王躍思數據詳解：為何北京治霾「力氣下得很大，但收效不顯著」？
撰文 | 王躍思（中國科學院大氣物理研究所研究員）
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「大氣十條」實施以來，全國城市PM2.5濃度呈下降趨勢，預期能夠實現國家規定的 2017 年空氣質量改善目標。若按現有力度措施，北京市 2017 年PM2.5濃度達到年均值 60 μg/m3 左右的目標難以實現，同時臭氧（O3）污染迅速抬頭。未來兩年必須下決心採取超常規措施破解北京大氣污染防治中的若干難點問題，才能突破大氣污染治理瓶頸，達到預定目標。
據中科院站點長期觀測，北京市近 12 年PM2.5的年平均值為 92.7 μg/m3， 2006年PM2.5年均值最高，達到 110.7 μg/m3，此後 PM2.5 濃度逐年下降，平均每年下降 3.36 μg/m3。綜合環保部和北京市 2013 年以來公布的數據，以 2015 年北京市 PM2.5 年均值80.6 μg/m3 為基準，如按目前下降速度，預計北京市在 2021 年以後才能達到 60 μg/m3 左右的年均值。
最近 3 年，即 2013-2015 年，全國 74 個城市 PM2.5 濃度總體呈下降趨勢，京津冀、長三角、珠三角和成渝地區 PM2.5 濃度分別下降了 27.4%、 20.9%、 27.7% 和 27.7%。北京市從 89.5 μg/m3 降至 80.6 μg/m3，僅下降 9.9%。
?2013-2015年北京PM2.5年均濃度和O3日最大8小時平均濃度第90百分位數
2015 年北京 PM2.5 年均濃度為 80.6 μg/m3，為全國 31 個省自治區直轄市年均值之首位（與河南省 80.1 μg/m3 相當），全國 338 個地級及以上城市有 24 個城市年均值高於北京（除去受自然沙塵影響嚴重的新疆和田、喀什和克城），而且均分布在北京偏南區域的河北、河南和山東 3 省，其中與北京西南部接壤的河北保定市為京津冀及周邊地區最高城市， 2015 年 PM2.5 年均值為 107 μg/m3，高於北京 33%；省會城市石家莊、鄭州和濟南 2015 年 PM2.5 年均值分別為 89 μg/m3、 96 μg/m3 和 90 μg/m3，分別高於北京 10%、 19% 和 12%。與北京東南部接壤的河北廊坊 PM2.5 年均值也比北京高 5% 以上。北京周邊區域高濃度的細顆粒物對北京重霾污染形成具有重要影響，但這一影響一直在被低估。
從觀測數據分析，北京市大氣 PM2.5下降緩慢的原因有兩個。
（1）冬季?PM2.5污染未得到有效控制。 近 3年冬季濃度一直高於其他 3 個季節平均濃度的 20% 左右，並且近 10 年來一直呈上升趨勢，平均每年上升 1.3 μg/m3；
（2）PM2.5?導致的重霾污染天數減少緩慢。 2015 年，北京市共發生重度、嚴重污染 31 天次、 15 天次，與 2014 的 32 天次、 15 天次基本持平；比 2013 年 45 天次、 13 天次相比重污染減少了 14 天，但嚴重污染天數增加了 2 天。 2015 年，全國重度及以上污染天數超過 30 天的有 13 個城市，北京位居 7 位，而其他 6 個城市也在北京偏南區域，包括保定、廊坊、石家莊、鄭州和濟南等。
