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陈松蹊研究团队:京津冀臭氧评估【京津冀空气质量报告】

时间:2017-09-11

蓝天在夏秋季频频出现,京津冀的空气似乎变好了。的确,PM2.5、PM10、二氧化硫等多种污染物在空气中都有明显减少,然而另一危害性强的污染物——臭氧,却趁我们不备逐年增强,而且在高温天气下格外嚣张(看看今年夏季的数据就知道)。好消息掺杂着不太好的消息,新情况总在不停出现,这就是防治空气污染面临的现实。当我们对污染状况越多了解,就越知道不能毕其功于一役。知己知彼,百战不殆。那么,就让我们好好解析下臭氧这个新对手吧。

今天我们将继续为读者介绍北大统计团队《空气质量报告》关于京津冀空气污染物的最新研究。上一期介绍了其中PM2.5部分,我们知道,经过四年治理,京津冀地区PM2.5和PM10污染已经有了明显改善,13市降幅分别达27%和31%,今年京津冀有望实现“国十条”所设目标

但与此同时,臭氧污染的改善情况令人担忧,2017年夏季最新结果不容乐观:8小时臭氧浓度又创出新高。京津冀13个城市经气象调整后的8小时臭氧夏季平均浓度均超过100微克/立方米,达到124微克/立方米,较2016年同期上升了12%。的确,从数值上看,津京冀离“我国现行标准规定的臭氧日最大8小时平均浓度160微克/立方米”还有些许距离,也远远低于发达国家光化学烟雾事件频发时期的历史水平(臭氧浓度可达1200微克/立方米以上,最高值甚至超过2000微克/立方米)。但我们需要警惕和遏制的是,近几年京津冀的臭氧污染连续恶化的趋势。对于京津冀数据的分析和治理的探讨,对我国重点区域臭氧污染防控将有借鉴意义。

以下内容摘编自《空气质量评估报告(四)——京津冀2013-2016年区域污染状况评估》,报告研究了六种空气质量常规污染物:PM2.5、PM10、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)和臭氧(O3)的数据,我们这里将着重介绍其中8小时臭氧部分。为方便大众阅读,文中省略了关于研究背景和统计方法的一些具体内容,感兴趣的读者请在文末“阅读原文”下载全文进行阅读。

三点说明:

1、由于2013年1月和2月京津冀地区站点的空气污染物数据有较高比例的缺失,数据质量不高,所以此报告选取的数据时段为2013年3月到2017年5月。因此,报告中使用的“年”并非自然年,而是一年的3月份到下一年2月份的“季节年”,涵盖一个完整的四季。

2、由于空气质量状况受气象条件的影响很大,为了得出并比较某一季节不同年份的空气质量数据,报告沿用前三个报告的方法,对污染物浓度进行气象调整,剔除了气象因素对空气质量的影响。计算京津冀地区各个城市在可比气象条件下各污染物的平均值浓度和90%分位数浓度,并对其进行比较和分析(污染物的平均值浓度反映了一个城市空气质量的平均水平,而其90%分位数浓度则刻画了该城市最严重的10%的极端污染状况)。

3、臭氧的生成极易受到光照影响,光照越强,臭氧浓度越高。因此,一天24小时中,各个小时的臭氧浓度不同且差异很大。如下午3时一般是一天中臭氧浓度最高点,而凌晨3时是最低的,两者可以相差2到3倍。由于人们的活动主要集中在光照较强的白天,若只分析包含夜间时段的24小时浓度,则会低估臭氧对人体健康的影响。因而本文选取报告中最具代表性的8小时臭氧浓度来说明问题。

臭氧(O3)是一种有强氧化性的气体。距离地面约30公里的高空臭氧层,能够吸收紫外线、X射线、伽马射线等短波射线,因此被称为地球的“保护伞”。但近地面的臭氧则是一种大气污染气体,它主要来源于人类的生产和生活,产生于氮氧化物和挥发性有机物之间的光化学反应。低空臭氧会严重影响人类健康,它会影响人体呼吸系统和神经系统。此外,由于臭氧是氧化性极强的催化剂,对金属、材料等均会产生腐蚀作用,还会降低植物光合作用,造成农作物减产。同时,臭氧可促使空气中的大量气体污染物转化为颗粒物,进而转化为PM2.5。因此,近地面臭氧浓度超标,其危害程度不亚于PM2.5超标。发达国家的大气问题目前主要是臭氧污染,如美国洛杉矶的光化学污染。中国这几年臭氧污染问题日益突出,臭氧和PM2.5已成为中国大气污染的两个首要污染物。

低空臭氧的生成主要来自大气的光化学反应。现在已知的可以生成低空臭氧的一个重要途径是二氧化氮经过光照生成臭氧和一氧化氮的反应:

这一反应说明二氧化氮在白天光照下会促进臭氧生成,同时也意味着在光照强度最高的中午和下午时段臭氧的浓度会最高。在通常状态下,上述反应还伴有逆反应:

这个反应不需要光照作为条件,在白天和夜晚都会发生。机动车行驶,尤其是低速行驶时燃料的不完全燃烧,会产生氮氧化物(NOx)。从上述两个反应中可以看到,二氧化氮是臭氧的重要前体物,而一氧化氮又能中和部分臭氧。

