山西省黑碳气溶胶污染特征与减排政策分析

崔琛

摘 要：黑碳（Black Carbon， BC）是PM2.5的重要组成成分，对气候、空气质量与人体健康都存在负面影响。为了了解山西省BC排放特征，识别重点排放时段与区域，本文基于MERRA-2再分析数据，探究了山西省BC浓度时空分布特征，并分析了山西省近年来环境空气质量控制政策，结论如下：①山西省BC浓度南高北低，全省年平均浓度为4.04 µg/m3;②BC浓度日变化特征明显，峰值出现在5：00—7：00，谷值出现在14：00—15：00，季节趋势为冬季>秋季>夏季>春季;③山西省BC减排措施主要集中在工业、居民区与交通排放部门。

关键词：黑碳;污染特征;山西;MERRA-2;减排措施

中图分类号：X513;F206     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）3-0128-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.030

Analysis on Pollution Characteristics and Emission Reduction Policies of Black Carbon in Shanxi

CUI Chen

（School of Geographic and Environmental Sciences， Tianjin Normal University， Tianjin 300387，China）

Abstract： Black carbon （BC） is an important component of PM2.5， which has negative impacts on global climate， air quality and human health. In order to understand BC emission characteristics in Shanxi and identify periods and areas of high BC emissions， based on the second Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications（MERRA-2） data， the spatial-temporal variances of BC concentrations in Shanxi in 2020 were discovered in this study， and the results are as follows：①BC concentrations were high in south part of Shanxi and low in the north part.Annual mean concentration was 4.04 µg/m3.②Characteristics of BC hourly variation were obvious. The peak values were at 5：00—7：00 and the valley values were at 14：00—15：00 in four seasons. BC concentrations were highest in winter， followed by autumn and summer， with lowest in spring. ③ The BC emission reduction policies were concentrated on industrial， residential and traffic emissions.

Keywords： Black Carbon; pollution characteristics; Shanxi; MERRA-2; emission reduction policies

0 引言

PM2.5是一種非均质的混合物。黑碳（Black Carbon，BC）是PM2.5的组分之一，是一种碳质颗粒，主要由化石燃料和生物质的不充分燃烧而产生，主要排放来源为居民区、交通及工业部门。BC的空气动力学直径很小，随着BC颗粒粒径的降低，其在大气中停留的能力增加，有助于BC的长距离输送[1]。BC气溶胶可影响气候变化，对光有很强的吸收性，能够吸收太阳辐射，加热大气，导致正向辐射强迫，是除了CO以外又一导致全球变暖的重要因素。BC颗粒物的排放增加也会降低区域空气质量，已发表的文献表明，BC气溶胶相比PM2.5具有更大的健康危害[2]。新鲜的BC颗粒具有多孔性，易于吸附其他有害污染物，进而损害人体健康。长期或短期暴露于BC污染，对人体心血管、呼吸系统与神经系统都有负面影响，如引起心率异常、血压升高、动脉粥样硬化、哮喘、呼吸道炎症及儿童和老年人认知能力下降等[3]。2021年9月，世界卫生组织发布了新的《全球空气质量指南》，收紧了几种主要污染物的排放标准，其中年均PM2.5指导值调整为5 μg/m，日均值调整为15 μg/m。《全球空气质量指南》中还提出，应对BC（或元素碳）进行系统性测量，编制排放清单，采取措施以减少BC排放，并酌情制定BC浓度标准。由于BC对气候、空气质量以及人体健康的影响，BC逐渐引起人们的关注，近年来关于BC的研究越来越多。本文基于MERRA-2（second Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications）数据，对山西省2020年BC质量浓度时空变化特征进行探究，并分析近年来为改善山西省空气质量的政策。

1 研究区概况

山西省位于第二阶梯东部，地形北高南低，大部分地区海拔在1 000 m以上，汾河穿过山西省中部地区，所过地带以盆地地形为主。山西省地处中纬度内陆地区，属温带、暖温带大陆性季风气候。《2020年山西省生态环境状况公报》显示，2020年山西省除大同市以外的10个地级市年空气质量都未达到《环境空气质量标准》所规定的二级标准，PM2.5年均浓度为44 µg/m，超过《环境空气质量标准》所规定的年平均浓度限值35 µg/m。2020年《中国生态环境状况公报》显示，在168个重点城市中，太原市环境空气质量综合指数排名倒数第三，运城市、阳泉市与晋城市空气质量综合指数也在倒数20位以内，山西省空气污染问题较为严重。11个地级市中，太原市、临汾市空气质量综合指数较高，空气污染较为严重。

