2020年春節(jié)期間京津冀及周邊地區(qū)2次大氣重污染過程分析

高慶先，王寧，高文康，高文歐，李迎新，付加鋒，代佳慶

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.吉林省氣象局 3.大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院大氣物理研究所 4.北京中創(chuàng)碳投科技有限公司

2020年1月下旬—2月中旬，因抗擊新型冠狀病毒肺炎，全國許多工業(yè)企業(yè)停產(chǎn)，多數(shù)行業(yè)人員基本居家辦公，居民出行大大減少，各類餐飲、娛樂行業(yè)和活動(dòng)基本停止，大氣污染物排放量明顯下降。但在此情況下，我國華北南部、中原地區(qū)和汾渭平原地區(qū)仍接連出現(xiàn)了大范圍的重度污染現(xiàn)象，引起了業(yè)界和公眾的普遍關(guān)注。我國大氣環(huán)境及氣象等領(lǐng)域的專家學(xué)者分別從大氣環(huán)境容量、交通流量、污染物排放、污染源解析、污染物成分、氣象條件，以及春節(jié)和元宵節(jié)期間燃放煙花爆竹等方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述[1-3]。

大氣污染是污染物排放和不利氣象條件共同作用的結(jié)果，空氣質(zhì)量嚴(yán)重依賴天氣形勢(shì)和狀況，對(duì)氣候變化也非常敏感[4-6]。研究表明，大氣環(huán)流形勢(shì)可為大氣污染物的控制和分配提供科學(xué)分析和計(jì)算的依據(jù)，如任陣海等[7]早在1998年就指出，自然條件下的大氣輸送是由多種通道組成的網(wǎng)絡(luò)狀輸送，大氣環(huán)流形勢(shì)可用于確定輸送類型控制地區(qū)中所含物質(zhì)的輸送。我國存在季節(jié)性輸送、常駐性輸送、地方性輸送和各類網(wǎng)絡(luò)型輸送通道。在不利天氣背景下，即使實(shí)施了強(qiáng)化減排措施，大氣污染物濃度也會(huì)累積升高。因此，天氣氣候背景對(duì)空氣質(zhì)量的影響不容忽視[8-13]。

天氣氣候背景是形成局地和區(qū)域重度污染過程的主要因子，其中包括均壓場、靜風(fēng)區(qū)、小尺度系統(tǒng)群等。任陣海等[5]針對(duì)京津冀及周邊地區(qū)硫酸型嚴(yán)重污染過程的天氣形勢(shì)進(jìn)行分析，指出在受到局地尺度主導(dǎo)風(fēng)控制時(shí)，邊界層結(jié)構(gòu)及環(huán)境質(zhì)量同步演變的特征不明顯；地區(qū)尺度主導(dǎo)風(fēng)中的靜風(fēng)區(qū)和輸送匯的城市尺度擺動(dòng)是影響濃度分布的主要原因；穩(wěn)定的大陸高壓脊影響下的持續(xù)背風(fēng)坡下沉氣流，持續(xù)的逆溫層是造成重污染過程的大尺度氣象背景場；燕山和太行山前局地風(fēng)場輻合和局地氣壓場適應(yīng)結(jié)構(gòu)是華北平原山前小尺度氣壓場風(fēng)場適應(yīng)的重污染匯聚系統(tǒng)；重污染期間污染物濃度在不同時(shí)刻有明顯的變化，持續(xù)時(shí)間也有明顯差別。我國華北和中原地區(qū)存在常駐性輸送通道匯區(qū)、多種常駐性靜風(fēng)區(qū)、輸送通道相交形成的輻合帶區(qū)。常駐性輸送通道匯區(qū)為污染物匯集區(qū)，靜風(fēng)區(qū)的輸送很弱，局地大氣污染主要是局地排放的污染物積累造成的；輻合帶區(qū)則會(huì)在1 500或3 000 m高空出現(xiàn)污染物輸送帶，在有明顯輸送系統(tǒng)影響時(shí)，則會(huì)造成低空污染物的匯聚和高空污染物的輸出[5,7,14-15]。在重污染過程的初始階段，均壓場和小尺度系統(tǒng)群是形成地區(qū)重污染過程的主要因子。在持續(xù)穩(wěn)定的均壓場控制下，近地層出現(xiàn)各種類型的小尺度環(huán)流群體，從而使大氣污染物不宜輸送、擴(kuò)散和稀釋。當(dāng)穩(wěn)定的均壓系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的移動(dòng)，在近地層常形成中尺度系統(tǒng)間的風(fēng)場匯聚現(xiàn)象，形成污染物匯聚帶[16-20]。影響北京地區(qū)的邊界層輸送帶可分為靜風(fēng)尺度、城市尺度、平原尺度和輸送尺度，在均壓場背景下多出現(xiàn)城市尺度和靜風(fēng)尺度；在弱氣壓場背景下多出現(xiàn)平原尺度和輸送尺度，且受天氣尺度系統(tǒng)影響明顯[21]。

