唐 倩 金玲玲 徐圣辰 王曉元,2# 徐冰燁 田旭東 江 飛

(1.浙江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,浙江 杭州 310012;2.浙江省生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012;3.南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,江蘇 南京 210046)

秋冬季區(qū)域性細(xì)顆粒物(PM2.5)污染問(wèn)題是我國(guó)主要的大氣環(huán)境問(wèn)題之一[1-4]。PM2.5污染不僅會(huì)降低大氣能見(jiàn)度[5],還會(huì)損害人體健康[6],進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展[7]。近年,隨著《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》等一系列大氣污染防治政策措施實(shí)施,我國(guó)空氣質(zhì)量顯著改善,但部分地區(qū)PM2.5重污染仍時(shí)有發(fā)生,污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻[8-14]。

PM2.5的來(lái)源行業(yè)和來(lái)源區(qū)域復(fù)雜,量化評(píng)估不同行業(yè)、不同區(qū)域減排對(duì)PM2.5污染的改善效果,可為制定精準(zhǔn)高效的排放控制策略提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)支撐[15-16]。以WRF-CMAQ模型為代表的三維空氣質(zhì)量模型可靈活設(shè)置模擬方案,再現(xiàn)大氣污染過(guò)程,定量比較不同減排方案的減排效果,是應(yīng)用非常廣泛的空氣質(zhì)量評(píng)估模型[17]。劉暢等[18]、麥健華等[19]和張巍等[20]分別對(duì)武漢市、中山市和四川盆地的一次典型污染過(guò)程進(jìn)行了減排效果評(píng)估,探討了不同行業(yè)的不同減排方案效果。通常,區(qū)域協(xié)同減排效果比城市單獨(dú)減排效果更好[21]。

浙江省2018年開(kāi)始實(shí)施《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》,持續(xù)深化污染物減排,環(huán)境空氣質(zhì)量逐年改善[22]。2017年12月30日至2018年1月2日出現(xiàn)的PM2.5重污染過(guò)程是浙江省最近的一次區(qū)域PM2.5重污染過(guò)程,2017年12月31日有5個(gè)地市(湖州市、嘉興市、杭州市、紹興市和寧波市)達(dá)到了重度污染水平,其中湖州市和嘉興市的PM2.5日均質(zhì)量濃度分別達(dá)到了233、236 μg/m3。

對(duì)歷史污染過(guò)程進(jìn)行分析,可以為今后制定精準(zhǔn)、高效的減排方案提供科學(xué)依據(jù)。本研究設(shè)計(jì)了不同行業(yè)、不同區(qū)域精細(xì)化的減排方案,采用WRF-CMAQ 模型模擬不同減排方案下各地市在2017年12月29日至2018年1月2日的PM2.5污染過(guò)程中PM2.5濃度變化情況,評(píng)估城市單獨(dú)減排和區(qū)域協(xié)同減排方案效果。

1 方 法

1.1 模型設(shè)置

WRF-CMAQ模型采用WRF V3.9氣象模式(垂直方向分35層),CMAQ V5.0.2空氣質(zhì)量模式(垂直方向分16層),設(shè)置兩層嵌套:外層區(qū)域覆蓋全國(guó),分辨率為27 km;內(nèi)層區(qū)域覆蓋長(zhǎng)三角地區(qū),包括江蘇省、浙江省、安徽省和上海市,分辨率為9 km。地表數(shù)據(jù)和邊界層參數(shù)本地化參照文獻(xiàn)[21]。長(zhǎng)三角地區(qū)人為源排放使用上海市環(huán)境科學(xué)研究院的2017年長(zhǎng)三角地區(qū)高分辨率(1 km)大氣污染物排放清單,包括9類一級(jí)排放源,36類二級(jí)排放源,127類三級(jí)排放源[23];長(zhǎng)三角以外地區(qū)人為源排放使用清華大學(xué)的2017年中國(guó)多尺度排放清單模型(MEIC)數(shù)據(jù)。