2 数据来源与处理方法

MERRA-2是由美国航空航天局发布的最新一代大气再分析资料，它使用升级版本的戈达德地球观测系统模型（Goddard Earth Observing System Model， GEOS-5），为大气污染物、气象因子、云、辐射等提供了方便、易于获取的数据集。MERRA-2吸收了多种卫星数据和来自探空仪、飞机等的观测数据，对气象和气溶胶数据（包括自然与人为过程）进行同化和再处理，从而实现多源数据的统一整合[4]。2020年1月1日至2020年12月31日的BC地表质量浓度数据来自tavg1_2d_aer_Nx （M2T1NXAER）数据集。原始数据空间分辨率为0.5°×0.625°，时间分辨率为1 h。MERRA-2数据采用国际区时（Coordinated Universal Time， UTC），本研究将国际区时小时浓度转换为中国标准时间（China Standard Time， CST）小时浓度值，在此基础上分析BC浓度时空变化趋势。

已有文献验证了MERRA-2数据中BC质量浓度的准确性。Zhao等对比了天津市BC监测数据与MERRA-2数据集中的BC浓度数据，结果显示BC观测数据与MERRA-2数据相关性较高（R=0.72），但是MERRA-2数据集的BC平均浓度比监测数据高出105.85%[5]。Xu等采用14个监测点测量的BC浓度数据对中国东部地区2006—2016年MERRA-2数据进行了对比验证，结果表明MERRA-2数据集中的BC浓度总体上低于BC监测数据。MERRA-2数据中BC月均数据与监测数据有较高的相关性（R=0.83）与较低的偏差（RMSE=1.56 µg/m），其中，山西榆社监测点测量的BC月均浓度数据与MERRA-2数据相关性较高（R=0.73）[6]。尽管MERRA-2数据集不能非常准确地模拟出BC的质量浓度，但由于其与监测数据的高相关性，因此可运用MERRA-2数据对山西省BC质量浓度变化趋势特征进行分析。

3 结果与讨论

3.1 山西省2020年BC浓度空间分布特征

通过图1可以看出，山西省BC浓度南高北低，从北方地区向南方地区逐渐升高，中部地级市为过渡带。大同市、朔州市与忻州市BC年均浓度在3 µg/m3以下;吕梁市、阳泉市、太原市与晋中市大部分地区BC浓度较低，而吕梁市、太原市及晋中市三市交界处BC浓度较高;南部四市中除临汾市西部地区浓度较低外，长治市、运城市与晋城市都被高浓度BC所环绕，年均BC浓度最高接近8 µg/m3。山西省年均质量浓度为4.04 µg/m3。

山西省BC浓度空间分布格局与PM2.5浓度分布格局基本一致，陈辉等的研究表明山西省PM2.5浓度呈南高北低的分布趋势[7]，BC作为PM2.5的组分之一，质量浓度与PM2.5质量浓度有一定的相关性。由清华大学开发并维护的中国多尺度排放清单模型（Multi-resolution Emission Inventory for China，MEIC）提供了中国高分辨率人为源大气污染排放清单（目前更新到2017年）。MEIC显示，山西省2017年BC排放分布格局也为南高北低，因此人为排放是BC浓度空間分布趋势的重要影响因素。山西省南部高BC浓度除本地排放外，还可能源于区域传输。MEIC显示，河北南部、河南北部BC排放量也相对较高。由于BC粒径较小，易于进行远距离传输，河南北部与河北南部的BC气溶胶也可能对山西省南部高BC浓度有一定贡献。另外，山西省BC分布格局也可能受盛行风向、风速、降水等多个气象要素综合影响。

3.2 山西省2020年BC浓度时间变化趋势

山西省2020年分季节一日内BC浓度变化趋势如图2所示。通过图2可以看出，BC浓度小时变化特征明显，在一日内呈现“一峰一谷”的趋势，峰值出现在早上5：00—7：00，夏季峰值出现时刻最早，为5：00，秋、冬季峰值出现时间最晚，为7：00。道路交通早高峰时间一般在早上5：00—9：00，早晨BC浓度峰值的出现与公众上班出行时间基本吻合。夏季与冬季峰值浓度在时刻上的差异主要是由于冬季公众出行时间推后，导致道路交通污染时间后移。结合BC小时浓度与人类活动出行时间可推断，BC浓度峰值的出现可能与交通排放有密切关系。四季BC小时浓度谷值都出现在14：00—15：00，此时交通污染减少可能是BC浓度降低的原因。夜间BC浓度普遍较高，可能是由于物流货运车辆在夜间行驶较多，且大型货车中柴油车占比较高，而夜间大气边界层高度降低，且逆温一般发生在夜晚和早晨，影响了污染物的扩散。这一变化趋势与Zhao[5]和关亚楠[8]分别在天津市与石家庄市的研究基本一致。

