北京市大气污染的特征及其控制
唐孝炎
（北京大学环境学院环境科学系，北京 100871）
前言
20世纪80年代中期以来，中国经历了高速的经济增长，国内生产总值年均增长率达到了7％到8％。 短期内的快速增长 带来了显著的 经济发展， 但同时也带来了严重的环境污染，例如，大气污染。
中国对大气污染的关注始于20世纪70年代，当时首先注意的是工业和燃煤排放的二氧化硫（SO2）和总悬浮颗粒物（TSP）。 20世纪80年代，中国南方地区的许多城市监测到酸雨，主要也来自燃煤排放的二氧化硫（SO2）。到20世纪90年代，各城市机动车保有量快速增长 。北京市机动车保有量从1990年的约50万辆增长到2002年的约200万辆，
增长了4倍。能源消耗量的剧烈增长和工业的迅速发展，导致空气质量急剧恶化，出现了高浓度的NOx和可吸入颗粒物，夏秋季节还频繁观测到高浓度的臭氧，城市地区大气能见度持续恶化。在过去4年里，可吸入颗粒物（PM10）已成为北京和其他大、中城市空气污染的首要污染物。
北京市的大气污染反映了快速发展中城市目前面临的共同问题。在1981-1998年期间，北京地区大气SO2浓度起伏变化，年均值由1981年的0.87 mg/m3，升高到1998年的0.119 mg/m3，但与能源消耗增长相比，北京市大气SO2浓度增加幅度不大。与此同时，大气中NOX浓度呈现逐年递增的趋势，年均值由1981年的0.58 mg/m3，递增为1998年的0.151mg/m3，NOX浓度连年位于北方城市NOX污染之首，1998年则高局全国之首。1993年北京市NOX年平均浓度超过SO2，特别是在夏季，NOX浓度远远超过SO2，成为北京市主要的气态污染物。城市大气NOx浓度的增长，使北京市大气污染的性质发生了根本性的变化，煤烟型污染与机动车尾气型污染的叠加，形成了新的复合大气污染，表现出与原单一污染明显不同的污染特征。
1998年以来，国家科技部、国家环保总局和北京市政府对北京市出现的严重空气污染十分关注。除了大力开展污染控制和污染治理外，针对北京市污染的特点组织了一系列的科学和技术研究，这些研究 对于识别北京市空气污染的特征、污染形成的机理、弄清各类污染源的贡献和选取合宜的污染控制路线和技术等均提供了重要的科学依据。本文简要 介绍北京市复合大气污染特征及近年来北京市在 污染控制方面的成效。
复合型大气污染的 特征
近20年来，社会经济的高速发展和粗放型的发展模式致使我国的环境遭受了严重的破坏，导致本应在不同发展阶段出现的环境问题在短期内集中体现和爆发出来，老的污染尚未解决，新的污染又接踵而至。共存的污染物不是简单的叠加，而是存在着污染物之间的转化和相互作用，从而使环境问题复杂化，呈现出显著的复合性。
能源消耗的大量增加，导致SO2、NOx、挥发性有机化合物(VOCs)、TSP和其他污染物排放量也大量增加。这些一次污染物不仅在空气中扩散并迁移到其他周边区域，而且它们 在大气中还发生 化学转化产生二次污染物。在太阳紫外线的照射下，大气中的NOx和VOCs（挥发性有机物）会发生光化学反应形成具有强氧化性的自由基和化合物（光化学烟雾）。大气中的气态SO2、NOx和VOCs便被转化成为二次污染物细颗粒物(<PM2.5)。 细颗粒物具有较大的比表面积，为大气中的化学反应提供了良好的反应床 ，使气态物质进一步 氧化 生成更多的细颗粒物。如此循环往复，使 二次污染物在大气中逐渐积累，致使空气质量更加恶化，如图1所示。
图1 空气中污染物的化学行为
高浓度的细粒子还可显著地散射和吸收太阳辐射，进而影响大气 能见度。
由上述可见，目前中国城市大气污染的显著特征，是大气
中各种污染物同时大量存 在时产生的，是由多种污染物在多种界面间的相互作用、彼此耦合构成的复杂大气污染体系，我们定义这样的污染体系为复合型的大气污染。
加之，城市化过程的加剧和城市的膨胀使得在一定的区域内形成了城市密集带，污染物的物理输运又使原来的环境问题表现出显著的区域性特征。
这种污染现象近年来在几个上百万人口的大城市均已被观测到，如北京、广州和上海等，其特征主要表现为：（1）高浓度的气溶胶细粒子使城市大气能见度下降；(2) 大气氧化能力不断增强，气溶胶细粒子中SO42-、NO3-和有机碳浓度较高；(3) 以城市为中心，形成区域性大气污染。
北京市多年环境质量的监测和科学研究的结果已经表明，北京市的空气质量明显具有此三个特征。
北京市大气细粒子浓度高，能见度低