決定一個(gè)區(qū)域空氣質(zhì)量的另一個(gè)重要因子是該區(qū)域的大氣環(huán)境容量。大氣環(huán)境容量是指某一時(shí)間、空間范圍的大氣環(huán)境系統(tǒng)在一定的環(huán)境目標(biāo)下對(duì)污染物的最大允許承受量或負(fù)荷量。大氣環(huán)境容量除受氣象條件、地形地貌和大氣背景濃度等自然因素影響外，還與各類污染物的人為排放和自然排放有關(guān)，同時(shí)也與周邊污染物的輸送、污染物形成的理化特征等因素有著密切的關(guān)系。此外，大氣環(huán)境容量還與所選定的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和污染物種類有關(guān)。大氣環(huán)境容量的研究成果可以為區(qū)域優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局以及大氣環(huán)境規(guī)劃提供支持，從而促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。國內(nèi)已有不少針對(duì)全國和區(qū)域的環(huán)境容量的研究[22-25]，大部分研究結(jié)果顯示，我國很多地區(qū)大氣環(huán)境容量較小，區(qū)域空氣質(zhì)量改善難度較大。京津冀及周邊地區(qū)大氣環(huán)境容量小是秋冬季頻發(fā)重度污染的重要原因之一。薛文博等[26]模擬了我國333個(gè)地級(jí)市主要污染物的環(huán)境容量，指出空氣污染較嚴(yán)重的華北南部、中原地區(qū)和汾渭平原主要污染物排放量均超過環(huán)境容量1倍以上，環(huán)境容量嚴(yán)重超載區(qū)域與PM2.5高濃度地區(qū)具有顯著的空間一致性。

利用中國環(huán)境監(jiān)測總站公布的全國大氣環(huán)境質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和中央氣象臺(tái)發(fā)布的天氣實(shí)況資料，以及我國大氣污染物排放量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從污染過程的演變、污染物時(shí)空排放特征和典型污染過程的天氣形勢(shì)3個(gè)方面，對(duì)2020年春節(jié)期間京津冀及周邊地區(qū)的2次重度污染過程進(jìn)行綜合分析，闡述大氣污染排放和天氣環(huán)境背景場對(duì)重度污染過程形成的影響，以期更好地理解2020年春節(jié)期間京津冀及周邊地區(qū)大氣重度污染過程及預(yù)測未來重污染天氣。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域和時(shí)段

研究區(qū)域?yàn)榫┙蚣郊爸苓叺貐^(qū)(110°E～123°E，31°N～43°N)，包括北京市、天津市、河北省、河南省、山東省、陜西省東部、內(nèi)蒙古自治區(qū)南部、遼寧省南部、武漢市北部、江蘇省北部、安徽省北部地區(qū)。在研究區(qū)域中選擇北京、天津、呼和浩特、包頭、巴彥淖爾、烏海、鄂爾多斯、石家莊、保定、唐山、廊坊、滄州、承德、邢臺(tái)、邯鄲、太原、陽泉、大同、鄭州、安陽、新鄉(xiāng)、焦作、開封、洛陽、許昌、鐵嶺、撫順、本溪、榆林共29個(gè)城市，研究時(shí)段為2020年1月21日—2月15日。圖1為研究區(qū)域部分監(jiān)測站點(diǎn)位置。

圖1 研究區(qū)域部分監(jiān)測站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution map of some monitoring sites in research region

1.2 數(shù)據(jù)來源

逐小時(shí)PM2.5濃度采用中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的全國實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)(http:www.cnemc.cn)；天氣分析資料來自中央氣象臺(tái)(http:www.nmc.cnpublishobservationschinadmweatherchart-h000.htm)，包括每天逐3 h的地面天氣圖、每天08:00和20:00的500、850、925 hPa天氣圖。能源消費(fèi)量和主要大氣污染物排放量數(shù)據(jù)來自《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2019》[27]，企業(yè)信息及污染物許可排放數(shù)據(jù)來自《固定污染源排污許可分類管理名錄(2019版)》[28]。

2 結(jié)果與分析

2.1 2020年春節(jié)期間典型大氣污染過程回顧

2020年1月21日—2月15日研究區(qū)域部分監(jiān)測站點(diǎn)逐日和逐小時(shí)PM2.5濃度演變?nèi)鐖D2所示。由圖2(a)可知，研究區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了2次明顯的重度污染過程，分別是1月22日—2月1日和2月8—13日；2次重度污染過程的影響范圍明顯不同，第一次的范圍遠(yuǎn)大于第二次；第一次重度污染過程中，內(nèi)蒙古自治區(qū)中部(呼和浩特、包頭、巴彥淖爾)污染持續(xù)的時(shí)間最長(1月21—31日)，而中原地區(qū)和河北南部的污染發(fā)生在1月22—24日，北京及近周邊地區(qū)則出現(xiàn)在1月25—28日；第二次重度污染過程主要發(fā)生在北京及近周邊地區(qū)，范圍明顯縮小，重度污染持續(xù)了4～5 d。

圖2 2020年1月21日—2月15日研究區(qū)域部分監(jiān)測站點(diǎn)逐日和逐小時(shí)PM2.5濃度演變Fig.2 PM2.5 concentration evolution of some monitoring sites in the study area on a daily and hourly basis from Jan. 21 to Feb. 15, 2020

注：除特別說明外，文中所有圖均基于國家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)下載的審圖號(hào)為GS(2019)1697號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。圖3 2020年1月21日—2月14日08:00京津冀及周邊地區(qū)PM2.5濃度分布Fig.3 PM2.5 concentrations distribution in the Beijing-Tianjin-Hebei region and surrounding areas at 08:00 from Jan. 21 to Feb. 14, 2020

