王躍思 宋 濤 高文康 吉東生 王莉莉 姚 利 李 昕,2

1 中國科學院大氣物理研究所 北京 100029

2 北京市門頭溝區(qū)政府 北京 102300

北京市大氣污染治理現(xiàn)狀及面臨的機遇與挑戰(zhàn)*

王躍思1宋 濤1高文康1吉東生1王莉莉1姚 利1李 昕1,2

1 中國科學院大氣物理研究所 北京 100029

2 北京市門頭溝區(qū)政府 北京 102300

“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(xiàn)國家規(guī)定的2017年空氣質量改善目標。若按現(xiàn)有力度措施，北京市2017年PM2.5濃度達到年均值60μg/m3左右的目標難以實現(xiàn)，同時臭氧（O3）污染迅速抬頭。未來兩年必須下決心采取超常規(guī)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。

PM2.5，O3，治理，挑戰(zhàn)，北京

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.09.013

1 北京市空氣質量改善情況

1.1 PM2.5

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，此后PM2.5濃度逐年下降，平均每年下降3.36 μg/m3。綜合環(huán)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 年以后才能達到 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(qū)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%（圖 1）。

2015年北京PM2.5年均濃度為80.6 μg/m3，為全國31個省自治區(qū)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個城市年均值高于北京（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(qū)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為京津冀及周邊地區(qū)最高城市，2015年PM2.5年均值為107 μg/m3，高出北京33%；省會城市石家莊、鄭州和濟南2015年的 PM2.5年均值分別為89 μg/m3、96 μg/m3和90 μg/m3，分別高出北京10%、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(qū)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[1,2]。

圖1 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

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 年冬季濃度一直高于其他 3 個季節(jié)平均濃度的20%左右，并且近 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(fā)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(qū)域，包括保定、廊坊、石家莊、鄭州和濟南等。

北京2015年共發(fā)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，分別占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(tǒng)計顯示大于 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，主要緣于弱風（≤2 m/s）頻次從70%上升至79%，并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(qū)域巨大的工業(yè)排放基數外，北京偏南區(qū)域秋收換播季節(jié)秸稈燃燒起到了推波助瀾的作用[3]。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，彌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(wěn)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，并且“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”。不難想象，此時哪里的地面污染源排放越多，哪里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(qū)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(qū)域聯(lián)防聯(lián)控著手，消減大型點源和面源污染的原始排放量。

衛(wèi)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(jiān)測數據分析結果一致，氣溶膠光學厚度（AOD）呈現(xiàn)波動變化。北京市NO2和SO2柱總量分別下降15%和48%，衛(wèi)星觀測的北京大氣AOD2014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(wèi)星觀測值總體趨勢一致，但絕對值高于衛(wèi)星觀測值，其原因是由于探測技術的局限性，衛(wèi)星觀測AOD 結果有效值的平均低于實際的20%—30%，有些地區(qū)的觀測偏差更大（如四川盆地）。衛(wèi)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于樂觀的估計，也有治理過程中難以預料的難題，尤其是區(qū)域協(xié)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(yè)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(qū)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(qū)域大氣污染聯(lián)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。

1.2 臭氧（O3）

全國城市大氣 O3問題日漸顯現(xiàn)。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。

圖2 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

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%（圖1和圖 2）；以 O38小時日最大濃度為指標， 2013—2015年北京大氣 O38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，并且以 O3為首要污染物污染天數也持續(xù)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并不是最高；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 O38 小時日最大濃度，北京均是京津冀區(qū)域內濃度水平最高的城市，分別較區(qū)域平均濃度水平高23%和16%，相應地，北京也是京津冀地區(qū)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(qū)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年低于濟南的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(xiàn)冬秋季節(jié)“高”，夏春季節(jié)低；而 O3在“春末-夏季-秋初”都會出現(xiàn)超標的“高”值。“雙高”污染的反季節(jié)出現(xiàn)，造成全市居民全年均生活在較差質量的空氣環(huán)境中（圖 2）。2016 年上半年，北京入夏以來 O3污染高值頻現(xiàn)，將北京市空氣質量拖入了全國地級及以上城市（338個）空氣質量排名的后 10 名。

