作者：朱彤
出版社：北京大学出版社
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大气污染跨省市联防联控的理论与实践试读：
前言
良好空气质量是确保2008年北京奥运成功举办的一个关键要素，2008年北京奥运空气质量保障行动与实施，是中国借助重大赛事以及重大活动推动空气质量，尤其是借助区域协同与合作保障空气质量的首次尝试。借助大型活动推动环境治理也成为中国环境管理的一个有益经验。
1998年，北京市启动了由北京大学牵头，多个研究单位参加的“蓝天工程计划”研究项目，并逐步推行多个阶段的大气污染控制措施。自2000年起，北京市又先后支持“北京市大气污染控制对策研究”和“北京市空气质量达标战略研究”等多个研究项目。这些项目的研究结果表明，尽管北京市在21世纪初期采取的各项大气污染治理措施取得明显进展，但当时的北京大气颗粒物和臭氧浓度仍然很高，尤其是细颗粒物PM2.5年均浓度占PM10比重已超过60%，表明北京大气氧化性强、二次污染物严重。而地面观测、卫星遥感、气象数据分析的结果均表明，北京和周边省区市的大气污染有非常明显的区域性特征，在特定气象条件下，周边省区市排放的污染物对北京有明显的输送。北京大气污染呈典型的大气复合污染特征，即区域范围内出现高浓度的大气氧化性物种和细颗粒物，很显然，改善北京的空气质量需要周边省区市共同努力。
基于2008年北京奥运面临的空气质量问题的挑战以及对国内外研究现状的认识，北京市环保局基于北京大学的研究成果于2005年提出了“北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目建议书，同年获得北京市科学技术委员会立项。该项目通过招标方式确定北京大学为技术牵头单位，负责项目总体方案的设计和实施、组织大型区域污染综合观测、制定区域污染控制方案；中科院大气物理所、中国环境科学研究院、北京工业大学为项目参加单位。为保证科研质量、工作进度以及决策支持的有效性，项目实施过程中，成立了由相关领域的资深专家、管理者等组成的专家组及技术协调组。“北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目总体方案和各个课题实施方案经过专家组多次论证审定，在项目进展过程中定期召开了专家研讨会、评审会，对项目的进度和科学性予以整体把握。“北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目进行了大量的基础科学研究，探究区域间污染排放、污染生成以及迁移转化机理，并获得了大量外场观测、源排放、技术、经济和社会发展数据，利用数值模拟技术进行了大量模拟研究，以此为基础，系统分析了北京及周边省市区域性大气复合污染形成机理与特征、区域经济社会发展对空气质量的影响、区域大气污染物排放状况及对北京空气质量影响较大的重点地区和重点污染源。经过与北京及周边五省市环保局多次讨论磋商，所提出的《第29届奥运会北京空气质量保障方案：北京周边省区市措施》获国务院批准，同时国务院批准成立了由国家环保总局和北京市政府牵头，天津、河北、山西、内蒙古及相关部队、奥组委等省市、部门和机构参加的“北京2008年奥运会空气质量保障工作协调小组”（简称“协调小组”）。2006年12月及2007年4月，分别在北京和天津召开了“协调小组”工作会议，基于奥运空气质量保障方案技术组对各种措施的污染减排潜力、实施可行性及对保障北京奥运会期间空气质量环境效果的系统分析和评估结果，“协调小组”确定了北京周边五省市大气污染防治措施具体方案。这些措施在华北六省市得到了充分实施，成功保障了北京2008年奥运期间的空气质量。
为保障北京奥运空气质量而制定和实施的各项大气污染控制措施，不仅其效果在北京2008年奥运的实战中得到检验，也在目前的各个地区区域空气污染控制中得到广泛应用。奥运期间，为解决大气污染问题采取了华北六省市联防联控机制，最终实现了奥运期间空气质量全部达标，空气质量明显优于2007年同期状况，创造了夏季单月一级蓝天的纪录。这一环境管理模式的实践，为世界提供了在一个发展中大国改善区域环境质量、推动环境与经济协调发展的新案例。
北京奥运为京津冀地区在大气复合污染防治方面工作的展开起到了先试先行的实验性作用，为推动区域大气环境管理和国家环境治理提供了很多经验和借鉴，在北京2008年奥运成功举办10周年后，中国的大气污染状况和国家的治理政策已经持续变革并不断完善。
基于《第29届奥运会北京空气质量保障方案：北京周边省区市措施》报告总结撰写此书，既是梳理中国大气区域污染治理的成功经验，也可为各个城市和区域控制大气污染提供有益借鉴。
需要注意的是，以重大活动举办作为契机应对区域大气污染，虽然会起到推动环境治理的作用，但也可能导致过分依赖临时性的措施，而忽略区域管理长效机制的建设。针对奥运会、世博会和亚运会等重大活动而建立起来的临时性的区域联动机制虽然具有重要的标本意义，但毕竟带有时间和地域方面的局限性。要真正建立区域环境治理的长效机制，无疑还需要探究更多有关环境污染物产生—扩散—影响的机理与规律，进一步研究适用于具有长期效应的区域环境管理政策。因此，一方面，为应对“重大活动”环境质量改善需求而制定的措施应尽可能兼顾长效和临时措施；另一方面，需要关注在大型活动之后临时性控制方案的解除所可能导致的大气污染回升效应。因此，借助重大活动改善环境是推动环境管理的重要手段和经验，但区域环境管理制度尚需在长效机制、区域协调、效率与公平兼顾等方面做出更多的努力。
