我国京津冀和西北五省（自治区）大气环境容量研究

郝吉明，许嘉钰，吴剑，马乔

（1. 清华大学环境学院，北京 100084；2. 国家环境保护大气复合污染来源与控制重点实验室，北京 100084）

我国京津冀和西北五省（自治区）大气环境容量研究

郝吉明1,2，许嘉钰1,2，吴剑1，马乔1

（1. 清华大学环境学院，北京 100084；2. 国家环境保护大气复合污染来源与控制重点实验室，北京 100084）

本研究以京津冀和西北五省（自治区）为例，研究处于不同经济发展阶段的区域大气环境容量。利用GEOS-Chem全球大气化学传输模式模拟计算大气污染源排放所带来的环境空气中污染物的浓度，以京津冀和西北五省（自治区）的网格平均地面PM2.5年均浓度达到环境空气质量标准（GB3095—2012）为约束条件，确定出京津冀和西北五省（自治区）SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五种大气污染物环境容量。结果表明，2013年京津冀和西北五省（自治区）SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五种大气污染物的排放量均超出大气环境容量。

PM2.5；空气质量；环境容量

一、前言

我国巨大的能源消费规模和以煤炭为主的能源消费结构导致各种大气污染物大量排放，近年来全国各地多次发生大范围、长时间的雾霾天气，已成为社会关注的焦点。为加快解决目前严重的大气污染问题、切实改善环境空气质量，国务院于2013年9月发布实施《大气污染防治行动计划》。自《大气污染防治行动计划》实施以来，全国74座城市的PM2.5年均浓度较2013年有所下降，但有7个省区的PM10年均浓度不降反升，我国东部区域大气PM2.5和O3污染十分严重，全国和重点区域大气环境质量仍然面临巨大挑战。

大气环境容量是指一个区域在某种环境目标（如空气质量达标或酸沉降临界负荷）约束下的大气污染物最大允许排放量。实际研究时更关注的是“区域大气环境容量”，即在一定的气象条件及一定的污染源排放条件下，某一特定区域在满足该区域环境空气环境质量目标的前提下，单位时间所能允许的各类污染源向大气中排放的各类污染物的总量。影响大气环境容量的因素除了大气污染物的环境化学特征外，还有区域环境目标、区域地理和气象特征等。

大气环境容量在我国一直被作为支撑国家大气污染物总量控制和空气质量管理的重要依据。围绕不同环境目标下的大气环境容量，我国学者已开展了许多研究。我国2012年对《环境空气质量标准》进行修订，PM2.5成为影响我国城市空气质量达标的首要污染物，环境空气中的PM2.5标准限值相比SO2、NO2、PM10等成为更严格的约束条件，因此，从我国空气质量管理的需求出发，亟需以PM2.5达标为约束条件核算大气环境容量，为大气污染物减排提供科学依据[1]。研究京津冀及西北五省（自治区）的大气环境容量将为构建处于不同经济发展阶段的区域精准化治霾体系提供重要依据。

二、研究方法

（一）方法概述

本研究以2013年为基准年，2030年为目标年，利用GEOS-Chem全球大气化学传输模式模拟计算大气污染源排放所带来的环境空气中污染物的浓度，以2030年京津冀和西北五省（自治区）的网格平均地面PM2.5年均浓度达到环境空气质量标准（GB3095—2012）为约束条件，确定京津冀及西北五省（自治区）的SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五种大气污染物的环境容量，以此分析基准年的超载情况及减排需求。

（二）GEOS-Chem模型设置

1. 模拟时段

基准年为2013年全年，目标年为2030年全年，模拟时间间隔为3 h。

2. 模拟区域

模拟区域包括中国以及中国临近的其他亚洲地区和国家：东至日本，西到印度，北到西伯利亚，南到印度尼西亚。经纬度范围为 70 ºE～150 ºE，11 ºS～55 ºN，网格分辨率为 0.5º×0.667º [2]。

3. 排放清单

基准年和目标年中国境内的人为源排放为清华大学最新人为源排放清单[3]，其他采用GEOSChem默认的排放清单。

4. 气象年的选择

采用的GEOS-5气象场目前只更新至2012年，同时根据2010—2012年三年的气象数据模拟基准年2013年的排放对我国东部地区PM2.5月均浓度的比对结果，东部地区2012年PM2.5月均浓度与2010—2012年三年月均浓度的平均值最为接近为6.28 μg/m3，而 2010 年和 2011 年分别为 25.94 μg/m3和-32.22 μg/m3。所以气象年选择为2012年。