我国关于臭氧的标准基于最高的8小时平均浓度。其中,一级标准限值是100微克/立方米,二级是160微克/立方米。美国环境保护署关于臭氧的限值标准为0.07ppm(约为140微克/立方米),但要求一年间第四高的最大8小时平均浓度值的三年平均不超过以上限值,这实际上是非常严格的。

考虑到国家标准是基于臭氧最高8小时的浓度,因此,我们这里分析中午12时到傍晚20时共8小时的臭氧浓度数据,并计算其气象调整后的平均浓度。

臭氧成夏季空气污染元凶



京津冀13市气象调整后24小时和8小时臭氧季平均浓度的年度变化序列(微克/立方米)

上图展示了24小时(实线)与8小时(虚线)的经气象调整的臭氧季平均值。可以明显的看到,基于中午12时到傍晚8时的臭氧浓度做调整所得的臭氧季平均浓度明显高于基于24小时的观测所得的数值。这种差异在冬季最小,一般在4~10微克/立方米左右;然而在光照较强的夏季,8小时的臭氧浓度会明显高出24小时的20~40微克/立方米左右。同时,可以看到,京津冀地区8小时臭氧浓度整个夏季的平均值基本都超过了中国和世卫组织100微克/立方米的标准。可以说,夏季臭氧污染已经成为京津冀大气污染的一个突出问题。

作为高峰期,春夏季臭氧污染究竟有多么“浓烈”?我们通过下图感受一下:

京津冀13市2013-2016春夏季8小时臭氧调整年均值

近年有改善吗?恰恰相反

值得警惕的是,近几年京津冀的臭氧污染有连续恶化趋势,每个城市的8小时臭氧浓度近四年来一直在升高。


京津冀13市气象调整后8小时臭氧四年累计降幅及年平均降幅

京津冀13个城市2013年8小时的臭氧浓度大多分布在60~70微克/立方米之间,而到了2016年,大部分城市的年均浓度升高到70微克/立方米左右,其中三个城市(张家口, 衡水和沧州)超过了80微克/立方米。

京津冀13市气象调整后8小时臭氧年平均浓度变化序列(微克/立方米)

与PM2.5等其它五种污染物的明显减少不同,京津冀地区臭氧污染近三年在不断加重。13个城市24小时臭氧的年平均浓度四年来上升了6.7微克/立方米,升幅为13.3%。其中北部地区浓度水平最高,增加幅度也最快。三个区域全年8小时臭氧浓度在2016年均超过70微克/立方米,其中夏季均超过107微克/立方米。

2017年情况不容乐观

在2017年春季,8小时臭氧浓度比2016年同期在三个区域均升高了7.5%以上。而在刚刚过去的夏季,8小时臭氧浓度又创出新高。京津冀13个城市经气象调整后的8小时臭氧夏季平均浓度首次超过120微克/立方米(国家一级标准为100微克/立方米),达到124微克/立方米的新高,较2016年同期上升了12%;相比2013年夏季区域平均浓度102微克/立方米,8小时臭氧夏季区域平均浓度5年中累计上升了21.6%。

需要警惕的是,虽然2013年京津冀整个区域夏季的8小时臭氧平均浓度超过了国家一级标准,但是,仍有承德、廊坊等5个城市符合这一标准。但到2017年夏季,京津冀13个城市的8小时臭氧夏季平均浓度首次全部超过了100微克/立方米的国家标准。北京今年夏季的8小时臭氧浓度为121微克/立方米,基本与去年同期持平。

京津冀三个区域气象调整后五种污染物年平均浓度时间序列(微克/立方米)

沿太行山脉:保定、石家庄、邢台、邯郸和衡水;

环渤海:唐山、天津、沧州,北京和廊坊;

北部:张家口、承德和秦皇岛

控制PM2.5和臭氧污染须双管齐下

京津冀区域是全国大气污染的重灾区。近年来,在PM2.5得到有效控制的同时,臭氧污染却越来越严重,成为不可忽视的污染问题,亟需采取有效措施控制其继续恶化。

京津冀13市PM2.52013-2016调整年均值变化图

京津冀13市臭氧2013-2016调整年均值变化图

不同于颗粒物,臭氧不降低能见度,因而不容易被察觉。过去4年颗粒物浓度的显著下降和臭氧浓度的大幅升高,也说明我们没有对臭氧污染给予足够的重视。如何在控制PM2.5浓度的同时遏制臭氧的增加,无疑是京津冀大气污染防治的当务之急。控制大气污染、改善空气质量需要进行系统化、全局化的计划和实施,不可顾此失彼。借鉴发达国家的发展历程,颗粒物污染和臭氧污染是城市发展过程中最容易遇到的问题。下一步,我们应该采取更加直接有效的措施来控制京津冀地区臭氧污染。我们建议像管控PM2.5一样,对京津冀地区乃至全国主要污染区域设定臭氧改善的具体数值目标,以便采取有力措施及时遏制污染趋势、有效降低臭氧浓度。

课题组成员

陈磊,北京大学光华管理学院博士研究生,主要完成人

郭斌,西南财经大学统计学院助理教授,主要完成人

黄家盛,北京大学数学学院博士研究生,主要完成人

张澍一,北京大学光华管理学院博士研究生

王恒放,Iowa State University统计系博士研究生

何婧,西南财经大学统计学院助理教授

陈松蹊,北京大学光华管理学院、统计科学中心讲席教授,课题负责人



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