需要说明的是，本书大部分章节均反映的是2008北京奥运时间段及后续相关研究，因此，并不覆盖最新的华北区域空气质量现状与空气污染控制的最新行动和研究。编 者2018年11月第1章引言
由于人口密集和经济活动频繁，大型城市及围绕着大型城市的区域是光化学烟雾污染较严重的地区，如美国的洛杉矶和东南部，加拿大的温莎—魁北克走廊，德国的柏林，墨西哥的墨西哥市等。在这些地区均开展了大型城市和区域大气环境研究项目，包括在日本东京开展的超大城市空气污染研究的IMPACT项目，由美国自然科学基金会、能源部资助的在墨西哥市开展的MILAGRO、MIRAGE-Mex、MAX-Mex的空气污染研究项目等。
人们已经深刻认识到大气环境问题的复杂性和综合性，传统针对单一污染物和污染源的控制不能有效地改善环境质量、保障人群健康和生态安全，必须从整体上注重污染物之间、污染源之间和空间尺度（局地、区域和全球）之间的联系。美国、日本和欧洲国家已经将污染物的跨区和跨洲输送作为影响本地空气质量的一个重要因素，提出21世纪的空气污染控制应该采用区域和全球的思维。1.1 北京2008奥运期间与长期空气质量改善的主要挑战
20世纪80年代以来，北京市陆续开展了“北京市空气中颗粒物污染的优化监测及控制途径研究”“北京市域近郊区大气污染预测预报研究”“北京市环境总体规划研究”“北京市大气污染控制对策研究”“外来污染物对北京空气质量的影响和输送路径的研究”“北京市空气质量达标战略研究”等多个研究项目，开展了污染源调查、强化监测和模型调试，获得了大量数据和成果，这些研究为北京市的环境管理决策提供了支持。
研究结果表明，1998年之后，北京市采取的各项大气污染治理措施取得明显进展和效果。但在21世纪初期，北京大气颗粒物和光化学烟雾污染的标志物臭氧的浓度很高。可吸入颗粒物污染使北京全年近40%的时间空气质量超标，其年/日均浓度远远超出国家空气质量年/日均二级标准，已成为北京市的主要污染物。夏秋季节的光化学污染未见改善，臭氧浓度呈逐年升高、污染范围扩大的趋势。可吸入颗粒物及臭氧的污染严重影响人体健康，不仅是北京市亟待解决的重大环境问题，而且也会影响参加2008年奥运会运动员的身体健康及比赛成绩，因此也是成功举办奥运会面对的关键环境问题。“北京市大气污染控制对策研究”和“北京市空气质量达标战略研究”的结果表明，北京大气颗粒物和臭氧浓度很高与污染物的区域输送和转化有很大的关系。地面观测、卫星遥感、气象数据分析、模式计算的结果均表明，北京和周边地区的大气污染有非常明显的区域性，在特定气象条件下，周边地区排放的污染物对北京有明显的输送和扩散影响。北京可吸入颗粒物中细颗粒物PM2.5占比已超过60%，表明大气氧化性强，二次污染物是可吸入颗粒物的主要来源。因此，北京大气污染呈典型的大气复合污染特征，即区域范围内环境恶化、大气氧化性物种和细颗粒物浓度增高。
本地排放和区域污染物输送的双重作用，以及强氧化性下二次污染物的生成，使得北京市制定科学合理的环境空气质量目标变得十分困难。因此，定量地分析并确定区域大气污染输送过程、大气氧化能力和细颗粒物的生成是制定北京空气质量目标的关键。当时虽然已经开展了多项关于北京大气环境的研究，但是，从区域尺度辨识北京和周边地区的污染物输送和转化的研究还处在起步和拓展阶段。比如，2000—2002年进行的“北京市大气污染控制对策研究”项目主要针对北京市区的大气污染状况、成因、源排放进行了研究，2003—2005进行的“北京市空气质量达标战略研究”将研究范围扩大到全北京市，研究大气环境污染现状和污染源、二次污染控制及PM10和O污染控制技术和战略措施。3
已有的研究结果已经表明区域污染物输送对北京空气质量的重要影响，但北京及周边地区的源排放清单以及相关基础研究尚不能对日趋严重的区域化污染问题提供足够的支持，有关区域污染问题的研究还处于定性描述的阶段；空气污染模型没有分析本地排放和区域的影响；缺乏区域一次/二次污染物输送及二次污染物生成对北京空气质量影响的定量评价，更缺乏对大气污染控制措施与政策的环境经济分析。为此，有必要研究北京大气污染的区域性特征、定量评价周边地区的污染物输送对北京大气污染的贡献，从区域空气质量综合控制角度为北京制定合理的环境空气质量目标、2008年奥运和全年空气质量达标提供详实可靠的科学依据。1.2 北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究项目
基于对北京2008奥运和长期空气质量目标的挑战以及对国际国内研究现状的认识，北京市环保局和北京大学于2005年提出了“北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目建议书，并于同年获得北京市科学技术委员会立项和资助。该项目通过招投标方式确定北京大学为项目总体方案的设计单位，确定了北京大学、中国科学院大气物理所、中国环境科学研究院、北京工业大学为项目5个课题的承担单位。项目主要参加人员包括：朱彤（项目技术协调组组长、课题6负责人）、王普才（课题1负责人）、胡敏（课题2负责人）、程水源（课题3负责人）、胡炳清（课题4负责人）、王自发（课题5负责人）、张世秋（课题7负责人）；李昕负责项目的总体管理和协调工作。
项目总体方案和各个课题实施方案经过专家组多次论证，在进程中召开了多次研讨会、专家评审会，以把握项目科学性和进度。项目论证和指导专家组成员包括唐孝炎（组长）、刘绍臣、张时禹、石广玉、梁熙彦、徐祥德、雷国强、陈家宜、朱彤、张远航、裴成虎、李昕；顾问组成员包括唐孝炎、魏复盛、吕达仁、任阵海、郝吉明、毛节泰、樊元生、江小珂、余小萱、段里仁等；特邀专家和部门领导包括赵英民、尹改、王汉臣、刘炳江、刘伟、孙京敏、唐晓青、王景龙、张怀德、于长水、朱世龙、王丽水、郑俊、段英、虞统、赵越、王晓云、张蔷、薄莉、王迎春、张小曳、徐晓斌、韩志钢、魏强、程世义、洪佩怀等。