（三）模型验证

利用GEOS-Chem模型测算大气环境容量时，需要对气象场、排放清单和浓度场进行验证。

由于GEOS-Chem模型采用的气象场为已同化的GEOS-5气象场，因此本研究不再对气象场进行验证。

1. 基准年排放清单比较与校验

本研究也将基准年排放清单与近年来其他排放清单研究结果进行了比较，如表1所示。文献[4～6]的排放清单都是采用自下而上的方法建立；文献[7]中2015年的排放数据是以2010年为基准年的未来预测数据。除我国环境保护部公布的排放数据明显低于本研究采用的排放清单外，本研究采用的排放清单均在上述研究的变化范围内。环境保护部排放数据较低的原因之一是没有将非道路交通源的排放包括在内。

2. 基准年PM2.5模拟浓度验证

基准年地面PM2.5浓度模拟值准确，才能保证未来年模拟结果的可靠性。下文将对基准年PM2.5模拟浓度验证进行论述。

三、主要结果与分析

（一）未来年排放清单

大气污染与能源利用密切相关，未来年主要大气污染物的排放量取决于能源消费量和大气污染控制技术与对策。通常通过设置不同的能源消费情景和大气污染物控制情景分析法确定未来年主要大气污染物的排放量。本研究依据文献[8]的研究成果，只针对能够实现2030年空气质量目标的能源情景（2030PC）和污染控制情景（2030PC2）进行分析，如表2和表3所示。

表1 排放清单与其他近期研究的比较 ×103 t

表2 2030年能源情景的关键参数

表3 2030年未来情景设置

在能源情景中，2030年中国能源消费量较2013年上涨7%；煤炭仍然是能源结构中比例最大的部分，但所占比例由2013年的61%降低至2030年的44%；可再生能源及核能，所占比例由2013年的8.3%上升至2030年的15.1%。在末端控制策略方面，该清单为每个能源情景设计了两个末端排放控制策略，末端控制技术的分布率主要依据相关政府公告和规划计算。污染控制情景是依据《大气污染防治行动计划》设定，并假设控制措施逐渐加严到2030年，在该情景中，烟气脱硫装置（FGD）在电厂和工业部门中大范围应用，新建的工业锅炉均要求安装低氮燃烧技术设备（LNB），静电除尘器（ESP）和高效除尘器（HED）将逐步替代低效率的湿式除尘器（WET）。对于民用部门，到2030年低硫煤使用率将达100%，更先进的煤炭和生物质炉灶也将广泛使用；对于交通部门，高排放车辆将被更快淘汰，到2030年所有车辆都达到目前欧洲最严格的排放标准[9]。

（二）未来年大气PM2.5浓度分析

以2012年为气象年，将2013年我国的人为源大气污染物排放清单更新为未来年的排放清单、自然源及境外源排放清单保持不变，利用GEOSChem模拟京津冀和西北五省（自治区）地面PM2.5浓度分布（见图1）。为了便于分析，除了未来年2030年PM2.5浓度变化外，图1增加了各省市自治区2013年监测浓度和模拟浓度。2013年底只有74座城市有完整和连续的PM2.5监测数据[10]，因为这74座城市只包含西北五省（自治区）的省会城市，所以在图1中添加了2015年PM2.5地面监测数据[11]。图1的横坐标从左到右按照纬度递增进行城市排序。

图1 京津冀及西北五省（自治区）地面PM2.5浓度情况

1. 地面PM2.5浓度模拟值验证

以标准平均偏差、标准平均误差及相关性系数R三个参数对GEOS-Chem模型模拟的地表PM2.5浓度的能力进行校验。将京津冀13座城市和西北五省（自治区）省会城市地面PM2.5浓度监测数据与该城市中心所在GEOS-Chem模型网格的模拟浓度进行比较，结果见表4。

由表4可见，京津冀的标准平均偏差为-8.0%，相关性系数R为0.83；西北五省（自治区）的标准平均偏差为-8.4%，相关性系数R为0.97，模型对地表PM2.5浓度评估略低，这是因为气象年为2012年，而普遍认为2013年的扩散条件优于2012年，所以导致模型对地表PM2.5浓度的模拟结果略低于监测值。京津冀和西北五省（自治区）合计66座城市，2015年地面PM2.5监测值与基准年模拟值的相关性分析结果表明，虽然无论是气象场还是排放清单在2013年与2015年都存在差异，但是该相关性分析结果能够反映模拟结果的准确程度。结果表明，京津冀、陕西、青海的模拟结果好于甘肃、新疆和宁夏的模拟结果。