由圖2(b)可知，1月24日(除夕)和25日(正月初一)幾乎所有監(jiān)測站點(diǎn)都出現(xiàn)PM2.5濃度突然升高的現(xiàn)象，其中25日的02:00—03:00，呼和浩特市化肥廠生活區(qū)監(jiān)測站點(diǎn)PM2.5濃度高達(dá)1 804 μgm3，包頭市東河區(qū)環(huán)境保護(hù)局監(jiān)測站點(diǎn)PM2.5濃度達(dá)2 246 μgm3，北京市定陵監(jiān)測站點(diǎn)PM2.5濃度達(dá)361 μgm3。對(duì)比1月24日、1月29日(正月初五)和2月8日(正月十五)PM2.5濃度演變情況，發(fā)現(xiàn)春節(jié)燃放煙花爆竹對(duì)空氣質(zhì)量的影響在不同的城市表現(xiàn)不盡相同。對(duì)比這些時(shí)間節(jié)點(diǎn)前后PM2.5濃度的平均狀況可以看出，燃放煙花爆竹產(chǎn)生的影響主要集中在燃放時(shí)段之后5～10 h，僅對(duì)個(gè)別監(jiān)測站點(diǎn)的影響超過24 h(如包頭市惠龍物流和東河鴻龍灣)，這反映出燃放煙花爆竹僅在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2020年1月21日—2月14日08:00京津冀及周邊地區(qū)PM2.5濃度分布如圖3所示。由圖3可知，1月21日08:00，重度污染起源于鄭州、安陽、開封和許昌等地，并迅速擴(kuò)展至華北南部、唐山至鄭州一線，PM2.5濃度在1月24日08:00達(dá)到最高，此時(shí)重度污染位于華北南部、石家莊以南和鄭州周邊，北京及近周邊地區(qū)(廊坊、天津、唐山、滄州、保定)空氣質(zhì)量相對(duì)較好。1月25日08:00的污染空間分布有了明顯的不同，北京及近周邊地區(qū)重度污染，個(gè)別城市如保定出現(xiàn)嚴(yán)重污染，而中原地區(qū)則出現(xiàn)輕度和中度污染，該污染狀況與除夕夜和正月初一燃放煙花爆竹有一定的關(guān)系。有研究指出，除夕夜間至初一凌晨，各地?zé)熁ū窦腥挤艑?dǎo)致空氣質(zhì)量快速轉(zhuǎn)差，京津冀及周邊地區(qū)典型城市的PM2.5組分中，與煙花爆竹燃放有較大關(guān)系的氯離子、鉀離子和鎂離子等組分濃度迅速上升，其中鉀離子和鎂離子濃度比非燃放時(shí)段分別上升約50和100倍，如北京市上述離子組分濃度占PM2.5的55%～75%。部分城市在PM2.5濃度達(dá)到峰值期間，煙花爆竹燃放對(duì)PM2.5濃度的貢獻(xiàn)最高可達(dá)80%[2]。1月26日—2月3日，華北地區(qū)持續(xù)維持較重污染，但污染的空間分布有明顯的變化，其中1月27—29日08:00，中重度污染區(qū)位于北京及近周邊地區(qū)，結(jié)合圖2(a)可知，29日(初五)大范圍的重度污染基本結(jié)束，只有呼和浩特、保定、石家莊、邯鄲和安陽還繼續(xù)維持重度污染；1月30日(初六)08:00重度污染區(qū)范圍擴(kuò)大，這與初五燃放煙花爆竹有著密切的關(guān)系，此時(shí)只有呼和浩特和安陽維持重度污染；1月31日08:00除了呼和浩特維持重度污染外，華北南部和中原地區(qū)出現(xiàn)大范圍中度污染區(qū)；2月1日、2日08:00，北京及近周邊地區(qū)出現(xiàn)大范圍優(yōu)良天氣，而石家莊及其以南地區(qū)和山東北部又出現(xiàn)重度污染；2月3日北京及近周邊繼續(xù)維持優(yōu)，華北以南和中原地區(qū)也出現(xiàn)大范圍良好天氣，僅個(gè)別監(jiān)測站點(diǎn)為輕度污染；2月4日中原地區(qū)再次出現(xiàn)短暫的大范圍重度污染，2月4—7日華北地區(qū)和中原地區(qū)維持了大范圍優(yōu)良天氣。1月31日—2月7日大部分城市出現(xiàn)優(yōu)良天氣和輕度污染，從2月8日起北京及近周邊地區(qū)又出現(xiàn)連續(xù)5 d的重度污染過程。

2月8日、9日08:00，重度污染區(qū)分布在北京及近周邊、石家莊以南和山東以北地區(qū)；2月10—13日每天08:00，北京及近周邊地區(qū)PM2.5濃度超過150 μgm3，而其他地區(qū)小于35 μgm3；2月14日08:00，石家莊近周邊地區(qū)PM2.5濃度超過150 μgm3，而其他地區(qū)小于35 μgm3；2月15日、16日08:00，整個(gè)華北和中原地區(qū)PM2.5濃度均低于35 μgm3。上述污染過程的演變除與排放源有密切關(guān)系外，天氣背景的變化也起著至關(guān)重要的作用，下面將從這2個(gè)重要的影響因素進(jìn)行分析與闡述。