该项目获得了大量外场观测、源排放、技术、经济和社会发展数据，并结合空气质量模型获得了大量模拟结果，以此为基础系统分析了北京及周边省市区域性大气复合污染特征、经济社会发展对大气环境的影响、大气污染物排放特征及重点地区和重点源。在这些分析的基础上，经过和北京及周边五省市环保局多次讨论磋商，提出了《第29届奥运会北京空气质量保障方案：北京周边省区市措施》，该措施获得国务院批准并全面实施。
为实现北京2008年奥运空气质量保障目标，“北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目主要进行了如下的科学研究和决策支持工作：（1）建立较可靠的北京及周边地区大气污染源排放清单，利用多种技术对源清单的准确性做认真校验。（2）建立了定点加强观测站，取得不少于一年的五省市同步空气质量（包括一次污染物和二次污染物）数据，以了解区域内一次污染及二次污染现状，华北地区空气污染的区域性特征，各地区二次污染的成因；并结合气象资料分析其内在联系，寻找可控因素，为建议可控措施提出科学依据。（3）通过组织2006年夏、冬两次大型综合立体观测，采用地面常规和遥感观测、飞机航测、卫星遥感等手段，获取北京及周边地区大气污染物输送及二次污染物形成的三维观测数据，用于了解污染现状、分析现象及过程、校验数值模拟模式及源清单。（4）建立以双向嵌套为基础的区域空气质量模型（包括模型的筛选），对大气污染物的区域输送进行定量分析，以得出各地区对北京市空气污染的贡献。在此基础上提出2008年奥运期间和2010年达标的区域尺度的多种控制方案的情景分析，并为2008年奥运建立重污染事件的预报模型。（5）分析控制输送和转化的重要物理、化学过程，找出污染来源、需控制的主要污染排放物、污染形成条件，为污染控制提供技术方案。（6）建立数据库作为本次项目资料储存和资料流通服务，也为今后建立区域性大气质量的资料库打下基础。（7）在华北五省市区域空气质量管理体制的框架下，通过技术和控制策略可行性、费用有效性、可操作性分析，提出北京2008年奥运会空气质量控制方案并为北京空气质量达标目标制定政策建议。第2章北京及周边地区大气污染的复合性与[1]区域性特征2.1 北京夏季大气污染的气象条件与特征2.1.1 北京夏季气象流场的主要特征
北京夏季存在频繁的沿西南方向、东南方向的气流。气象资料分析表明，在离地面1100米处，北京夏季盛行风的主导风向为东南风（65％），其次为西南风（25％），而西北风和东北风分别仅占10％和5％左右。北京的东南方向为天津，西南方向为保定—石家庄，均为工业迅速发展的城市，在这些气流的带动下，周边地区排放的污染物会被输送到北京。由于北京处于三面环山的特殊地形，外地输入到北京的空气污染物很难扩散出去，而在北京积聚造成污染，导致北京的大气污染具有区域的复合性和不同大气污染成分的复合性。2.1.2 奥运同期北京持续污染的天气要素分析
奥运会是在8月份举办，分析夏季PM10持续污染，了解持续污染状况及其出现原因，具有一定的现实意义。
对比2004—2006年北京地区8月份的空气状况（表2-1）发现，2006年8月空气质量较好，平均PM10浓度比2004、2005年同期分别降低11%、16%。其中24、25日PM10浓度连续超标，没有出现持续污染。表2-1 2004—2006年8月空气污染指数（API）及污染超标日统计
诸多研究表明，气象条件对污染物扩散、稀释和积累有一定作用。污染源一定的条件下，污染物浓度大小主要取决于气象条件。近年来持续污染在污染过程中占有很大比重，因而研究持续污染与气象条件的变化关系也是有一定意义的。对比这三年8月的气象数据发现，北京夏季主要污染物浓度超标时，风向主要以偏南风为主，相对湿度较高，均值为74.71％，高于日常（70.74％），温度也偏高（约为26.44℃，比平时高1～2℃）。周边地区的排放源在合适条件下的输送对北京空气质量也有一定的影响：天津地区沿华北平原东南输送通道造成北京污染物聚集；石家庄、太原地区（典型工业、燃煤城市）沿太行山山前西南风带也容易将污染物输送至京，而北京西部和北部是连绵不绝的群山，易造成污染物积累。
对污染指数和气象要素观测值进行反复验证比较，将2003年7月1日—2006年3月31日期间的日均常规气象要素（湿度、温度、风速、风向）按季节进行分类统计。对不同季节的相对湿度以10%的间隔单位进行统计，温度差的间隔单位为1℃，风速以1米/秒为单位，并将风向分为8个风向，分析发现，当不同季节内出现持续污染时，其不同的气象要素的观测值是处在一定范围内的。
其中秋季相对湿度在60%～90%的范围内持续污染出现的概率在70%以上，且风速多集中在2米/秒以下，低于1米/秒出现污染的概率接近80%，主导风向为S&W，偏东风出现频率最少。
而春季出现持续污染时其相对湿度多低于60%，并多伴随2米/秒以上的风速，4米/秒以上风速的概率超过50％，主导风向为N&W，偏南风出现频率最少。
冬季的持续污染对应的相对湿度通常较高，在40％～90％的范围内（概率超过60％），风速不高，维持在2米/秒左右，偏西和偏北风占多数（污染概率超过70％）。
夏季出现污染时相对湿度则多集中在30%～40%和60%～90%范围内，风速范围在1～2米/秒之间，以西南风和北风为主。
分析发现，四个季节中相对湿度、风速和风向与持续污染有较好的相关性，而温度差与持续污染的相关性较低。其中，秋冬持续污染出现的概率与相对湿度的相关性较好，相关系数分别为0.96和0.97。