2. 未来年地面PM2.5浓度达标分析

图1表明，未来年京津冀、西北五省（自治区）的网格平均地面PM2.5年均浓度均能达到空气质量二级标准的35 μg/m3，但是，河北、西北五省（自治区）中64座地级市中合计有15座城市不能达标。这就意味着，未来年排放清单的排放量是以京津冀和西北五省（自治区）的网格平均地面PM2.5年均浓度达到环境空气质量标准（GB3095—2012）为约束条件的大气环境容量，而不是以各地级市网格平均地面PM2.5年均浓度达到环境空气质量标准（GB3095—2012）为约束条件的大气环境容量，后者比前者小，尚需进一步研究才能确定后者的具体数值。

（三）大气环境容量分析

1. 大气环境容量

未来年排放清单的排放量是以京津冀和西北五省（自治区）的网格平均地面PM2.5年均浓度达到环境空气质量标准（GB3095—2012）为约束条件的大气环境容量，SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs、NH3的环境容量如表5所示。

表4 基准年地面PM2.5浓度模拟值校验结果

表5 主要大气污染物环境容量 ×104 t

2. 大气环境容量超载率

通过基准年2013年的大气污染物排放量与其环境容量的比值，衡量大气环境超载的结果。由表6可知，西北五省（自治区）总体超载与京津冀基本相当。一次PM2.5和NOx的超载状况比其他几种污染物更为严重，超载率为158%～400%；若想使大气环境不超载，各地区相对于2013年的SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs的排放量削减比例应在30%～75%，NH3的排放量最大削减比例要达到53%。

表6 基准年主要大气污染物超载情况 %

四、结语

以京津冀和西北五省（自治区）的网格平均地面PM2.5年均浓度达到环境空气质量标准（GB3095—2012）为约束条件，京津冀SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五种大气污染物环境容量分别为 609 kt、745 kt、295 kt、1 322 kt和 6 260 kt；西北五省（自治区）五种大气污染物环境容量分别为 926 kt、947 kt、349 kt、758 kt和 9 160 kt；然而该环境容量对应的京津冀和西北五省（自治区）中66座地级市的PM2.5年均浓度达标率为76.6%，100%达标率对应的大气环境容量应小于该容量。

2013年，京津冀地区SO2、NOx、一次PM2.5、VOCs和NH3五种大气污染物的排放量分别是其大气环境容量的2.23倍、2.74倍、3.59倍、1.63倍和1.70倍；西北五省（自治区）五种大气污染物排放量分别是其大气环境容量的2.28倍、2.27倍、2.81倍、1.73倍和1.28倍。2013年，京津冀和西北五省（自治区）大气环境容量超载情况基本相同，所以在新时期“一带一路”战略实施过程中必须关注西部干旱区大气环境容量的约束条件。若使大气环境容量不超载，相对于2013年，京津冀五种大气污染物削减比例分别为55%、64%、72%、39%、41%；西北五省（自治区）五种大气污染物削减比例分别为56%、56%、64%、42%、22%。

利用空气质量模型确定大气环境容量的不确定性取决于空气质量模型、气象场、排放清单、空气质量标准值等诸多因素。本研究利用GEOS-Chem模型及清华大学编制的2013年人为源排放清单，发现甘肃、新疆和宁夏的地面PM2.5浓度模拟值与监测值负相关或相关性低。因此，本研究确定甘肃、新疆和宁夏的大气环境容量的不确定性高于京津冀、陕西和青海，尚需深入研究。

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A Study of the Atmospheric Environmental Capacity of Jingjinji and of the Five Northwestern Provinces and Autonomous Regions in China

Hao Jiming1,2, Xu Jiayu1,2, Wu Jian1, Ma Qiao1
(1. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. State Environmental Protection Key Laboratory of Sources and Control of Air Pollution Complex, Beijing 100084, China)

This article discusses the regional atmospheric environmental capacity of areas in different stages of economic development, and presents the Beijing-Tianjin-Hebei (Jingjinji) region and the five northwestern provinces and autonomous regions in China as examples. The atmospheric environmental capacities for sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxides (NOx),fine particulate matter (PM2.5),volatile organic compounds (VOCs), and ammonia (NH3) emissions were calculated for the various provinces with the constraint condition of the annual average ambient PM2.5concentration standard (GB3095—2012), using a global chemical transport model from the Goddard Earth Observing System (GEOS-Chem). The results indicate that the total emissions of SO2, NOx, primary PM2.5, VOCs and NH3emited from the Jingjinji and the five northwestern provinces and autonomous regions all exceed the environmental capacity.

PM2.5; air quality; environmental capacity

X51

A

2017-06-20；

2017-07-10

许嘉钰，清华大学环境学院，高级工程师，研究方向为能源利用与大气污染模拟及控制对策等；E-mail: jiayu-xu@tsinghua.edu.cn

中国工程院咨询项目“生态文明建设若干战略问题研究（二期）”(2015-ZD-16)

本刊网址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.04.003