北京 2015 年共發生 46 天次重度及嚴重污染，其中冬季 22 天、秋季 13 天、春季 8 天和夏季 1 天，分別佔50.0%、 29.5%、 18.2% 和 2.3%。與全國大多數城市相比有所不同的是，北京不僅冬季 PM2.5 污染嚴重，而且秋季污染也十分嚴重，「秋高氣爽」和「金秋十月」已經成為北京的回憶。造成北京秋季重霾鎖城的重要客觀原因之一是風速減小。 2006—2015 年北京全年風速波動下降顯著，平均每年下降 0.03 m/s，其中北風風速平均每年下降 0.028 m/s；風頻統計顯示大於 2 m/s的南風和北風頻次顯著下降，而弱風（風速 ≤ 2 m/s）頻次顯著增加。僅秋季，近 10 年平均風速每年下降 0.028 m/s，主要緣於弱風（≤2 m/s）頻次從 70% 上升至 79%，並且弱風中南風頻次顯著增加，北風頻次顯著減小。
而主觀原因除了整個區域巨大的工業排放基數外，北京偏南區域秋收換播季節秸稈燃燒起到了推波助瀾的作用。對近年來北京及京津冀秋季重霾污染形成過程的機理研究表明，高架源的高排高放和大面積的秸稈燃燒造成大量細顆粒物的排放，在弱偏南風或靜風的氣象條件下，污染水平擴散微弱，瀰漫在大氣較高層中的原始排放顆粒物造成對陽光的散射和吸收，一方面耗散輻射能量造成上部空氣升溫，另一方面阻擋了部分太陽輻射到達地面造成地面溫度下降，更易形成穩定的大氣邊界層逆溫結構。這個逆溫層就像一個「大罩子」罩住了京津冀城市群，造成局地污染排放難以對流擴散，並且「大罩子」中的各種化學物質相互反應，生成了大量新的粒子——「二次顆粒物」。不難想像，此時哪裡的地面污染源排放越多，哪裡的空氣污染就會越加嚴重。北京的機動車排放污染最多，因此重度污染紅色預警時停駛部分機動車能在一定程度上緩解大氣污染的嚴重程度。但這一秋季重污染形成的始作俑者卻是區域高架源和秸稈燃燒。作為應急措施可以停駛部分機動車輛，但從根本上解決污染問題必須從區域聯防聯控著手，消減大型點源和面源污染的原始排放量。
衛星資料顯示， 2013-2015 年，全國 NO2 和 SO2 垂直柱濃度年均值總體呈下降趨勢，與地面監測數據分析結果一致，氣溶膠光學厚度（AOD）呈現波動變化。北京市 NO2 和 SO2 柱總量分別下降15%和48%。衛星觀測的北京大氣氣溶膠光學厚度（AOD） 2014 年比 2013 年增加9%， 2015 年又降至 2013 年水平。地面遙測 AOD 變化與衛星觀測值總體趨勢一致，但絕對值高於衛星觀測值，其原因是由於探測技術的局限性，衛星觀測 AOD 結果有效值的平均低於實際的 20%—30%，有些地區的觀測偏差更大（如四川盆地）。衛星 AOD 數據僅能作為地面觀測數據趨勢判斷的一個參考。
北京市 PM2.5 治理初見成效，但 2017 年難以達到 60 μg/m3，有當初對治理進程過於樂觀的估計，也有治理過程中難以預料的難題，尤其是區域協同治理的問題，其對北京重霾污染過程形成的作用一直在被低估。例如，不能僅從近地面 PM2.5 的源解析結果判斷北京周邊高架工業源和生物質燃燒源對北京重霾形成的作用大小，其對整個區域大氣邊界層的影響和對大氣污染物容量的降低作用一直在被低估，很可能影響到整個京津冀及周邊區域大氣污染聯合防控措施的制定和效果的評估，也有可能是北京「力氣下的很大，但收效不顯著」的重要原因。
全國城市大氣 O3 問題日漸顯現。 2015 年，全國 74個重點城市 O3 日最大 8 小時平均濃度第 90 百分位數在 95-203 μg/m3，平均為 150 μg/m3，較 2013 年上升 7.9%；超標城市由 2013 年的 17 個升至 2015 年的28 個，超標城市的比例達 37.8%，升高 14.8 個百分點。與 2014 年相比，2015 年 161 個城市 O3 日最大 8 小時平均濃度第 90 百分位數上升了 3.6%，日均值超標天數上升了0.8 個百分點，超標城市增加了 9 個。