以上分析表明，气象条件对于污染的区域输送具有决定性作用，其对于大气污染的积聚造成的成分复合性特征以及区域污染输送造成的区域复合性特征都有相当重要的作用。2.2 大气污染的复合性特征
由于人口密集、经济活动频繁，大型城市及围绕着大型城市的区域是光化学烟雾污染较严重的地区，如美国的洛杉矶及东南部，加拿大的温莎—魁北克走廊，德国的柏林，中国的北京、珠江三角洲，墨西哥的墨西哥市等。
自20世纪80年代初起，我国经历了20多年经济的持续高速发展，国民经济水平有了很大的提高，城市化过程也非常迅速。城市化水平从1980年近20%已迅速提高到2002年的38%，形成了多个人口千万以上的超大城市。与此同时，发达国家经历了近百年的大气环境污染问题在我国经济发达地区一、二十年内集中爆发，形成酸沉降、光化学烟雾、细颗粒物等多种污染同时存在并相互作用的大气污染。在北京和珠江三角洲地区，对健康、生态和区域气候有重大影响的臭氧和颗粒物PM10（可吸入粒子）、PM2.5（细粒子）已成为主要污染物。PM2.5造成该区域大气能见度显著下降，看不见蓝天的现象日益增多，这在超大城市尤为严重。国际上其他超大城市面临同样严峻的环境问题，迄今尚无可供借鉴的经验和有效的理论来支持对这一复杂环境污染的控制。迫切需要通过基础理论的研究找到复杂的成因，提出调控机理和对策。
唐孝炎院士于1997年首次提出了大气复合污染的概念，指出中国的城市大气污染正在从煤烟型污染向机动车尾气型污染过渡，而由于发达国家经历了近百年的环境污染问题在我国经济发达地区一二十年内集中爆发，在我国城市大气污染中出现了煤烟型与机动车尾气污染共存的特殊大气复合污染的类型。2.2.1 大气复合污染的现象及形成过程
基于目前的认识，可以从现象、本质上对大气复合污染给出以下的定义：超大城市大量污染物集中释放到大气，多种污染物均以高浓度同时存在，并发生复杂的相互作用。在现象上表现为大气氧化性增强、大气能见度显著下降和环境恶化趋势向整个区域蔓延；在污染本质上体现为污染物之间源和汇的相互交错、污染转化过程的耦合作用以及对人体健康和生态系统影响的协同或阻抗效应。定量地确定区域大气氧化能力、研究在高浓度细粒子条件下光化学氧化剂的形成机制和动力学过程及其变化规律是了解城市群区域大气复合污染形成机制的关键。
超大城市的大气复合污染科学实质是大气氧化性不断增强、各种污染物在大气颗粒物界面上的耦合反应以及对生态和人体健康的协同效应。这些均是国际上过去研究较少而目前关注的前沿问题。图2-1显示了大气复合污染的形成过程（另见彩图2-1）。即天然源和人为源均可向大气中排放SO、氮氧化物（NO）、挥发性碳氢化合物2x（HC）等一次污染物，而由于经济的快速发展导致人为源排放的比重越来越大，有的污染物已经远远超过天然源的排放。进入大气后，在太阳光的引发下，NO和HC发生一系列光化学和自由基链反应，生x成二次污染物O以及OH、NO、HO、RO自由基等氧化剂。而SO、33222NO、HC在大气中会被这些氧化剂氧化成、有机气溶胶x等二次气溶胶，并以细颗粒物的状态存在于大气中。通过大气化学反应生成的二次细颗粒物常与大气中的矿物气溶胶、炭黑等细颗粒物混合，并可能通过表面多相反应，促进一次污染物向二次污染物的转化，从而形成在太阳光引发下的大气氧化剂和细颗粒物相互转换、影响的耦合作用。图2-1 大气复合污染的形成过程
大气中的二次污染物可以干、湿沉降到地表的方式从大气中去除。由于大气二次污染物包括臭氧、过氧化物等氧化剂以及等酸性物种，它们沉降后会对农田、森林、湖泊等地表生态系统带来很大的负面影响，而这些污染物以高浓度的形式同时存在，使得这些影响存在着潜在的协同效应。同样，当大气中同时存在高浓度的O、SO、NO和细颗粒物时，对人体健康危害方面也会有潜在的协322同或拮抗效应。而目前针对大气二次污染物对生态和人体健康的影响，特别是潜在的协同或拮抗效应的机理方面的研究还非常有限。2.2.2 大气复合污染的特征
由前所述，大气复合污染的典型现象为同时出现高浓度的臭氧与细颗粒物等二次污染物，这些二次污染物对空气质量和人体健康的直接影响多数情况下超过了一次污染物导致的大气污染，形成了大气的二次污染。这一特征在我国的北京和珠江三角洲近年的观测中非常明显。
大气复合污染的特征为，在光化学反应的驱动下大气中出现了高浓度的、以O和NO为代表的氧化性物种，表现为很强的大气氧化性。32在此强氧化性作用下，大气中一次污染物SO、挥发性有机物2[2]（VOCs）很快转化为硫酸盐、有机气溶胶，形成了高浓度的气溶胶细颗粒物或二次颗粒物。
大气复合污染的特征表现为同时出现高浓度的臭氧与细颗粒物，因此对于城市与大气复合污染控制研究，需要针对这些二次污染物的生成过程，通过控制它们的前体物，包括NO、VOCs、SO等，来控x2制臭氧与细颗粒物的大气浓度。2.2.2.1 大气氧化性与氧化剂
大气氧化性反映的是大气中光化学、自由基反应氧化痕量物质的能力。大气氧化性是地球大气的本质特征，是导致复合污染形成的驱动力。太阳辐射是促进大气光化学和自由基反应的根本原因，而大气的氧化性则可通过大气氧化剂浓度来表征。在大气化学过程中起着重要作用的氧化剂包括O、OH、NO、RO、HO自由基、PAN等。它3322们在大气中主要通过以下反应生成：（1）O33NO+hν NO+O（P）23O（P）+O O23RO+NO RO+NO22（2）OH1O+hν O+O（D）321O（D）+HO 2OH2HONO+hν OH+NO（3）PANCHC（O）—OO+NO CHC（O）—OONO （PAN）3232（4）NO3NO+O NO+O2332NO+NO NO3225