2.2 研究區(qū)域大氣污染物排放空間分布特征

2.2.1污染排放現(xiàn)狀與演變

2000—2016年我國主要大氣污染物排放量和治理投資演變?nèi)鐖D4所示。由圖4可知，2000年以來，我國主要大氣污染物排放量呈明顯下降趨勢(shì)，特別是2012年以后，下降速度非常顯著；2016年我國SO2、NOx和顆粒物的排放量分別為1 103萬、1 394萬和1 011萬t，分別比2011年下降50%、42%和21%。與此相對(duì)應(yīng)，我國環(huán)境污染治理總投資和工業(yè)污染治理投資呈增長趨勢(shì)，尤其是工業(yè)污染治理投資在2012—2016年為7 880.92億元/a，比2000—2009年(3 067.41億元/a)增加了1.6倍，這種大力度投入的結(jié)果使我國空氣質(zhì)量不斷改善?！?017中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》[30]和中國工程院在2018年發(fā)布的《〈大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃〉實(shí)施情況終期評(píng)估報(bào)告》[31]指出，2013—2017年我國重點(diǎn)地區(qū)氣象條件處于歷史上對(duì)空氣質(zhì)量改善相對(duì)不利的時(shí)期，但全國74個(gè)重點(diǎn)城市PM2.5濃度總體仍呈下降趨勢(shì)，全國重點(diǎn)城市群PM2.5濃度下降35%，珠三角區(qū)域PM2.5平均濃度連續(xù)3年達(dá)標(biāo)。全國74個(gè)重點(diǎn)城市發(fā)生重污染天數(shù)由2013年的平均32 d降至2017年的10 d，下降了68.8%。雖然我國各地區(qū)的空氣質(zhì)量明顯改善，但仍未達(dá)到明顯好轉(zhuǎn)的目標(biāo)，這與我國的能源結(jié)構(gòu)、能源消費(fèi)量有著明顯的關(guān)系。

圖4 2000—2016年我國主要大氣污染物平均排放量、年排放量和治理投資趨勢(shì)Fig.4 Average and annual emissions of main atmospheric pollutants and the trend of investment in treatment in China during 2000-2016

通過收集和整理國家排污許可信息公開系統(tǒng)發(fā)布的我國企業(yè)申報(bào)的排放許可限值資料，選擇排放量較大的若干行業(yè)，分析其主要大氣污染物最大允許排放量的全國分布，結(jié)果如圖5所示。同時(shí)，對(duì)京津冀及周邊地區(qū)的排放情況進(jìn)行對(duì)比分析，以期揭示局地污染物排放對(duì)區(qū)域污染過程形成的影響。

由圖5可知，我國主要大氣污染物的排放企業(yè)絕大部分位于社會(huì)經(jīng)濟(jì)最為活躍，遭受空氣污染困擾較大的東部地區(qū)。截至2019年底，申報(bào)排放顆粒物(煙/粉塵)排污許可證的企業(yè)有15 083家，共允許排放214.61萬t/a；申報(bào)排放SO2的有14 983家，共允許排放461.15萬t/a；申報(bào)排放NOx的有15 006家，共允許排放636.18萬t/a；申報(bào)排放揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的有14 496家，共允許排放23.55萬t/a。與2016年主要污染物實(shí)際排放量相比，申報(bào)企業(yè)SO2、NOx和顆粒物的允許排放量分別占2016年實(shí)際排放量的19.5%、33.1%和62.9%。取得排污許可證的企業(yè)中，73%的VOCs排放企業(yè)、62%的NOx排放企業(yè)、48%的顆粒物排放企業(yè)集中在京津冀及周邊地區(qū)，這些密集的排放源為京津冀及周邊地區(qū)頻繁形成重污染提供了充分的污染物和前體物，同時(shí)也揭示了該地區(qū)改善大氣環(huán)境質(zhì)量的艱巨性。

注：本圖基于國家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)下載的審圖號(hào)為GS(2019)1697號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作。圖5 全國申報(bào)排污許可企業(yè)的主要大氣污染物最大允許排放量空間分布Fig.5 Spatial distribution of the maximum allowable emissions of main atmospheric pollutants from the enterprises applying for pollutant permits in China

在全部申報(bào)排污許可的企業(yè)中，統(tǒng)計(jì)了污染物排放量較高的火電、水泥、電力與熱力和冶煉行業(yè)。分析顯示，2019年，火電行業(yè)包括1 969家火力發(fā)電企業(yè)，其中有1 965家排放46.45萬t顆粒物，1 969家排放228.06萬t SO2和224.09萬t NOx；水泥行業(yè)中，有1 649家企業(yè)排放29.70萬t顆粒物，1 239家排放34.45萬t SO2，1 234家排放134.4萬t NOx；電力和熱力行業(yè)中，有98家企業(yè)排放0.74萬t顆粒物，100家排放3.14萬t SO2，101家排放4.15萬t NOx；冶煉行業(yè)中，有1 733家企業(yè)排放20.71萬t顆粒物，1 704家排放46.74萬t SO2，1 654家排放55.23萬t NOx。全國申報(bào)排污許可企業(yè)中，2019年共有1 887家企業(yè)排放23.54萬t VOCs，其中僅京津冀及周邊地區(qū)就有1 682家企業(yè)排放17.11萬t VOCs。