北京大氣 O3 問題更為嚴峻。 2015 年，北京大氣 O3 日最大 8 小時平均濃度第 90 百分位數為 203 μg/m3 ，較 2014 年、 2013 年的 200 μg/m3、 188 μg/m3 分別上升 1.5% 和 8.0%；以 O3 的 8 小時日最大濃度為指標， 2013-2015 年北京大氣 O3 的 8 小時日最大濃度分別為 267 μg/m3、 311 μg/m3 和 283 μg/m3。近 3 年北京大氣 O3 濃度水平高、增長速度快，並且以 O3 為首要污染物污染天數也持續增加。 2015 年，北京以 O3 為首要污染物污染天數為 56 天，較 2014 年、 2013 年的 50 天和 43 天分別上升 12% 和 30%；同樣， 2015 年北京 O3 超標天數為 69 天，較2014 年的 59 天上升 17%。北京大氣顆粒物污染嚴重，但相對周邊城市濃度水平並不是最高；O3 污染則不同，不但夏季超標天數多，而且濃度水平在京津冀乃至全國均處最高水平。 2013-2015 年，無論是 O3 日最大 8 小時平均濃度第 90 百分位數還是 O3 的 8 小時日最大濃度，北京均是京津冀區域內濃度水平最高的城市，分別較區域平均濃度水平高 23% 和 16%，相應地，北京也是京津冀地區以 O3 為首要污染物污染天數和 O3 超標天數最多的城市，分別較區域平均天數高 73% 和 102%。與國內其他城市相比，北京大氣 O3 濃度除 2013 年低於濟南的 190 μg/m3 外， 2014 年和 2015 年北京大氣 O3 日最大 8 小時平均濃度第 90 百分位數均為全國 74 個重點城市之最。
北京大氣 PM2.5 濃度呈現冬秋季節「高」，夏春季節低；而 O3 在「春末-夏季-秋初」都會出現超標的「高」值。「雙高」污染的反季節出現，造成全市居民全年均生活在較差質量的空氣環境中。 2016 年上半年，北京入夏以來 O3 污染高值頻現，將北京市空氣質量拖入了全國地級及以上城市（338個）空氣質量排名的後 10 名。
?2013-2015年PM2.5月平均濃度和O3日最大8小時平均濃度第90百分位數
中科院大氣物理所 2006—2015 年長期定點觀測顯示，北京大氣 O3 前體物之一，揮發性有機物（VOCs）總濃度（TVOCs）最近 10 年平均為 31.4 ppbv，其中烷烴所佔比例（39%）最高，其次是芳香烴（26%）、烯烴（13%）及鹵代烴等（24%）； TVOCs 呈波動緩慢下降趨勢，平均每年下降 0.46 ppbv，烷烴下降明顯，但活性更強的芳香烴和烯烴呈上升趨勢。最近 3 年，即 2013-2015年， 3 類 VOC 均呈顯著上升趨勢，與北京大氣 O3 總體上升趨勢具有一致性。
北京夏季大氣 O3 污染治理面臨極大的挑戰，同時也為北京市大氣污染全方位治理帶來了機遇。 O3 濃度持續升高的原因首先在於 O3 前體物未能得到合理控制，此外顆粒物濃度下降，大氣紫外輻射恢復增強， O3 產生率也會有所提高。解決的途徑仍然是源頭減排，減少 O3 前體物向大氣中排放。目前多數研究結果表明，我國城市區域的 O3 濃度水平均為 VOCs 所控制，要極大消減 VOCs 才能遏制不斷增長的 O3 污染，同時要等比消減 NOx 排放，才能最終使空氣 O3 濃度達標。目前我國 O3 標準與 PM2.5 採用的是 WHO（世界衛生組織）不同階段的標準， O3 標準已經與發達國家標準基本接軌，但 PM2.5 採用的僅是 WHO 第一階段目標值，如果採用 WHO 指導值作為標準，則北京在 O3 作為首要污染物的超標天， PM2.5 往往也超標。因此，要正確理解目前北京夏季 O3 超標現象， O3 作為首要污染物超標，並不意味著 PM2.5 治理有了顯著的效果、不用再治理了，而是治理進入了更加複雜的僵持階段，必須將單一治理大氣污染目標調整為多目標協同治理。因此，現階段在努力控制 PM2.5 使其達到 2017 年階段性目標（60 μg/m3左右）的同時，要協同控制日漸增長的大氣 O3 濃度。 