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(fā)性有機物（VOCs）總濃度（TVOCs）最近10年平均為31.4 ppbv，其中烷烴所占比例（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(zhàn)，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(xù)升高的原因首先在于 O3前體物未能得到合理控制[4]，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(qū)域的 O3濃度水平均為VOCs所控制[5,6]，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標準采用的是WHO（世界衛(wèi)生組織）不同階段的標準，O3標準已經與發(fā)達國家標準基本接軌，但PM2.5標準采用的僅是WHO第一階段目標值，如果采用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(xiàn)象，O3作為首要污染物超標，并不意味著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復雜的僵持階段，必須將單一治理大氣污染目標調整為多目標協(xié)同治理。因此，現(xiàn)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(xié)同控制日漸增長的大氣 O3濃度。VOCs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OC（有機碳）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(qū)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[7,8]。因此，建議北京大氣污染的控制策略，應優(yōu)先減排NOx，不能應其對 O3暫時性的增加影響而放松對NOx的嚴格控制。對北京及我國 O3和PM2.5協(xié)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。

1.3 其他污染物

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EC（元素碳）濃度偏高，變化趨勢不穩(wěn)定，將成為進一步治理的挑戰(zhàn)。預計2030年前后，當我國碳排放出現(xiàn)拐點時，VOCs和EC會出現(xiàn)全面持續(xù)下降；而NH3的問題，不僅取決于農牧業(yè)的發(fā)展和管理，也涉及到越來越多的工業(yè)NH3排放。氨中 N 同位素研究表明，北京在空氣質量優(yōu)良的天氣條件下，大氣中NH3主要來自于周邊農牧業(yè)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(yè)燃煤脫硝過程中的氨逃逸[9]。

北京市空氣污染治理工作一直走在全國的前列，工作扎實有效不反彈，但“雙高”污染給北京空氣污染治理帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，同時也帶來了極大的機遇，如何突破治理瓶頸實現(xiàn)綠色北京的夢想，是對政府部門領導、全市環(huán)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。

2 建議采取的措施

（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(yè)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(yōu)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(yè)噴涂、石化產業(yè)、印刷和有機溶劑使用等。實現(xiàn)VOCs的業(yè)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(qū)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(qū)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，調控收獲季節(jié)秸稈燃燒時間和燃燒量，加大秸稈的利用率，降低北京及區(qū)域秋季重霾污染爆發(fā)頻次。

（4）治理揚塵，保護植被。堅持不懈地治理道路揚塵、建筑工地揚塵和工業(yè)粉塵，重點保護北京西北廣大區(qū)域水源涵養(yǎng)地的植被，并杜絕任何污染企業(yè)進駐，是保障北京地區(qū)春季空氣污染逐步改善的重要方面。

（5）精細規(guī)劃，科學評估。加強科學研究的投入，對每一項環(huán)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，應盡可能地減少經濟損失，盡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(huán)保意識，保障環(huán)保工作者的權益。鼓勵環(huán)?？茖W工作者定期走進社區(qū)、學校和企事業(yè)單位進行環(huán)?？破罩R講解，宣傳環(huán)保政策，傳授簡單易行的家庭環(huán)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，在某種程度上取決于公眾公共環(huán)保意識的成長速度，取決于全民文化素養(yǎng)的全面提高。

1 Li P F, Yan R C, Yu S C, et al. Reinstate regional transport of PM2.5as a major cause of severe haze in Beijing. PNAS, 2015, 112(21)： 2739-2740.

2 Zheng G J, Duan F K, Su H, et al. Exploring the severe winter haze in Beijing： the impact of synoptic weather, regional transport and heterogeneous reactions. Atmospheric Chemistry and Physics, 2015, 15(6), 2969-2983.