图3显示了山西省2020年BC日均与月均浓度变化趋势。BC浓度在5月最低，1月最高。BC气溶胶在春夏秋冬四季的平均浓度分别为3.15 µg/m、3.45 µg/m、4.45 µg/m和5.11 µg/m，变化趋势为冬季>秋季>夏季>春季，春夏季浓度较低，秋冬季浓度较高。这一变化趋势主要是因为春夏季气温较高、降水较频繁，边界层高度高，大气垂直与水平扩散明显，从而降低了污染水平。而冬季由于混合层高度低，逆温时有发生，空气层界稳定，从而阻碍了污染物向周围地区的扩散过程，导致冬季BC浓度较高。从人为活动的影响方面看，在农村地区，秋收时期存在露天焚烧秸秆的现象，冬季北方地区燃煤取暖，也增加了秋冬季BC浓度。

4 山西省BC浓度减排措施分析

BC气溶胶产生于生物质与化石燃料的不充分燃烧。MEIC清单显示，山西省2017年总BC排放为6.3万t，其中居民源排放最多，为2.8万t，工业源排放为2.6万t，交通源排放为1.0万t。山西省是煤炭大省，大量的煤炭消耗导致BC排放量较高。《山西统计年鉴2021》显示，2020年山西省煤炭消费量为36 186万t，其中生产建设煤炭消费量占比最多，为35 813万t，生活用煤炭消费量为373万t。对比2010年，煤炭消费量增加了约28.4%。在农村地区，家庭取暖或烹饪过程中直接燃烧固体燃料是BC的主要来源，城市地区以柴油发动机为主的交通排放也是BC颗粒的主要贡献[9]。近年来，山西省政府为控制省内空气质量采取了一系列措施。2020年印发《山西省打赢蓝天保卫战2020年决战计划》，致力于空气污染防治。

在工业生产方面，继续优化产业结构和布局，整治“散乱污”企业，关停焦化产能落后企业，整治钢铁企业排放。为重点企业实施冬季采暖季错峰生产，对传统产业升级改造。在山西省目前的工业生产能源消费结构中，煤炭仍是主要的能源。政府鼓励工业企业选用清洁能源，减少大气污染物排放，减少环境污染。山西省工业较为发达，但也随之带来了环境污染。实现经济健康绿色发展是目前的主要目标。

在居民生活方面，山西省划分了8个重点城市，鼓励并促进冬季清洁取暖代替散煤燃烧。冬季取暖一直是北方地区冬季的重要大气污染来源，散煤在室内的不充分燃烧更增加了BC气溶胶浓度。块煤、烟煤散烧所产生的环境污染大于无烟煤与蜂窝煤，采取政策鼓励采用蜂窝煤代替块煤、烟煤，大力发展集中供暖与清洁取暖能有效改善冬季污染物排放严重的问题。随着近年来冬季采暖燃烧控制政策的实施，2020年山西省生活用煤量相比2017年下降了61.9%。

交通污染方面，监控柴油车重点排放路段，加强力度监管车辆燃油品质，淘汰不符合排放标准的柴油车，并大力推广新能源汽车。交通尾气排放是城市地区BC排放的主要来源[9]，一辆近乎报废的柴油车辆的尾气排放相比新车高出几百倍，因此淘汰重污染柴油车能有效降低污染物排放量。

5 结语

①山西省BC浓度空间分布呈现南高北低的分布趋势，晋城市、运城市和长治市三市大部分地区，以及吕梁市、太原市及晋中三市交界处BC污染较严重。山西省BC年平均浓度为4.04 µg/m3。

②BC日变化趋势呈现明显的“一峰一谷”，峰值出现在早上5：00—7：00，谷值出现在14：00—15：00。山西省1月BC浓度最高，5月最低。季节变化趋势为冬季>秋季>夏季>春季。

③近年来，山西省在环境空气质量控制方面的政策性减排措施主要集中在工业、居民生活源与交通源排放的控制上，且取得了一定的成效。

参考文献：

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