几年来，北京市大气能见度受到大气污染的严重影响，市民常常抱怨在北京地区很难看见蓝天和白云了。1998年以来，北京大学先后对北京市大气中PM2.5的现状、特征、来源和化学、物理性质进行了研究。研究结果表明PM2.5在大气中的浓度与实测的大气能见度具有极好的相关性，其线性相关系数可达0.96， 而PM10的相关性略小，为0.75左右。其他实验，如1999年夏季和2000年冬季在北京市区观测获得的大气能见度与PM2.5质量浓度水平的逐时变化，也清楚显示出，北京市区大气PM2.5的质量浓度与能见度间存在很好的负相关性，亦即当大气细粒子PM2.5的质量浓度高时，相应的能见度就低，反之，则能见度就高，反映出大气细粒子对大气能见度的重要影响。大量数据统计分析指出，北京市每一个季节大气PM2.5的浓度都与能见度之间显示良好的负相关，证明北京市的大气能见度差的原因，是与PM 2.5在大气中的高浓度直接相关。
图2为1999年观测期间冬季和夏季大气PM2.5质量浓度的日变化。图2同样显示出北京市大气PM2.5的高浓度水平。大气PM2.5的质量浓度在冬季与夏季的曲线中呈现出明显的差异。在冬季，大气PM2.5的浓度峰值出现在午夜，夏季时则出现在白天的中午。其原因可能与当时北京市的交通政策有关，重型机动车仅在每天下午8:00后 才被允许通过市区，因此，可能是夜间柴油机动车直接排放的大量细粒子和冬季夜间逆温所致。而夏季则是因为中午光化学反应强烈，导致大量一次污染物转化为二次细粒子所致。
图2 北京市1999年冬季（上图）和夏季（下图）大气PM2.5质量浓度的日变化
对北京市大气PM2.5进行了初步的源解析，结果表明PM2.5的主要污染源是交通、工业和二次转化。
大气O3污染严重，大气氧化性逐年增强
早在20世纪80年代煤烟型污染时期，北京地区在每年5月到8月间就曾出现光化学烟雾的迹象，但是，其代表性物质大气臭氧O3总体上污染较轻，浓度超标率也很低。到了1993年，随着经济的快速发展，大气NOx浓度的升高，O3污染发展较快，平均浓度、最大小时均值都大大增加，超标率也成倍增加。
图3 在北京大学点不同年份观测的大气O3浓度的日变化曲线
图3给出了近十多年来在北京大学监测点观测到的环境空气中O3浓度的日变化。由图可见，1982年4-6月，大气O3浓度很低，平均最大小时值为39 ppb，1987年6月O3浓度略高于1982年，1993年6月O3浓度最大小时值达148
ppb，1997年O3浓度最大值便达195
ppb，而1998年8月O3小时浓度最大值已高达220
ppb。如前所述，2000年6月大气O3浓度小时平均最大值已高达248ppb，并且北京地区存在大面积的O3超标和污染区，光化学烟雾污染日趋严重。图3还表明，不但O3浓度最大值逐年上升，而且出现最大值的时间也逐步提前，1982-1987年O3最大值出现在14:00—16:00间，而1993—1997年则提前到12:00—14:00，说明北京大气的光化学活性和氧化性逐年在增强。
臭氧(光化学烟雾污染)主要由燃烧等污染源排放的一次污染物NOx和挥发性有机物VOC在太阳紫外线作用下发生一系列光化学反应而生成的。它危害植物，刺激眼睛和呼吸道，损伤儿童肺功能，影响运动员竞技状态。伴随着臭氧产生的大量二次细颗粒物将造成能见度下降，看不见蓝天。臭氧还是温室气体，还会输送至下风向，造成区域污染，影响气候变化。短期和长期暴露于含有O3的空气中，能够引起眼刺激、植物损坏、呼吸困难和橡胶及油漆退化。世界卫生组织建议，暴露于75至100ppb大气O3中不能超过一个小时。因此，减少O3污染事件及其严重程度和降低大气O3的浓度，就成为 北京市政府迫切关注的问题。
区域性大气污染影响
在过去的20年里，北京－天津－渤海湾地区的城市化进程很快，城市之间的距离随之减少。伴随着城市密度的增加，大气污染的区域性影响也变得日益突出。
近年来，在这些区域进行了有气象观测的空气污染物的现场测量和区域尺度的空气质量模式模拟计算，应用多种空气质量模式，系统模拟大气一次污染物与二次污染物的变化规律及其转化关系。 在北京大气污染研究中应用了三维模式研究大气O3和细粒子的生成和时空分布。本研究基于排放源模型EPS2、中尺度非静力气象模型MM5和空气质量模型CAMx开发出一套完整的空气质量模拟系统，研究大气O3及颗粒物中有机化合物、硫酸盐、硝酸盐的来源及其影响，确定北京城近郊区各类污染源及周边地区排放源对北京市空气质量的贡献。
根据需要选定如图4所示的正方形区域为研究范围(729kmx729km)，采用三重嵌套网格，模拟范围包括北京市和天津市、河北省的大部以及山西省、内蒙古自治区、辽宁省、山东省的部分市县，共涉及7个省（直辖市、自治区）、40个市、318个县。其中第二重范围为京津地区，是主要研究对象，它在第一重范围的正中间，而第三重范围主要为北京市城近郊区。以2000年6月25日至7月2日的典型污染时段为重点模拟对象，模拟该时段内京津地区的源排放、气象和空气质量。