1.2 減排方案設(shè)置

本研究模擬時(shí)段從2017年12月29日0時(shí)開(kāi)始,即向前延伸1 d,至2018年1月2日23時(shí)結(jié)束。2017年12月29日,浙江省空氣質(zhì)量總體以優(yōu)良為主。12月30日,受西北弱冷空氣影響伴隨有大氣污染物輸入,浙北地區(qū)空氣質(zhì)量出現(xiàn)輕度至中度污染。12月31日轉(zhuǎn)為高壓中心控制,出現(xiàn)靜風(fēng)條件,擴(kuò)散不利,污染帶擴(kuò)大到浙中地區(qū),并與本地污染疊加,湖州市、嘉興市、杭州市、紹興市和寧波市達(dá)到重度污染,金華市、舟山市和臺(tái)州市也到了中度污染。2018年1月1日為弱高壓中心控制,污染消除緩慢,湖州市仍為重度污染,嘉興市、杭州市和紹興市為中度污染,其他地市都有輕度污染。1月2日在新一輪潔凈冷空氣影響下,除杭州市為輕度污染外,其他地市又回到了優(yōu)良。

設(shè)定減排方案時(shí),針對(duì)浙江省11個(gè)地市污染物排放量較大的電廠、水泥、鋼鐵、工藝過(guò)程、工業(yè)溶劑使用、工業(yè)燃燒、道路交通、非道路交通、道路沙塵和民用溶劑使用10個(gè)行業(yè)污染源進(jìn)行PM2.5減排。減排方案根據(jù)各地市實(shí)際排放量和可減排潛力確定。城市單獨(dú)減排方案分3個(gè)等級(jí),相應(yīng)減排比率如表1所示。區(qū)域協(xié)同減排時(shí)各地市的減排比率會(huì)有所不同,污染源排放量大的地市減排比率更高,區(qū)域協(xié)同減排方案中各地市3個(gè)等級(jí)的減排比率分別見(jiàn)表2至表4。減排方案的目標(biāo)是使空氣質(zhì)量等級(jí)向好轉(zhuǎn)一級(jí)及以上。

表1 城市單獨(dú)減排方案各行業(yè)減排比率Table 1 Emission reduction rate of different industries in single city reduction plan %

表2 區(qū)域協(xié)同減排的一級(jí)減排方案減排比率Table 2 Emission reduction rate of Level 1 in regional synergy reduction plan %

表3 區(qū)域協(xié)同減排的二級(jí)減排方案減排比率Table 3 Emission reduction rate of Level 2 in regional synergy reduction plan %

表4 區(qū)域協(xié)同減排的三級(jí)減排方案減排比率Table 4 Emission reduction rate of Level 3 in regional synergy reduction plan %

區(qū)域協(xié)同減排時(shí)按照污染嚴(yán)重程度將浙江省11個(gè)地市分為兩類:湖州市、嘉興市、杭州市、紹興市和寧波市為污染較重的協(xié)同減排核心地市,此次污染過(guò)程中最大日均PM2.5質(zhì)量濃度均大于180 μg/m3;金華市、衢州市、臺(tái)州市、溫州市、舟山市和麗水市為污染較輕的協(xié)同減排周邊地市。依照核心地市減排比率不低于周邊地市的原則設(shè)定了 7個(gè)區(qū)域協(xié)同減排方案;11個(gè)地市分別單獨(dú)開(kāi)展3級(jí)減排,共33個(gè)城市單獨(dú)減排方案;基準(zhǔn)方案不進(jìn)行減排?？傆?jì)設(shè)置了41個(gè)減排方案(見(jiàn)表5)。

表5 減排方案設(shè)計(jì)Table 5 Design cases of emission reduction plans

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

基準(zhǔn)方案下對(duì)比浙江省11個(gè)地市2017年12月29日至2018年1月2日PM2.5日均濃度的模擬值與觀測(cè)值發(fā)現(xiàn),模擬值與觀測(cè)值的線性相關(guān)系數(shù)(R2)達(dá)到0.90,平均偏差為-8 μg/m3,平均相對(duì)偏差為-9%。表明模型對(duì)PM2.5日均濃度的變化趨勢(shì)可以較好地模擬,總體模擬值會(huì)略低于觀測(cè)值,高值時(shí)誤差相對(duì)大一些。但總體而言,模型結(jié)果是可靠的,可以作為減排效果評(píng)估的工具。