京津冀及周邊地區(qū)申報(bào)排污許可重點(diǎn)企業(yè)主要大氣污染物最大允許排放量分布如圖6所示。在京津冀及周邊地區(qū)，火電行業(yè)中，每年有1 041家企業(yè)排放18.55萬t顆粒物，1 045家企業(yè)排放82.57萬t SO2，1 059家企業(yè)排放97.88萬t NOx，占全國火電行業(yè)污染物排放總量的36%～44%；水泥行業(yè)中，每年有528家企業(yè)排放8.22萬t顆粒物，402家企業(yè)排放8.63萬t SO2，399家企業(yè)排放3.99萬t NOx，占全國水泥行業(yè)污染物排放總量的25%～30%；電力和熱力行業(yè)中，每年有55家企業(yè)排放0.34萬t顆粒物，56家企業(yè)排放1.57萬t SO2，57家企業(yè)排放2.15萬t NOx，占全國電力和熱力行業(yè)污染物排放總量的47%～52%；冶煉行業(yè)中，每年有1 202家企業(yè)排放17.19萬t顆粒物，1 180家企業(yè)排放39.90萬t SO2，1 137家企業(yè)排放45.12萬t NOx，占全國冶煉行業(yè)污染物排放總量的82%～84%。此外，京津冀及周邊地區(qū)排放VOCs的企業(yè)數(shù)量占全國的89.14%，其VOCs最大允許排放量占全國VOCs最大允許排放總量的72.68%(圖7)。

圖6 京津冀及周邊地區(qū)部分行業(yè)主要大氣污染物最大允許排放量空間分布Fig.6 Spatial distribution of maximum allowable emissions of main atmospheric pollutants from some industries in Beijing-Tianjin-Hebei region and the surrounding areas

圖7 京津冀及周邊地區(qū)主要行業(yè)VOCs最大允許排放量的空間分布Fig.7 Spatial distribution of VOCs maximum allowable emissions from major industries in the Beijing-Tianjin- Hebei region and the surrounding areas

綜上，目前京津冀及周邊地區(qū)各類污染物的排放量依然很大，排放企業(yè)數(shù)量龐大且分布比較集中。京津冀及周邊地區(qū)污染物的排放現(xiàn)狀決定了該區(qū)域在不利氣象條件下會(huì)形成大范圍的重度污染過程，尤其是在秋冬季。

2.2.2能源結(jié)構(gòu)

我國是一個(gè)以煤炭資源為主的發(fā)展中大國，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)能源的需求持續(xù)增高，我國污染物的排放現(xiàn)狀與能源結(jié)構(gòu)布局有著明顯的關(guān)系。1980年以來我國能源結(jié)構(gòu)情況如圖8所示。由圖8(a)可知，1999—2016年我國年平均能源消費(fèi)總量為30.1億t/a(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)，全文同)，其中煤炭消費(fèi)量為20.7億t/a，石油為5.4億t/a，天然氣為1.2億t/a，一次電力和其他為2.8億t/a。由圖8(b)可知，近幾年我國煤炭消費(fèi)量呈明顯下降趨勢(shì)，但2016年煤炭消費(fèi)量占總能源消費(fèi)量的比例仍很高(50%以上)，其中石油消費(fèi)量占31%，位居第二；其他能源消費(fèi)量呈緩慢增加趨勢(shì)，特別是一次電力、風(fēng)能和太陽能等，表明我國可再生能源得到了大力的發(fā)展，但其在我國總能源消費(fèi)量的占比僅為7%。這種能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的格局決定了我國污染物和溫室氣體的減排與控制仍將面臨巨大的挑戰(zhàn)，進(jìn)一步改善空氣質(zhì)量任重道遠(yuǎn)。

圖8 我國能源結(jié)構(gòu)的平均狀況和演變趨勢(shì)Fig.8 Average situation and evolution trend of China’s energy structure

2000—2016年我國工業(yè)企業(yè)數(shù)量變化如圖9所示。由圖9可知，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)企業(yè)數(shù)量呈明顯增長趨勢(shì)，雖然2010年以后，隨著我國環(huán)境保護(hù)工作力度的加大和應(yīng)對(duì)氣候變化工作的進(jìn)展，采取了結(jié)構(gòu)調(diào)整、關(guān)停并轉(zhuǎn)，取締“散亂污”企業(yè)等措施，工業(yè)企業(yè)數(shù)量明顯下降，但2011年之后依然呈逐步增長趨勢(shì)，尤其是大型工業(yè)企業(yè)和重工業(yè)企業(yè)數(shù)量增長較明顯，這一事實(shí)也再次說明我國改善環(huán)境質(zhì)量和打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。雖然煤炭的消費(fèi)量從2014年后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是降幅并不能滿足改善空氣質(zhì)量的需要，同時(shí)我國天然氣和電力消費(fèi)量繼續(xù)保持上升趨勢(shì)，對(duì)我國環(huán)境質(zhì)量改善提出新挑戰(zhàn)。

圖9 2000—2016年我國工業(yè)企業(yè)數(shù)量變化Fig.9 Change of the number of industrial enterprises in China from 2000 to 2016