选取北京城近郊区为受体点，研究受体点O3的来源，统计所有源对受体点O3生成的贡献，确定其分担率，表1给出了北京城近郊区的受体点在2000年6月26日和6月27日13-14时O3生成的分担率。
由表1可以看出，6月26日13－14时北京城近郊区大气O3主要来源于城近郊区本身、大兴和通县、天津和三河等地区的源排放，其中城近郊区本身的源对浓度的贡献占42％，大兴和通县占8％，天津和廊坊北部的大厂、三河、香河占7％，另外河北省南部的一些地区也有少量贡献。但是， 6月27日13-14时天津地区源排放对北京城八区臭氧生成的贡献分担率高达29%，甚至略高于北京城八区对本地的贡献。从源的种类看，浓度贡献最大的是流动源，其次是溶剂使用和油品储运的源排放、工业面源和高架点源的贡献，其它人为面源和天然源排放的贡献很小。从NOx和VOC对O3生成的浓度贡献看，NOx控制下的O3生成占18％，而VOC控制下的O3生成占41％，说明此时VOC是控制北京城近郊区O3生成的主导因素。
图4 在三维空气质量模式中模拟的包括北京地区及其周边地区的区域及其三重嵌套网格
表1 北京城近郊区2000年6月26日和6月27日13－14时O3生成分担率（%）
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地区 |
6月26日（网格O3平均浓度90ppb） |
6月27日时（网格O3平均浓度100ppb） |
||||
|
NOx贡献 |
VOC贡献 |
总分担率 |
NOx贡献 |
VOC贡献 |
总分担率 |
|
|
北京城近郊区 |
12% |
30% |
42% |
9% |
15% |
24% |
|
大兴、通县 |
4% |
4% |
8% |
5% |
2% |
7% |
|
天津、廊坊(北) |
1% |
6 |
7% |
9% |
20% |
29％ |
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保定、廊坊(南) |
1% |
1% |
2% |
2% |
7% |
9% |
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昌平、顺义等 |
|
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|
2% |
1% |
3% |
|
其他 |
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17% |
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13% |
由上述可见，造成6月26日和27日天津对北京O3生成的浓度贡献出现显著差异的主要原因是气象场的不同。天津邻近渤海，介于大陆性与海洋性气候的过渡带上，夏季多东南风、偏南风，在一定气象场传输作用下将可能影响北京地区的O3生成。
北京市空气污染控制实践与努力
长期以来，北京市政府对北京市空气污染的控制陆续采取了一系列控制措施，对减缓北京市大气质量的恶化趋势起了一定的作用。1997-1998年秋季出现的严重污染，使北京市政府下决心采取断然措施，加大污染治理的力度，以控制北京市污染加重的趋势，改善大气环境质量。自1998年12月起 北京市政府发布了采取紧急措施控制北京市大气污染的通告。截至到2003年底，共实施了9个阶段控制大气污染的措施。每个阶段均向全市市民发布包括污染治理各项具体措施，阶段要达到的目标以及各有关部门的分工等的详细通告。这些阶段控制措施不仅包括降低主要污染物如SO2、NOx和颗粒物的排放，而且还考虑了二次污染的严重态势，对有机物如挥发性有机物VOC的排放也进行了控制。通告列出了一系列对指定单位的详细的控制措施，涉及范围很广，例如，燃煤电厂的脱硫措施、茶浴炉和锅炉的清洁燃料替换、无煤燃烧区域的设置、实施机动车排放的欧洲II标准、加速淘汰老龄汽车、公共汽车和出租车的清洁燃料替换、建筑施工和道路扬尘的控制、增加绿化面积和绿化空间、控制加油站的油气排放、餐饮业的排放以及涂料、溶剂使用等。此外，还包括增加 立法 、制定规章制度及其监督实施。