VOC 中活性強的物質對 O3 產生有更強的作用，但活性低的物質可能直接導致 PM2.5 中有機碳（OC）濃度的增加，因此要全面源頭減排； NOx 的消減可能造成某些區域 O3 的階段性濃度升高，但其對大氣中硝酸及硝酸鹽的增加乃至二次有機氣溶膠（SOA）的形成，均具有極其重要的作用。因此，建議北京大氣污染的控制策略，應優先減排 NOx，不能應其對 O3 暫時性的增加影響而放鬆對 NOx 的嚴格控制。對北京及我國 O3 和 PM2.5 協同控制的科學研究勢在必行。在治理 PM2.5 的同時，兼顧 O3 的治理，雙管齊下，尋找突破口，循序漸進，科學綜合治理，才可能最終有效控制空氣污染。
2015 年，北京市大氣 SO2 、 NO2 和 CO 及 PM10 濃度均已達到國家制定的 2017 年目標。但大氣中VOCs、NH3 和元素碳（EC）濃度偏高，變化趨勢不穩定，將成為進一步治理的挑戰。預計 2030 年前後，當我國碳排放出現拐點時， VOCs 和 EC 會出現全面持續下降；而 NH3 的問題，不僅取決於農牧業的發展和管理，也涉及到越來越多的工業 NH3 排放。氨中 N 同位素研究表明，北京在空氣質量優良的天氣條件下，大氣中 NH3 主要來自於周邊農牧業排放的傳輸，而在重霾污染積累加強過程中， NH3 的主要來源則為機動車尾氣和工業燃煤脫硝過程中的氨逃逸。
北京市空氣污染治理工作一直走在全國的前列，工作紮實有效不反彈，但「雙高」污染給北京空氣污染治理帶來了前所未有的挑戰，同時也帶來了極大的機遇，如何突破治理瓶頸實現綠色北京的夢想，是對政府部門領導、全市環保工作者和全市人民的考驗。率先行動，成功治理，將給我國其他城市治理大氣污染提供經驗和樣板。
（1）結合冬季取暖燃燒過程管理，最大限度地消減冬季重霾污染天數。 治理散燒煤，有條件地煤改電和有條件地限制機動車出行數量，仍是北京降低冬季重霾污染程度的最有效措施；加強對大氣 NH3 的來源研究，尤其是工業脫硝 NH3 逃逸和機動車尾氣排放，研究有效的控制技術方法。
（2）優先控制?NOx?的同時，全面控制?VOCs?排放量。 重點排放源包括機動車、加油站、工業噴塗、石化產業、印刷和有機溶劑使用等。實現 VOCs 的業務化觀測，是減少夏季 O3 超標的關鍵。
（3）調控高架點源、高強度面源。 研究區域高架點源（燃煤煙囪）和高強度面源（秸稈燃燒）排放的污染物對整個區域大氣邊界層結構的影響，特別是對北京大氣混合層高度和大氣容量的影響，提前預測預警，調控收穫季節秸稈燃燒時間和燃燒量，加大秸稈的利用率，降低北京及區域秋季重霾污染爆發頻次。
（4）治理揚塵，保護植被。 堅持不懈地治理道路揚塵、建築工地揚塵和工業粉塵，重點保護北京西北廣大區域水源涵養地的植被，並杜絕任何污染企業進駐，是保障北京地區春季空氣污染逐步改善的重要方面。
（5）精細規劃，科學評估。 加強科學研究的投入，對每一項環保措施進行效益評估，特別對預警措施的有效性進行科學評估，探索精確預報預警的可行性，在達到污染控制預期目標的同時，應儘可能地減少經濟損失，儘可能地減少對社會正常秩序的擾動。需要政府部門更加精細化的工作。
（6）加強科普宣傳，提高公眾環保意識，保障環保工作者的權益。 鼓勵環保科學工作者定期走進社區、學校和企事業單位進行環保科普知識講解，宣傳環保政策，傳授簡單易行的家庭環保技術方法。我國大氣污染的治理進程、空氣質量的改進速度，在某種程度上取決於公眾公共環保意識的成長速度，取決於全民文化素養的全面提高。
本文原載《中科院院刊》（微信號：CASbulletin），《知識分子》獲授權刊載。
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