨鹽主要通過氨(NH3)與含硫、含氮等酸性物質(zhì)的中和反應(yīng)生成;京津冀及周邊地區(qū)大氣中NH3的濃度顯著高于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，處于富氨狀態(tài)，近年來(lái)區(qū)域內(nèi)SO2的濃度不斷下降，大氣中NH3的濃度不降反升，更加有利于硝酸鹽的形成。
PM2.5中的有機(jī)物來(lái)自一次排放和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的二次轉(zhuǎn)化，其中二次有機(jī)顆粒物在PM2.5有機(jī)物中約占30%–50%，高濕條件下其生成速率顯著升高。
05 京津冀及周邊地區(qū)大氣重污染的成因是污染物本地積累、區(qū)域傳輸和二次轉(zhuǎn)化綜合作用的結(jié)果
2017年10月至2019年3月初的秋冬季期間，京津冀及周邊地區(qū)共出現(xiàn)23次區(qū)域重污染過程。對(duì)23次污染過程的精細(xì)化定量化分析表明，每次污染過程都可以解釋為污染物本地積累、區(qū)域傳輸和二次轉(zhuǎn)化綜合作用的結(jié)果。
以2019年2月19日–3月2日期間的污染過程為例，受高空緯向環(huán)流控制，影響區(qū)域的冷空氣勢(shì)力總體偏弱;同時(shí)受西北太平洋反氣旋性環(huán)流影響，華北地區(qū)的偏南風(fēng)有利于低緯度水汽向區(qū)域的輸送，導(dǎo)致區(qū)域近地面風(fēng)速小于2米/秒(較同期偏小0.5米/秒以上)，且存在逆溫，造成污染局地積累在約500米高度的邊界層內(nèi)。
晉冀魯豫交界地區(qū)因高污染、高能耗企業(yè)密集，排放強(qiáng)度大，在污染前期往往成為區(qū)域重污染的“熱點(diǎn)”，如本次過程污染*重的濮陽(yáng)市和安陽(yáng)市，PM2.5濃度在4–8小時(shí)從優(yōu)良狀態(tài)躍升至重度污染水平，同時(shí)PM2.5中鉀離子、鎂離子、氯離子、硫酸根離子和硝酸根離子的濃度出現(xiàn)數(shù)倍至上百倍增長(zhǎng)，反映元宵節(jié)期間煙花爆竹燃放和節(jié)后大面積復(fù)工等多種因素導(dǎo)致高強(qiáng)度的排放，遇不利氣象條件時(shí)快速積累，從而顯著加重污染程度。
污染中期，在偏南風(fēng)的持續(xù)作用下，污染物向北京等京津冀中北部地區(qū)的輸送特征明顯;空氣質(zhì)量模式模擬結(jié)果表明，北京市在3月1–2日出現(xiàn)重度污染期間，本地積累對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)約40%，區(qū)域傳輸?shù)呢暙I(xiàn)約60%，污染物沿西南和東南通道的傳輸作用*大，各貢獻(xiàn)約20%-30%。
同時(shí)，北京等典型城市PM2.5中硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽等二次無(wú)機(jī)組分的濃度快速上升，占比總和超過60%，表明NOx、SO2、NH3等氣態(tài)污染物在高濕條件下快速發(fā)生二次轉(zhuǎn)化，推高區(qū)域PM2.5濃度，加重了污染程度，部分城市多日持續(xù)重度污染，個(gè)別城市甚至達(dá)到日均嚴(yán)重污染
