浙江省一次细颗粒物重污染过程的区域协同减排效果评估*

唐 倩 金玲玲 徐圣辰 王晓元,2# 徐冰烨 田旭东 江 飞

(1.浙江省生态环境监测中心,浙江 杭州 310012;2.浙江省生态环境大数据重点实验室,浙江 杭州 310012;3.南京大学国际地球系统科学研究所,江苏 南京 210046)

秋冬季区域性细颗粒物(PM2.5)污染问题是我国主要的大气环境问题之一[1-4]。PM2.5污染不仅会降低大气能见度[5],还会损害人体健康[6],进而影响经济发展[7]。近年,随着《大气污染防治行动计划》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等一系列大气污染防治政策措施实施,我国空气质量显著改善,但部分地区PM2.5重污染仍时有发生,污染形势依然严峻[8-14]。

PM2.5的来源行业和来源区域复杂,量化评估不同行业、不同区域减排对PM2.5污染的改善效果,可为制定精准高效的排放控制策略提供基础数据和科学支撑[15-16]。以WRF-CMAQ模型为代表的三维空气质量模型可灵活设置模拟方案,再现大气污染过程,定量比较不同减排方案的减排效果,是应用非常广泛的空气质量评估模型[17]。刘畅等[18]、麦健华等[19]和张巍等[20]分别对武汉市、中山市和四川盆地的一次典型污染过程进行了减排效果评估,探讨了不同行业的不同减排方案效果。通常,区域协同减排效果比城市单独减排效果更好[21]。

浙江省2018年开始实施《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,持续深化污染物减排,环境空气质量逐年改善[22]。2017年12月30日至2018年1月2日出现的PM2.5重污染过程是浙江省最近的一次区域PM2.5重污染过程,2017年12月31日有5个地市(湖州市、嘉兴市、杭州市、绍兴市和宁波市)达到了重度污染水平,其中湖州市和嘉兴市的PM2.5日均质量浓度分别达到了233、236 μg/m3。

对历史污染过程进行分析,可以为今后制定精准、高效的减排方案提供科学依据。本研究设计了不同行业、不同区域精细化的减排方案,采用WRF-CMAQ 模型模拟不同减排方案下各地市在2017年12月29日至2018年1月2日的PM2.5污染过程中PM2.5浓度变化情况,评估城市单独减排和区域协同减排方案效果。

1 方 法

1.1 模型设置

WRF-CMAQ模型采用WRF V3.9气象模式(垂直方向分35层),CMAQ V5.0.2空气质量模式(垂直方向分16层),设置两层嵌套:外层区域覆盖全国,分辨率为27 km;内层区域覆盖长三角地区,包括江苏省、浙江省、安徽省和上海市,分辨率为9 km。地表数据和边界层参数本地化参照文献[21]。长三角地区人为源排放使用上海市环境科学研究院的2017年长三角地区高分辨率(1 km)大气污染物排放清单,包括9类一级排放源,36类二级排放源,127类三级排放源[23];长三角以外地区人为源排放使用清华大学的2017年中国多尺度排放清单模型(MEIC)数据。

1.2 减排方案设置

本研究模拟时段从2017年12月29日0时开始,即向前延伸1 d,至2018年1月2日23时结束。2017年12月29日,浙江省空气质量总体以优良为主。12月30日,受西北弱冷空气影响伴随有大气污染物输入,浙北地区空气质量出现轻度至中度污染。12月31日转为高压中心控制,出现静风条件,扩散不利,污染带扩大到浙中地区,并与本地污染叠加,湖州市、嘉兴市、杭州市、绍兴市和宁波市达到重度污染,金华市、舟山市和台州市也到了中度污染。2018年1月1日为弱高压中心控制,污染消除缓慢,湖州市仍为重度污染,嘉兴市、杭州市和绍兴市为中度污染,其他地市都有轻度污染。1月2日在新一轮洁净冷空气影响下,除杭州市为轻度污染外,其他地市又回到了优良。

设定减排方案时,针对浙江省11个地市污染物排放量较大的电厂、水泥、钢铁、工艺过程、工业溶剂使用、工业燃烧、道路交通、非道路交通、道路沙尘和民用溶剂使用10个行业污染源进行PM2.5减排。减排方案根据各地市实际排放量和可减排潜力确定。城市单独减排方案分3个等级,相应减排比率如表1所示。区域协同减排时各地市的减排比率会有所不同,污染源排放量大的地市减排比率更高,区域协同减排方案中各地市3个等级的减排比率分别见表2至表4。减排方案的目标是使空气质量等级向好转一级及以上。

表1 城市单独减排方案各行业减排比率Table 1 Emission reduction rate of different industries in single city reduction plan %

表2 区域协同减排的一级减排方案减排比率Table 2 Emission reduction rate of Level 1 in regional synergy reduction plan %

表3 区域协同减排的二级减排方案减排比率Table 3 Emission reduction rate of Level 2 in regional synergy reduction plan %

表4 区域协同减排的三级减排方案减排比率Table 4 Emission reduction rate of Level 3 in regional synergy reduction plan %