北京夏季具有很高的大气臭氧浓度，臭氧小时均值频繁接近[3]200ppb，表明北京地区的大气氧化性很强。由于自由基对大气中痕量物质氧化的重要性，测量大气中的自由基浓度，发现其生成和反应的规律是近几十年大气化学领域一直在努力突破的领域。然而，由于自由基的反应性很强，其在大气中的寿命很短、浓度相当低。如OH57-3自由基在大气中的半衰期小于几秒，浓度在10～10cm。因此，如何在大气中监测这些痕量物种，一直是大气化学领域的重要挑战。近年来我国在这方面已经取得了重要进展，2006年夏季在北京榆垡超级站利用激光诱导荧光技术观测了大气中OH自由基（HO·）和HO自27-3由基浓度，其中测得大气OH自由基可达10cm，表明北京大气有极强的氧化性。大气中HONO（气态亚硝酸）光解是产生OH·的重要来源，而用不同仪器在北京的观测表明，北京大气中HONO有很高的浓度，最高可达10ppb，表明了HONO对北京大气高氧化性有着重要贡献。
过氧乙酰硝酸酯PAN及其同系物PPN是大气中过氧自由基的储库，也是大气氧化性的重要标志物，在北京的夏季，观察到PAN和PPN浓度分别高达11ppb和2ppb，同样表明北京夏季大气的强氧化性。2.2.2.2 大气细颗粒物
大气细颗粒物通常指粒径小于2.5微米的颗粒物，用PM2.5表示，主要根据其来源和对人体健康影响的差异而划分。大气细颗粒物来源复杂，包括直接排放或其他机械过程产生的一次性颗粒物以及通过蒸气冷凝、大气化学反应等过程生成的二次颗粒物。其复杂的来源决定了大气细颗粒物具有复杂的化学成分，包括水溶性阴阳离子、重金属元素、地壳元素、有机物质、炭黑等，这些物种对细颗粒物的环境效应又起着决定性的作用。
大气细颗粒物可以通过降低大气能见度影响城市空气质量，通过呼吸道影响人体健康，通过携带营养物质或酸性成分影响生态系统，通过吸收和反射红外辐射而具气候效应。观测显示，北京大气PM2.5污染十分严重，2004年的4个季节观测到的年平均值甚至高于我国大气PM10的日平均标准浓度（100毫克/立方米）和美国PM2.5的日平均标准浓度（65毫克/立方米）。
2006年8—9月的观测表明，近年来，即使在夏季，北京PM2.5浓度超标情况也很严重，浓度常常达到200甚至300毫克/立方米。2.2.2.3 大气复合污染的非线性特征及数值模拟
大气光化学反应将大气一次污染物转化成二次污染物，由于光解和自由基反应的参与，使得大气污染物存在着相互转化、互为源汇的过程，导致大气污染物形成机制的非线性特征。
而大气物种及其化学反应又与气象条件、源排放强度、干/湿沉降的影响有关，使得大气污染的过程更加复杂，而颗粒物与气态物种之间的反应以及化学反应与气候过程的相互作用，更为这一复杂体系的研究增加了难度。
由于大气污染过程的非线性及复杂性，对大气污染过程的研究必须将实验室的机理研究与外场观测和数值模拟结合起来。随着计算能力的加快、对大气污染物理化学过程的深入了解以及应用大量新型仪器获取的大量数据，大气污染的数值模拟研究也已经取得了飞速发展，从最早以物理过程为主结合简单化学过程，到对光化学氧化剂（O）、酸雨的模拟，再到最新的将颗粒物反应及相变过程结合到模3式中。2.3 二次污染物的生成及重点控制的前体物2.3.1 大气臭氧的非线性生成及前体物控制
臭氧O是通过氮氧化物（NO）和挥发性有机物（VOC）在阳光3x的光化学反应下生成的。控制大气臭氧需要控制排放到大气中的氮氧化物和挥发性有机污染物。虽然目前我国大多数城市大气二氧化氮达到环境质量标准，但由于这一标准没有考虑氮氧化物对臭氧生成的贡献，因此氮氧化物的控制没有受到应有的重视。而对挥发性有机物的控制就更加有限。
通过对北京大气中O及其前体物的观测和数值分析，我们可以3认为，北京大气O的生成是由VOC控制的。但这一结论的前提是北3京的NO浓度处于很高水平。如要从根本上解决O问题，必须同时控x3制NO，尤其是大气中的NO也是氧化剂，其和O在光化学作用下可x23以迅速相互转换。因此，控制大气O必须要同时控制NO。32
研究表明，北京的臭氧浓度可以通过降低VOC的排放而得到控制。通过对VOC中各个组分对臭氧生成贡献的分析，可以发现，烯烃和芳香烃是对臭氧生成贡献最大的组分，同时CO对臭氧的贡献也不可忽略。进一步分析表明，北京大气VOC主要来自机动车相关的排放，因此机动车尾气及加油站等应该是控制北京大气中VOC的重点。将测量的大气VOC组成与各个主要排放源的VOC组成进行对比分析，可以进行大气VOC的来源解析。榆垡观测结果的VOC源解析表明，当地的VOC主要来自机动车流动源。2.3.2 大气二次颗粒物的生成及前体物控制
除了直接排放的一次颗粒物外，大气中细颗粒物的重要来源为大气中氧化剂将气相物种氧化生成的产物。如SO被氧化为硫酸盐、2VOC被氧化为颗粒态有机物等。北京大气8月份的高臭氧浓度表明北京大气氧化性强，由此转化生成PM2.5的速度也就越快，给控制大气可吸入颗粒物的污染带来了更大的难度。
利用气溶胶质谱的观测发现，北京大气细颗粒物的主要成分为硫酸盐及有机物，特别是在颗粒物污染严重时期，这两种污染物所占的比例非常大。表明控制北京大气细颗粒物污染，需要从控制其前体物SO、VOC入手。2
综上所述，为了控制北京大气臭氧浓度，需要控制NO、NO、2CO、VOC，特别是机动车相关的VOC排放。为了控制大气细颗粒物，需要重点控制SO、VOC。2
第3—5章将对北京和周边地区的这些污染物的来源进行详细分析。2.4 北京及周边地区大气污染的区域性特征