3 Huang R J, Zhang Y, Bozzetti C, et al. High secondary aerosol contribution to particulate pollution during haze events in China. Nature, 2014, 514(7521)： 218-222.

4 Ou J, Yuan Z, Zheng J, et al. Ambient ozone control in a photochemically active region： short-term despiking or longterm attainment. Environmental Science & Technology, 2016, 50(11)： 5720-5728.

5 Xue L K, Wang T, Gao J, et al. Ozone production in four major cities of China： sensitivity to ozone precursors and heterogeneous processes. Atmos Chem Phys Discuss, 2013, 13(10)： 27243-27285.

6 Tang G, Wang Y, Li X, et al. Spatial-temporal variations in surface ozone in Northern China as observed during 2009-2010 and possible implications for future air quality control strategies. Atmospheric Chemistry and Physics, 2012, 12(5)： 2757-2776.

7 Pan Y, Wang Y, Zhang J, et al. Redefining the importance of nitrate during haze pollution to help optimize an emission control strategy. Atmospheric Environment, 2016, 141： 197-202.

8 Wang Y S, Yao L, Wang L L, et al. Mechanism for the formation of the January 2013 heavy haze pollution episode over central and eastern China. Science China： Earth Sciences, 2014, 57(1)：14-25.

9 Pan Y, Tian S, Liu D, et al. Fossil fuel combustion-related emissions dominate atmospheric ammonia sources during severe haze episodes： Evidence from15N-stable isotope in size-resolved aerosol ammonium. Environmental Science & Technology, 2016, 50(15)： 8049-8056.

王躍思中科院大氣物理所研究員，博士生導師。1961年出生于北京，理學博士，大氣化學專業(yè)。國家杰出青年基金和政府特殊津貼獲得者。Atmospheric Research雜志副主編，最高人民法院環(huán)境資源審判咨詢專家，北京市人民政府專家咨詢委員會委員。主要從事大氣化學與環(huán)境研究工作，發(fā)表學術論文350篇，創(chuàng)建實驗觀測技術系統(tǒng)獲國家專利16項，獲得國家科技進步獎二等獎3項。研究團隊2010年獲“中央國家機關五一勞動獎狀先進集體”，2015年獲“首都環(huán)境保護獎”。E-mail： wys@mail.iap.ac.cn

Wang YuesiProfessor of Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences (IAP-CAS), was born in 1961 in Beijing. Awarded as the outstanding young scholarship of NSFC, and the special government subsidy from the State Council. Associate editor of the journal Atmospheric Research and Expert consultant of Supreme People’s Court for environmental resources. He is mainly engaged in atmospheric chemistry and environment sciences. He has published more than 350 articles and authorized 16 patents, and won three awards of second class prize of National Science and Technology Progress of China. His research group has been awarded “Advanced group for Labor Award of China’s State organs” in 2010 and “Environmental protection certificate for the capital” in 2015. E-mail： wys@mail.iap.ac.cn

The Challenge and Opportunity on Preventing and Controlling Air Pollution of Beijing

Wang Yuesi1Song Tao1Gao Wenkang1Ji Dongsheng1Wang Lili1Yao Li1Li Xin1,2
（1 Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2 Mentougou District People’s Government of Beijing Municipality, Beijing 102300, China）

In most Chinese cities, fine particulate matter (PM2.5) concentration has decreased after implementation of Air Pollution Prevention and Control Action Plan in the past three years, and the goals of overall national air quality improvement listed in the plan is expected to be achieved by 2017. However, the specific goal of that PM2.5annual concentration in Beijing shall be controlled below 60 micrograms per cubic meter by 2017 is difficult to be accomplished. Meanwhile, ozone (O3) pollution is emerging quickly in Beijing. Regarding the present situation in air pollution in Beijing, a number of extraordinary measures of air pollution prevention and control must be carried out immediately during the next two years.

PM2.5, O3, air pollution control, challenge, Beijing

*資助項目：北京市科技計劃“京津冀地面臭氧污染來源與控制策略研究”，中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）（XDB05020000）

預出版日期：2016年9月3日