区域协同减排时按照污染严重程度将浙江省11个地市分为两类:湖州市、嘉兴市、杭州市、绍兴市和宁波市为污染较重的协同减排核心地市,此次污染过程中最大日均PM2.5质量浓度均大于180 μg/m3;金华市、衢州市、台州市、温州市、舟山市和丽水市为污染较轻的协同减排周边地市。依照核心地市减排比率不低于周边地市的原则设定了 7个区域协同减排方案;11个地市分别单独开展3级减排,共33个城市单独减排方案;基准方案不进行减排。总计设置了41个减排方案(见表5)。

表5 减排方案设计Table 5 Design cases of emission reduction plans

2 结果与讨论

2.1 模型验证

基准方案下对比浙江省11个地市2017年12月29日至2018年1月2日PM2.5日均浓度的模拟值与观测值发现,模拟值与观测值的线性相关系数(R2)达到0.90,平均偏差为-8 μg/m3,平均相对偏差为-9%。表明模型对PM2.5日均浓度的变化趋势可以较好地模拟,总体模拟值会略低于观测值,高值时误差相对大一些。但总体而言,模型结果是可靠的,可以作为减排效果评估的工具。

2.2 城市单独减排效果评估

城市单独减排效果如表6所示。城市单独减排对其他地市的影响较小,这里暂不讨论。由表6可见,随着减排强度的升级,减排效果有逐步提升的趋势,但是各地市之间的减排效果差异较大。宁波市单独减排的效果最好,一级、二级和三级减排方案下PM2.5质量浓度分别降低了15、22、31 μg/m3,削减比例分别达到16%、24%、34%。其他地市单独减排,一级减排PM2.5质量浓度降低1～7 μg/m3,削减比例1%～9%;二级减排PM2.5降低1～10 μg/m3,削减比例2%～10%;三级减排PM2.5降低1～16 μg/m3,削减比例3%～16%。

表6 城市单独减排效果1)Table 6 Result of single city reduction plans

从PM2.5平均浓度对应的空气质量等级改善情况来看,二级和三级减排方案下也只有宁波市和金华市空气质量等级由轻度污染变为良,其他地市空气质量等级并没有明显改善,这说明还需要进一步加大减排力度,开展区域协同减排十分必要。

2.3 区域协同减排效果评估

区域协同减排效果如表7所示。区域协同减排的效果好于各地市单独减排,特别是对于湖州市、嘉兴市、杭州市和绍兴市4个核心地市,宁波市由于单独减排效果明显,协同减排对其影响相对较小。核心地市采取的减排方案对于区域的减排效果影响很大。比如,当核心地市二级减排时,周边地市由一级减排提升到二级减排,PM2.5减排量几乎不变;同样,当核心地市三级减排时,周边地市从不减排到三级减排,PM2.5减排量变化也不大。而核心地市三级减排,周边城市一级减排即可使5个核心地市PM2.5质量浓度降低25%以上,嘉兴市、绍兴市、宁波市和金华市空气质量等级可变为良。

表7 区域协同减排效果Table 7 Result of regional synergy reduction plans

文献[21]开展长三角地区一次重污染过程的模拟研究也表明,区域协同减排方案比城市单独减排方案效果更显著,与本研究结论一致,但该研究区域协同减排时所有地市均采取同样的减排比率,而本研究开展区域协同减排时更加精细化地考虑不同地市减排比率差异,使减排方案更具有针对性和可行性。

2.4 区域协同控制

从城市单独减排和区域协同减排的效果可以看出,各地市减排效果差异很大,这主要与各地市PM2.5来源差异有关。有些地市的PM2.5主要受本地排放影响,因此城市单独减排效果比较明显;有些地市受外来输送影响较大,因此区域协同减排效果更明显。利用城市单独减排对其他地市PM2.5浓度的影响模拟结果,得到各地市PM2.5来源比例分布,如图1所示。各地市PM2.5来源差异大与污染过程的气象条件、地理位置、产业分布有密切关系。此次污染过程前期受西北弱冷空气影响,上风向的地市如湖州市、杭州市和绍兴市以外来污染输入为主,受到周边地区污染排放的影响较大。以杭州市为例,杭州市本地排放的贡献率只有30%。下风向的地市如嘉兴市、宁波市、金华市和温州市等受到上风向的影响较晚,而之后天气形势转为静稳,因此本地排放的来源比例较高。舟山市和丽水市,本地大气污染物排放较少,此次污染过程中主要受到浙江省外的污染输入影响,因此本地减排和省内区域协同减排效果均不明显。

图1 各地市PM2.5来源分布Fig.1 PM2.5 source proportions in each prefecture-level city

3 结 论

利用WRF-CMAQ模型对2017年12月29日至2018年1月2日浙江省一次PM2.5污染过程进行区域协同减排效果评估。各地市单独减排仅宁波市效果较好。区域协同减排效果优于各地市单独减排。分析各地市PM2.5的来源发现,嘉兴市、宁波市、金华市和温州市PM2.5以本地来源为主;湖州市、杭州市和绍兴市,以外来污染输入为主。各地市减排效果与污染过程的气象条件、地理位置、产业分布有密切关系,建议根据实际情况进行更加精细化的区域协同减排,使减排方案更具有针对性和可行性。