尽管过去十年北京采取了一系列控制空气污染的措施，但伴随周边地区加速发展，北京及周边地区的区域污染问题仍然突出。根据2004年全国47个城市大气综合污染指数的比较可以发现，北京及周边地区的主要城市均处于污染严重的城市行列：太原（3）、北京（5）、石家庄（7）、呼和浩特（10）、天津（11）。显然，改善大气质量也是华北地区主要城市面临着的紧迫和艰巨的共同任务。2.4.1 污染指数区域同步特征分析
华北地区城市空气污染表现出同步性，2005年11月北京发生空气重污染事件过程中，北京周边城市也在同一时期出现了不同程度的空气污染（表2-2）。这充分显示了华北地区空气污染的区域特征。表2-2 2005年10月29日至11月8日北京及周边城市API2.4.2 颗粒物区域输送特征
通过分析在北京夏季空气污染指数API大于100的天数出现频率与风速、风向的关系，可以发现，当风速小于1米/秒的静稳天气，在各个风向下，API大于100的天数占50％以上。当风速增强时，API大于100的天数出现频率降低，然而，在风速为2～3米/秒和大于4米/秒、风向为180°～270°时，API大于100的天数出现频率又增加到50％以上，表明来自西南方向大气输送的贡献。
2004年10月发生在北京的一次重污染过程，空气污染指数达到400左右，属重度污染。而这一时段的卫星遥感图像清楚地表明，这一重污染主要是由西南方向输送来的污染物造成的。2.4.3 臭氧及NO的区域分布特征2
由于大多数省市的环境监测站未将臭氧列为常规观测项目，因此借助区域的大气环境数据难以获得区域臭氧的污染特征。但通过卫星遥感图像可以清晰看到，8月期间，包括北京、天津、石家庄在内的华北地区大气对流层中臭氧浓度有一个明显的高值范围。
大气臭氧是氮氧化合物（NO NO+NO）和挥发性有机化合x2物VOC通过光化学反应生成的。尽管目前缺乏华北区域的NO的观测x数据，通过欧洲卫星遥感，我们可以看到与华北地区臭氧浓度高值对应的是这个地方的NO高值区，而且通过卫星遥感可以看到这个地区x的NO浓度呈明显的增长趋势。22.4.4 2006年夏季区域污染地面综合观测
由于大多数省市的环境监测站未将臭氧、PM2.5列为常规观测项目，因此借助区域环保系统观测站的大数据难以获得O和PM2.5的输3送及区域污染特征。为此，“北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目设计了华北地区大气环境监测网（图2-2、彩图2-2），并于2006年8—9月开展了区域大气环境综合观测。在北京大学和北京市环保局的组织下，该项观测有国内外20个单位100多名科研人员参加，获取了大量的观测数据。[4]图2-2 华北地区大气环境监测网
图2-3和图2-4显示了跨越200千米尺度的6个观测站（北京大学、北京铁塔、香河、天津铁塔、固城、榆垡）臭氧、PM2.5浓度的变化均呈相似的变化趋势，表明臭氧、PM2.5污染的生成和输送尺度至少在200千米以上。[5]图2-3 2006年8—9月北京及周边六个站点O浓度小时平均值（ppb）33[6]图2-4 2006年8—9月北京及周边六个站点PM2.5浓度小时平均值（μg/m）
2006年8月16—19、23—24、27日沿西南方向的三个观测站，固城、榆垡、北京大学，均观测到臭氧高值；而在8月31日，9月1日的两天，沿东南方向的两个观测站也同时观测到臭氧高值。这些观测结果显示了在沿西南方向和东南方向臭氧及其前体物的输送转化过程。
在2006年8月24—25日，天津铁塔、固城、榆垡、北京大学等四个观测站，均观测到PM2.5的高值，说明了颗粒物的区域污染特征。
研究已经证实，影响北京地区空气质量的主要因素包括：①当地污染源的贡献与影响；②气象条件的限制与影响；③周边地区污染的影响。北京及周边地区在经济发展的过程中，一直进行着大气污染的环境治理工作，并取得了显著效果。但是，在快速的工业化和城市化以及整体快速的经济增长驱动下，重污染行业的投资和规模都在不断扩张，加之环境管理制度弱化、环境治理技术落后、治理资金不足等普遍问题以及环境管理制度的属地管理特征与大气污染的区域特征的矛盾、区域环境综合管理制度的缺失等特殊问题，北京及周边地区大气污染防治处于低效率状态，大气污染问题依然严重。
第5章将总结利用区域空气质量模型，定量分析周边地区大气污染输送对北京空气质量影响的结果。2.5 小结
外场观测和数值分析结果均表明，北京及周边地区的大气污染呈现出典型的大气复合污染特性，一定天气条件下，高排放强度的大气一次污染物通过化学反应迅速转化为高浓度的臭氧和细颗粒物等二次污染物，形成了大气二次污染。外场观测和卫星资料分析也表明，北京及周边地区的大气污染也呈现出明显的区域性特征。中尺度气象模式MM5的模拟结果与气象和卫星资料分析显示，北京夏季存在频繁的沿西南方向、东南方向的气流。由于北京的东南方向为天津、西南方向为保定—石家庄，均为工业迅速发展的城市，在大气过程的驱动下，上风向大气中的一次和二次污染物在区域内输送、转化，使得北京和周边地区的大气复合污染呈现出明显的区域性特征。
为了控制北京大气臭氧浓度，需要控制NO、NO、CO、VOC等2前体物。而VOC的控制，需要着重通过控制机动车的排放来实现。为了控制大气细颗粒物浓度，除了一次颗粒物外，还需要重点控制SO、VOC的排放。第3章将对北京和周边地区的这些污染物的来源2进行详细分析。第4章将对影响北京市空气质量的周边重点地区和重点源进行定量分析。
[1]根据北京大学. “北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目，课题6：区域大气污染综合观测.