2.3 京津冀及周邊地區(qū)天氣形勢(shì)及大氣層結(jié)分析

大氣污染過程的形成、污染物輸送、匯聚和沉降是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，除了受能源消費(fèi)及其結(jié)構(gòu)、污染物排放源特征、大氣化學(xué)演變過程等因素影響外，還與天氣形勢(shì)、地形地貌特點(diǎn)等有密切的關(guān)系。大范圍東南風(fēng)帶具有攜載大氣污染物及我國東南部暖濕空氣的作用，前鋒入侵山前平原及北京半盆地地形區(qū)，由于受山體及山風(fēng)影響，造成污染物匯聚，形成山前區(qū)域性匯聚帶，以及邊界層上層穩(wěn)定的逆溫層結(jié)的阻擋，從而導(dǎo)致京津冀及周邊地區(qū)出現(xiàn)污染過程的頻率明顯升高[19]。選取春節(jié)期間出現(xiàn)的重度污染過程中的2個(gè)時(shí)間段，對(duì)京津冀及周邊地區(qū)典型的天氣形勢(shì)及其對(duì)重污染過程形成的影響進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.3.1案例1：2020年1月25—28日

1月24日重度污染區(qū)位于華北南部、中原地區(qū)和汾渭平原，25—28日京津冀及周邊地區(qū)日均空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)持續(xù)較高，為178～227，其中北京日均AQI升至110，PM2.5小時(shí)濃度最高出現(xiàn)在25日02:00(361 μg/m3)。區(qū)域重度污染位于華北大部、中原地區(qū)、汾渭平原和東北南部，29日隨著強(qiáng)冷空氣過境，北京日均AQI降至114，之后維持在相對(duì)較低水平，華北南部、中原地區(qū)和汾渭平原繼續(xù)維持中重度污染。

從天氣形勢(shì)分析，500 hPa高空環(huán)流形勢(shì)顯示，1月下旬，東亞地區(qū)環(huán)流平直，中緯度鋒區(qū)位于40°N附近，以偏西風(fēng)為主，多短波槽東移入海。1月24—26日，華北地區(qū)處于槽后偏西或西北氣流控制之中〔圖10(a)〕，27日短波槽緩慢東移至河套以東；28日發(fā)展成閉合低渦，北京及周邊地區(qū)由偏西風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西南或東南風(fēng)；29日低渦東移入海，北京處于低渦后部，轉(zhuǎn)為西北風(fēng)。

注：圖來自中央氣象臺(tái)官方網(wǎng)站。圖10 2020年1月25日08：00 500、850 hPa和地面形勢(shì)Fig.10 500 and 850 hPa and ground situation at 08:00 on Jan. 25, 2020

850 hPa高空環(huán)流形勢(shì)顯示，1月下旬，中緯度鋒區(qū)上不斷有短波槽東移入海，華北地區(qū)處于槽后西北氣流控制之中。1月24—25日，大陸高壓與海上高壓不斷靠近，大陸高壓移至華北上空，北京處于閉合高壓頂部，以偏西風(fēng)為主〔圖10(b)〕；26日大陸高壓與海上高壓合并，控制華北地區(qū)，北京處于高壓底部，逐漸轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，風(fēng)力較?。?4—28日，華北地區(qū)氣溫持續(xù)偏高，致使北京AQI不斷升高，25日達(dá)到最大(227)，26日有弱冷空氣入侵，AQI降至118，27—28日北京處于入海低渦北側(cè)，近地面氣溫略有回升，AQI再次回升；29日低渦繼續(xù)東移，大陸高壓從華北一直伸向東北西部，北京處于高壓脊前偏北風(fēng)控制，同時(shí)氣溫下降，AQI下降。

地面天氣圖顯示，1月23日有一條冷鋒過境，一直有閉合高壓穩(wěn)定維持在蒙古國，最強(qiáng)可達(dá)1 052.5 hPa；24—26日，蒙古國高壓中心有分裂的閉合小高壓緩慢東移南壓，北京處于高壓底部的偏北或偏東氣流控制〔圖10(c)〕，風(fēng)力較小，華北南部、中原地區(qū)和汾渭平原處于弱的高壓均壓場控制；27—28日，南方倒槽入海加強(qiáng)成氣旋，不斷北上東移，北京處于氣旋頂端、高壓底部的偏東風(fēng)氣流之中，風(fēng)速僅為2～4 m/s，AQI持續(xù)較高；29日逐漸轉(zhuǎn)為氣旋后部、高壓底部的偏北風(fēng)控制，風(fēng)力開始加大，AQI下降，華北南部、中原地區(qū)和汾渭平原受低壓均壓場影響，繼續(xù)維持重度污染。2月6日，受強(qiáng)冷空氣南下的影響，京津冀及周邊地區(qū)空氣質(zhì)量大大改善，整個(gè)區(qū)域空氣質(zhì)量維持優(yōu)良狀態(tài)。

分析北京探空曲線可知，AQI較高時(shí)，低空(925或1 000 hPa以下)一般存在逆溫，統(tǒng)計(jì)08:00地面與925或1 000 hPa溫差(ΔT)，在AQI高值期間，ΔT一般為3～9 ℃。1月24日08:00〔圖11(a)〕，ΔT925—地面為9 ℃，大氣層結(jié)異常穩(wěn)定，925 hPa以下風(fēng)速低于4 m/s，有利于污染物堆積，AQI不斷升高；25日08:00〔圖11(b)〕，ΔT925—地面為6 ℃，低空以西南風(fēng)為主，氣溫回升，近地面層風(fēng)力較小，925 hPa西南風(fēng)速為6 m/s，1 000 hPa偏東風(fēng)速為4 m/s，污染物濃度持續(xù)增加，AQI達(dá)227；26日有弱冷空氣入侵，AQI稍有下降；27—28日，近地面層持續(xù)回暖，850～1 000 hPa風(fēng)速低于4 m/s，地面風(fēng)速低于2 m/s或靜風(fēng)，AQI迅速升至178～190；29日隨著西北風(fēng)加大，水平擴(kuò)散增強(qiáng)，逆溫層消失或強(qiáng)度減弱，AQI迅速下降。