曾经在1998年12月至2000年10月北京市政府陆续采取了四期紧急控制措施后，对此4阶段的效果进行了评估。采取的措施包括机动车报废、改造、维修、控制，茶炉大灶的改造，优质煤使用，天然气替代，集中供热，工业污染、交通及建筑扬尘控制以及一些管理措施。基于对可量化措施的计算，分别计算出各期措施针对茶炉、大灶、中小型工业锅炉及炉窑、采暖锅炉、电厂以及机动车的控制措施导致污染物排放量的削减量。结果表明，四阶段共降低SO2、NOx和PM10的排放量分别为65320吨、25500吨和18300吨，较1998年分别下降了18.26、21.55和9.88万吨，削减幅度分别为26.34％、10.58％和15.62％（见表3-5）。由此可见，北京市实施大气污染控制措施后，北京城近郊区环境空气质量得到一定程度的改善。由表3可以看出， 1998年前北京市城近郊区大气中SO2及颗粒物浓度居高不下、NOx浓度持续上升和CO浓度缓慢上升，但1999年至今尽管北京市在大规模城市建设、经济持续发展、城市人口继续增长、机动车保有量大幅度增加、气温持续增高、降水量明显下降、外来沙尘明显增多的情况下，这些指标仍呈现下降趋势。
2001年1月至2003年12月底，北京市政府又陆续采取了五阶段大气污染控制措施。 2003年与1998年相比，大气SO2的年日平均浓度从120mg/m3降低到61mg/m3，已接近国家空气质量二级标准60mg/m3；NOx污染持续污染的趋势得到遏制，由1998年年日均浓度的152mg/m3降低到127mg/m3；1999年为了与国际接轨国家将空气质量的考核由NOx改为考核NO2后，大气NO2已达到了国家空气质量的二级标准80mg/m3；CO由3.3mg/m3降至2.4 mg/m3；大气TSP由378 mg/m3降至252 mg/m3；大气PM10的年日均浓度由1999年的180mg/m3降低到141mg/m3。
表 2 1998-2003 北京市环境空气质量(mg/m3)
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|
SO2 |
NO2 |
CO |
PM10 |
TSP |
|
1998 |
0.120 |
0.074 |
3.3 |
- |
0.378 |
|
1999 |
0.080 |
0.077 |
2.9 |
0.180 |
0.364 |
|
2000 |
0.071 |
0.071 |
2.7 |
0.162 |
0.353 |
|
2001 |
0.064 |
0.071 |
2.6 |
0.165 |
0.370 |
|
2002 |
0.067 |
0.076 |
2.5 |
0.166 |
0.373 |
|
2003 |
0.061 |
0.072 |
2.4 |
0.141 |
0.252 |
表3 北京市2000－2003年达到国家空气质量标准的天数
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达到和好于 API II 的天数（days） |
% |
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2000 |
|
48.4％ |
|
2001 |
185 |
50.7％ |
|
2002 |
203 |
55.6％ |
|
2003 |
224 |
61.4％ |
以上结果说明北京市政府所采取的断然措施已经明显见效，市民们反映，现在北京看到碧蓝天空的天数多了，北京市的空气质量正在逐年好转。
结论
中国经济快速发展和城市化的快速进程给中国带来了其他发达国家在工业化过程中所没有遇到过的问题，多种污染物同时大量存在，也就给中国的城市带来了前所未有的难题 ---要在经济发展的同时，解决复杂的环境问题。北京市多年来已面临此难题。
北京市大气PM2.5细粒子污染严重。化学组分以有机物、硫酸盐、NH4、EC为主，存在着明显的季节差异。煤燃烧、汽车尾气、生物质燃烧、土壤扬尘、建筑扬尘、工业源和二次转化等是细粒子的可能来源，各种源的相对贡献随季节发生变化。夏季和冬季大气PM2.5的日均质量浓度大约为60-80 mg m-3，高于美国国家空气质量标准65mg m3。高浓度的细粒子导致城市能见度下降。
北京市大气中SO2、NOx、O3和PM10均以高浓度存在 。而NOx和挥发性有机物的大量排放为二次污染的发生提供了充足的前体物 。 大气O3和NOx、VOCs之间存在非线性关系，如果单独降低北京市城近郊区NOx排放量而不考虑VOCs排放量的控制，对于降低大气O3浓度不会有显著效果。因此，控制北京市日益严重的光化学污染必须在控制NOx的同时，注意对VOCs排放的控制。
多年大气环境质量监测及各种研究表明，北京市经采取各种大气污染控制措施，特别是1998年12月市政府开始实施大气污染紧急控制措施后，大气环境质量发生了根本性转变。北京城近郊区大气一次气态污染物的污染发展趋势得到有效遏制，煤烟型污染得到初步控制。但大气颗粒物和光化学烟雾污染的标示物臭氧的浓度水平依然较高；在采取污染控制方面，仍不能掉以轻心。 为使北京市的空气质量彻底改善，在今后几年中尚须作出更大努力。