[2]VOC为挥发性有机物（volatile organic compounds）之英文缩写。—编辑注
[3]ppb表示大气中几种选择的痕量物的浓度，量级为十亿分之一，-93即10，也可以写作μg/m；ppb来自英文parts per billion（十亿分率）的英文缩写。—编辑注
[4]朱彤等. “北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目，课题6：区域大气污染综合观测.
[5]朱彤等. “北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目，课题6：区域大气污染综合观测.
[6]朱彤等. “北京与周边地区大气污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目，课题6：区域大气污染综合观测.第3章[1]北京周边地区社会经济发展现状评估
北京及周边地区在经济发展的过程中，一直进行着大气污染的环境治理工作，并取得了显著的效果。但是，在工业化和城市化以及整体快速的经济增长驱动下，重污染行业的投资和规模都在不断扩张，北京及周边地区大气污染问题依然严重，大气污染防治任务依然艰巨。
北京周边地区的社会经济发展特征以及与之相关的大气污染控制特征体现在：经济发展迅速、增幅大，处在工业化快速发展阶段；重污染行业为主体，污染行业不断增长，减排压力持续增加；能源消耗量大，因煤炭消费导致的污染特征明显，与此同时，能源效率低下，存在改进能源利用效率空间；污染物排放量大、部分地区治理水平低，可实现的减排潜力大；与机动车相关的污染物排放持续增加，重点地区的机动车污染物排放对北京市影响渐增。
北京周边地区的社会经济现状与发展趋势表明，周边地区经济发展迅速，高耗能产业比重大，大气污染控制和污染物减排压力增加快速，污染控制的区域协同效益突出。3.1 经济发展迅速、增幅大，处在快速工业化发展阶段
自20世纪90年代中期特别是2000年以来，北京周边地区的天津、河北、山西、内蒙古经济发展快速，GDP的年均增长速度均超过全国平均水平（表3-1）。表3-1 北京周边地区GDP的各年增长速度（％）数据来源：中国统计年鉴，使用当年价格.
从2000—2005年国内生产总值、工业总产值和工业增加值的数据来看，与全国各地的情况大同小异，北京周边各省市均处于工业化过程之中，工业增加值对GDP的贡献在一些省市超过了50％。在北京周边的省市中，山东省经济总量最为庞大，排在全国第2位，河北省排第6位。
天津市的GDP处于快速增长的势头，“十五”期间，三次产业年均分别增长5.7％、16.5％和11.6％，其中，工业增加值几乎占到了GDP的50％，维持在一个较为稳定的水平上，显示天津市的工业化水平很高。电子信息、汽车、生物技术与现代医药、冶金、石油化工和新能源及环保等六大优势行业完成工业总产值3797.7亿元，增长35.5%，占规模以上工业总产值的比重达到70.6%，对工业增长的贡献率达到76.7%。与工业增加值的增长相比，污染行业的增加值处于一个较快的发展阶段，其对工业增加值的贡献率已经从1996年的20.2％上升到2004年的33.1％。
河北省国民经济平稳快速增长，2005年经济总量迈上新台阶，全省生产总值突破一万亿元，达到10116.6亿元，比上年增长13.4%，为1997年以来最高增幅。第一产业增加值所占的比重呈缓慢下降的势头；第二产业增加值所占的比重居高不下，并呈现缓慢增长的势头，从1996年的48.2％增加到2005年的52.6％；第三产业增加值所占的比重围绕着33％作轻微波动，人均生产总值14814元，比上年增长12.7%，增速是1997年以来最高水平。作为第二产业的主体，工业增加值也在快速增加。2005年，钢铁、装备制造、石油化工、食品、医药、建材、纺织服装七个主导行业增加值占工业增加值的比重由55.4％增加到78.4%，对工业生产增长的贡献率由62％上升为86.0%。主要能源、原材料及部分高附加值产品产量增长较快，焦炭增长40.1%，铁矿石原矿量增长32.3%，生铁增长24.6%，钢增长25.3%，成品钢材增长29.5%，汽车产量增速为36.4%。其中，重工业的增加更为强势。污染行业对工业增加值的贡献呈逐年上升的态势，1996年的贡献率为16.49％，历经微小的波动，2002年的贡献率上升为17.62％，2003年的贡献率快速上升，贡献率为24.19%。尽管污染行业的增加值占工业增加值的比重不高，但是从产业门类的角度来看，污染行业都是较为庞大的产业。
山西省经济总量增速加快。工业增加值对GDP的贡献在近些年已经超越了50％，反映了山西省的工业强势。2004年全省工业完成工业增加值1568.5亿元，比上年增长17.0％。煤炭、炼焦、冶金、电力等主导行业高速增长。全省37个行业大类比上年增长的有31个，占83.8％。其中煤炭开采和洗选业增长25.7％，炼焦业增长26.8％，黑色金属冶炼及压延加工业增长20.2％，有色金属冶炼及压延加工业增长21.0％，电力生产和供应业增长19.0％。
山西省的污染行业在1998—2002年间经历了一个发展的低谷，2003年获得了极为快速的发展，污染行业创造的工业增加值显著增加，2004年稍稍变缓，仍在增加之中。
内蒙古的GDP在近两年开始快速增长，与前面几个省市不同，内蒙古的工业增加值占GDP的比重偏低，反映了内蒙古传统的农牧业仍占有较大的比重。在工业增加值中，污染行业的贡献也在逐渐增加，2000年起，污染行业增加值占工业增值的比重就开始上升，从不足20％上升到35％以上。3.2 重污染行业为主体，污染行业不断增长和扩张，减排压力增加