圖11 2020年1月24、25日08：00 北京探空曲線Fig.11 Beijing sounding curve at 08:00 on Jan. 24 and 25, 2020

綜上，2020年1月25—28日屬于高壓主導(dǎo)型的污染過程。重污染期間，500 hPa處于高空槽后弱脊控制，850 hPa高壓控制華北地區(qū)，氣溫持續(xù)緩慢回升，北京處于高壓中心附近或高壓底部、倒槽頂部，風(fēng)力較小。大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，低空(850或925 hPa以下)存在逆溫，08:00地面與850或925 hPa溫差最強(qiáng)可達(dá)9 ℃，風(fēng)力較小，850或925 hPa以下風(fēng)速低于4 m/s，近地面層氣溫持續(xù)回升。從1月24日夜間起，京津冀及周邊地區(qū)和東北地區(qū)近地面風(fēng)速總體降至2 m/s以下，相對(duì)濕度整體高于60%，京津冀中北部、河南中部、山東西部等地出現(xiàn)大霧天氣。高濕度促進(jìn)了氣態(tài)污染物向顆粒物轉(zhuǎn)化。當(dāng)北方冷空氣大舉南下，華北地面處于低壓后部、高壓前部的偏北氣流控制，風(fēng)力加大，水平擴(kuò)散增強(qiáng)，逆溫層結(jié)消失，AQI迅速降低。

2.3.2案例2(2020年2月9—13日)

2月9日北京AQI升至112，10—13日AQI持續(xù)較高，一般為162～270，14日AQI迅速降至69，之后AQI維持在較低水平。從天氣形勢(shì)分析，500 hPa高空環(huán)流形勢(shì)顯示，2月上旬，隨著偏北低渦東移入海，東亞大槽穩(wěn)定維持在135°E～140°E，華北處于槽后西北氣流控制之中。10日南支鋒區(qū)上不斷有短波槽東移；11—13日形成階梯槽，由河套地區(qū)伸向我國西南部，北京上空由西北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為槽前偏西或西南風(fēng)控制〔圖12(a)〕；14日由于北方冷空氣入侵，短波槽東移入海。

850 hPa高空環(huán)流形勢(shì)顯示，2月上旬，隨著偏北低渦東移入海，中國大陸受一暖高壓控制，氣溫緩慢回升，華北上空處于槽后弱脊控制，以偏西或西北風(fēng)為主。10日我國西南部開始有低渦擾動(dòng)，形成階梯槽從西南伸向華北地區(qū)，北京處于槽前西南氣流控制之中，并一直維持至13日〔圖12(b)〕；14日冷槽移過華北，北京上空轉(zhuǎn)為西北風(fēng)控制，同時(shí)氣溫下降。

地面形勢(shì)顯示，2月4日有一條冷鋒過境以后，蒙古地區(qū)一直有閉合高壓穩(wěn)定維持，中心值最強(qiáng)可達(dá)1 055 hPa，北京處于高壓底部的偏北或偏東風(fēng)控制，風(fēng)力較小；10—11日，有閉合低壓移至華北地區(qū)，北京處于其北部的偏東風(fēng)控制之中；12日閉合低壓東移入海，北京處于華北小高壓前部，此時(shí)東北北部又出現(xiàn)一個(gè)閉合低壓；13日東北低壓南移，北京處于該低壓后部，風(fēng)場較弱〔圖12(c)〕；14日由于北方冷空氣入侵，蒙古國冷高壓進(jìn)一步加強(qiáng)，中心強(qiáng)度增強(qiáng)至1 070 hPa且不斷向南伸展，同時(shí)南方倒槽東移入海加強(qiáng)成氣旋，北京處于氣旋后部、高壓前部的南北向等壓線密集帶中，以偏北風(fēng)為主，風(fēng)力加大，氣溫明顯下降，AQI迅速降低。

分析北京探空曲線可知，2月9—13日AQI高值期間，低空(925或1 000 hPa以下)逆溫強(qiáng)度更強(qiáng)，逆溫層厚度也有所增加，12—13日污染最嚴(yán)重，逆溫層厚度可向上伸展到850 hPa，統(tǒng)計(jì)08:00地面與850、925或1 000 hPa的ΔT，AQI高值期間，ΔT一般為5～12 ℃。9—13日北京AQI從112持續(xù)增至270，期間地面溫度從-7 ℃持續(xù)增至2 ℃，850～1 000 hPa受暖平流影響，由西北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西南或偏南風(fēng)，氣溫小幅回升；10日08:00逆溫強(qiáng)度最強(qiáng)〔圖13(a)〕，ΔT925—地面為12 ℃，大氣層結(jié)異常穩(wěn)定，925 hPa以下風(fēng)速低于4 m/s，850～925 hPa由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，低層回暖明顯，850和925 hPa分別較前一日升溫5和3 ℃，使得AQI由前一日的112迅速增至162，日增幅達(dá)50；12日08:00〔圖13(b)〕，ΔT850—地面為7 ℃，逆溫層深厚，大氣層結(jié)持續(xù)穩(wěn)定，500 hPa以下各層風(fēng)速均低于4m/s，地面和850、1 000 hPa氣溫均較前一日升溫1和3、4 ℃，低層回暖明顯，AQI由前一日180迅速增至263，日增幅達(dá)83；13日低層逆溫和回暖持續(xù)，AQI繼續(xù)增至270，達(dá)到最強(qiáng)；14—15日冷空氣入侵，AQI迅速降低。