北京周边各省市主要的经济支柱行业仍然是高耗能产业，电力行业的增长基本上有规可寻，没有大起大落，但所占比例较大；黑色金属和石油化工行业的宏观政策导向特征比较明显，但是在可见的未来仍然将保持高增长的局面。因此将成为我们重点考虑的控制行业。黑色金属和石油化工行业在经济中的比重较大，因此对此类行业的污染控制措施需要谨慎地考虑控制成本，并且在具体控制中需要考虑潜在的地方经济发展优先的问题。3.2.1 天津：以重化工业为主导的污染行业的结构分析
天津市黑色金属行业（主要是钢铁）、化学原料和石油加工等重污染行业的增长较快，尤其是最近几年增幅更大。天津市黑色金属冶炼及压延工业的工业总产值在多数年份均居领先地位，并在2002年之后增长较快。位于其后的是化学原料及化学制品制造业，石油加工、炼焦及核燃料加工业这两类产业，在2002年之后增长均较快。位居第三的是医药制造行业、电力热力生产和供应业、塑料制品与有色金属冶炼及压延工业，增长势头开始放缓。
2002—2004年间，天津市全部工业总产值年均增长高达20%，2004年全部工业总产值达5763.93亿元，比上年增长31.0%。规模以上工业完成轻工业增加值314.64亿元，比上年增长18.7%，完成总产值1289.36亿元，增长19.4%；完成重工业增加值1081亿元，增长29.0%，完成总产值4085.73亿元，增长36.2%。轻重工业产值比例为24∶76，重工业产值增速和比重继续提高。电子信息、汽车、生物技术与现代医药、冶金、石油化工和新能源及环保等六大优势行业完成工业总产值3797.7亿元，增长35.5%，占规模以上工业总产值的比重达到70.6%，对工业增长的贡献率达到76.7%。3.2.2 河北：以黑色金属冶炼为主导的污染行业的结构分析
河北省黑色金属冶炼及压延工业处于较快的发展势头，并且对工业总产值的贡献在各行业中居于领先地位。其后是电力热力生产和供应业，化学原料及化学制品制造业与石油加工、炼焦及核燃料加工业，其中石油加工、炼焦业的工业总产值在20世纪90年代较低，但2000年之后增长较快。
河北省生铁、钢、铁矿石成品矿、化学原料等居全国第一位；平板玻璃、焦炭、乳制品、纯碱、水泥、化学农药、方便主食品、变压器、发电量、成品钢材、原煤、纱、布、化肥等居全国前5位。2004年，钢铁、装备制造、石油化工、食品、医药、建材、纺织服装7个主导行业增加值占工业增加值的比重为78.4%，对工业生产增长的贡献率高达86.0%。主要能源、原材料及部分高附加值产品产量增长较快，焦炭增长40.1%，铁矿石原矿量增长32.3%，生铁增长24.6%，钢增长25.3%，成品钢材增长29.5%，汽车产量增长36.4%。3.2.3 山西：以能源、重化工业为主导的污染行业的结构分析
山西省作为全国重要的能源重化工生产基地，长期以来形成了采煤、炼焦、电力、冶金、化工、建材等传统支柱产业，这些产业的工业总产值、固定资产和利税分别占全省规模以上工业总量的90.5％、63.5％、93.2％。上述六大行业总体上生产工艺相对落后，资源利用率低、耗能高、污染重、环保“三同时”措施不到位，污染控制水平低，2004年六大行业二氧化硫、烟尘、工业粉尘排放量分别占全省[2]排放总量的85.8％、66.2％、88.1％。
山西省污染类产业中，黑色金属冶炼及压延工业对工业总产值的贡献居于首位，并且在2002年之后，增速较快。其后是电力热力生产和供应业，石油加工、炼焦及核燃料加工业，有色金属冶炼及压延工业与化学原料及化学制品制造业，其中石油加工、炼焦业的工业总产值在2002年之前一直处于较低的水平，但2002年之后快速增长，在2004年其工业总产值在污染行业中的排名已跨入第二名。
2004年全省完成工业增加值1568.5亿元，比上年增长17.0％。煤炭、炼焦、冶金、电力等主导行业高速增长。其中煤炭开采和洗选业增长25.7％，炼焦业增长26.8％，黑色金属冶炼及压延加工业增长20.2％，有色金属冶炼及压延加工业增长21.0％，电力生产和供应业增长19.0％。3.2.4 内蒙古：以火电、重工业为主导的污染行业的结构分析
内蒙古的火电、重工业在20世纪90年代末仍处于较低的水平，从2000年开始进入扩张期。黑色金属冶炼及压延工业与电力热力生产供应业的工业总产值均处于较高的水平，这两大重污染产业在2002年之后的增速远远高于其他产业，2005年，这两类产业的工业总产值之和占据规模以上工业总产值的62.8％。其后是有色金属冶炼及压延工业、化学原料及化学制品制造业、非金属矿物制品与石油加工、炼焦及核燃料加工业，这些污染产业在2002年之后的增速都明显加快。3.3 能源消耗量大，因煤炭消费导致的污染特征明显
北京周边省区能源消费总量大，其中河北省和山西省是能源消费量过亿的省份。3.3.1 天津3.3.1.1 能源结构与消耗情况分析
天津市的能源构成主要是煤炭、天然气、石油三大类，“十五”期间天津市能源消耗总体呈上升趋势，能源构成以煤炭为主，煤炭所[3]占比重为67％，石油和天然气分别占31％和2％，其中，煤炭所占比重比“九五”期间增长7%。煤炭的使用主要区分为原煤和焦炭，其中原煤的使用比重由“九五”的86％下降到“十五”的76％，相[4]应地，焦炭由14％上升到24％。煤炭消费总量由2001年的2500万吨增加到2005年的3532万吨，平均每年增加9.0%；其中工业全年耗煤量呈上升趋势，由2001年的1960万吨上升到2005年的3339万吨，平均每年增加14.2%。生活煤炭消费呈下降趋势，由2001年的540万吨下降到2005年的193万吨，到“十五”末期生活煤炭消费量只占全年[5]煤炭消费总量的5.4％。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]