圖13 2020年2月10日、12日08:00北京探空曲線Fig.13 Beijing sounding curve at 08:00 on Feb. 10 and 12, 2020

綜上，2020年2月9—13日屬于低壓前部型的污染過程。重污染期間，500～850 hPa形成階梯槽，北京處于槽前西南急流暖區(qū)控制之中，低層氣溫持續(xù)回升，地面有弱低壓移至華北地區(qū)，風(fēng)場較弱，925 hPa以下風(fēng)速低于4 m/s。低空(850或925 hPa以下)逆溫強(qiáng)度較強(qiáng)，08:00時(shí)地面與850或925 hPa溫差最強(qiáng)可達(dá)12 ℃，逆溫層厚度也有所增加，大氣層結(jié)異常穩(wěn)定。當(dāng)冷槽過境，北京上空轉(zhuǎn)為西北風(fēng)控制，風(fēng)力加大，氣溫明顯下降，逆溫層結(jié)消失，AQI迅速降低。

3 結(jié)論與建議

(1)2020年春節(jié)期間，京津冀及周邊地區(qū)出現(xiàn)2次大氣重度污染過程，分別是1月22日—2月1日、2月8—13日。其中第一次污染過程所覆蓋的范圍、污染程度和影響區(qū)域遠(yuǎn)大于第二次；第一次重點(diǎn)區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古自治區(qū)中部，第二次主要發(fā)生在北京及周邊地區(qū)；重度污染過程的出現(xiàn)除與排放源有密切關(guān)系外，天氣背景的變化也有著至關(guān)重要的作用。

(2)目前，京津冀及周邊地區(qū)各類污染物的排放量依然很大，排放企業(yè)數(shù)量龐大且分布比較集中。全國取得排污許可證的企業(yè)中，73%的VOCs排放企業(yè)、62%的NOx排放企業(yè)、48%的顆粒物排放企業(yè)聚集在本地區(qū)。密集的排放源為京津冀及周邊地區(qū)頻繁形成重污染提供了充分的污染物和前體物，使該區(qū)域在不利的氣象條件下會(huì)形成大范圍的重度污染事件，尤其是在秋冬季。

(3)我國煤炭消費(fèi)量在近幾年出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，但2016年煤炭消費(fèi)量占總能源消費(fèi)量的比例仍很高(50%以上)，石油消費(fèi)量占31%，這種能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的格局決定了我國污染物和溫室氣體的減排與控制面臨巨大的挑戰(zhàn)。

(4)氣象條件對(duì)京津冀及周邊地區(qū)2次大氣重度污染過程起著至關(guān)重要的作用。2020年1月25—28日屬于高壓主導(dǎo)型的污染過程，高壓抑制了污染物水平擴(kuò)散，同時(shí)大氣低層有逆溫，垂直結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，抑制了污染物垂直擴(kuò)散；2020年2月9—13日屬于低壓前部型污染過程，由于地面伴有弱低壓，風(fēng)速普遍降至2 m/s以下，并有較強(qiáng)逆溫，抑制了污染物擴(kuò)散，加之相對(duì)濕度整體高于60%，加劇了氣態(tài)污染物向顆粒物的轉(zhuǎn)化。

(5)2020年春節(jié)期間，受煙花爆竹燃放的影響，幾乎所有監(jiān)測站點(diǎn)都出現(xiàn)PM2.5濃度突然增加的現(xiàn)象，煙花爆竹燃放對(duì)PM2.5小時(shí)峰值的貢獻(xiàn)率最高達(dá)80%，但其影響基本只有5～10 h，個(gè)別監(jiān)測站點(diǎn)超過24 h，因此其對(duì)2次重度污染過程空氣質(zhì)量的影響有限。

提出科學(xué)合理、因地制宜的大氣污染防治政策，研發(fā)和推廣效果顯著、性價(jià)比高的污染防治技術(shù)，采取切實(shí)可行、可持續(xù)的措施與行動(dòng)，完善和提高相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系等是真正實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境質(zhì)量改善的關(guān)鍵。京津冀及周邊地區(qū)擁有不利于污染擴(kuò)散的地形地貌等自然條件，污染匯聚帶四季均可能出現(xiàn)，秋冬季經(jīng)常出現(xiàn)不利于污染擴(kuò)散，有利于二次污染形成轉(zhuǎn)化的條件。此外，工業(yè)布局密度高，產(chǎn)業(yè)類型多，排污大戶集中，污染物的排放量遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，是形成該地區(qū)重度污染事件的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)，在污染物匯聚帶和輸送通道上還有大量的污染物排放源。可見，進(jìn)一步改善京津冀及周邊地區(qū)空氣質(zhì)量依然任重道遠(yuǎn)。