2.2 城市單獨(dú)減排效果評(píng)估

城市單獨(dú)減排效果如表6所示。城市單獨(dú)減排對(duì)其他地市的影響較小,這里暫不討論。由表6可見(jiàn),隨著減排強(qiáng)度的升級(jí),減排效果有逐步提升的趨勢(shì),但是各地市之間的減排效果差異較大。寧波市單獨(dú)減排的效果最好,一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)減排方案下PM2.5質(zhì)量濃度分別降低了15、22、31 μg/m3,削減比例分別達(dá)到16%、24%、34%。其他地市單獨(dú)減排,一級(jí)減排PM2.5質(zhì)量濃度降低1～7 μg/m3,削減比例1%～9%;二級(jí)減排PM2.5降低1～10 μg/m3,削減比例2%～10%;三級(jí)減排PM2.5降低1～16 μg/m3,削減比例3%～16%。

表6 城市單獨(dú)減排效果1)Table 6 Result of single city reduction plans

從PM2.5平均濃度對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量等級(jí)改善情況來(lái)看,二級(jí)和三級(jí)減排方案下也只有寧波市和金華市空氣質(zhì)量等級(jí)由輕度污染變?yōu)榱?其他地市空氣質(zhì)量等級(jí)并沒(méi)有明顯改善,這說(shuō)明還需要進(jìn)一步加大減排力度,開(kāi)展區(qū)域協(xié)同減排十分必要。

2.3 區(qū)域協(xié)同減排效果評(píng)估

區(qū)域協(xié)同減排效果如表7所示。區(qū)域協(xié)同減排的效果好于各地市單獨(dú)減排,特別是對(duì)于湖州市、嘉興市、杭州市和紹興市4個(gè)核心地市,寧波市由于單獨(dú)減排效果明顯,協(xié)同減排對(duì)其影響相對(duì)較小。核心地市采取的減排方案對(duì)于區(qū)域的減排效果影響很大。比如,當(dāng)核心地市二級(jí)減排時(shí),周邊地市由一級(jí)減排提升到二級(jí)減排,PM2.5減排量幾乎不變;同樣,當(dāng)核心地市三級(jí)減排時(shí),周邊地市從不減排到三級(jí)減排,PM2.5減排量變化也不大。而核心地市三級(jí)減排,周邊城市一級(jí)減排即可使5個(gè)核心地市PM2.5質(zhì)量濃度降低25%以上,嘉興市、紹興市、寧波市和金華市空氣質(zhì)量等級(jí)可變?yōu)榱肌?/p>

表7 區(qū)域協(xié)同減排效果Table 7 Result of regional synergy reduction plans

文獻(xiàn)[21]開(kāi)展長(zhǎng)三角地區(qū)一次重污染過(guò)程的模擬研究也表明,區(qū)域協(xié)同減排方案比城市單獨(dú)減排方案效果更顯著,與本研究結(jié)論一致,但該研究區(qū)域協(xié)同減排時(shí)所有地市均采取同樣的減排比率,而本研究開(kāi)展區(qū)域協(xié)同減排時(shí)更加精細(xì)化地考慮不同地市減排比率差異,使減排方案更具有針對(duì)性和可行性。

2.4 區(qū)域協(xié)同控制

從城市單獨(dú)減排和區(qū)域協(xié)同減排的效果可以看出,各地市減排效果差異很大,這主要與各地市PM2.5來(lái)源差異有關(guān)。有些地市的PM2.5主要受本地排放影響,因此城市單獨(dú)減排效果比較明顯;有些地市受外來(lái)輸送影響較大,因此區(qū)域協(xié)同減排效果更明顯。利用城市單獨(dú)減排對(duì)其他地市PM2.5濃度的影響模擬結(jié)果,得到各地市PM2.5來(lái)源比例分布,如圖1所示。各地市PM2.5來(lái)源差異大與污染過(guò)程的氣象條件、地理位置、產(chǎn)業(yè)分布有密切關(guān)系。此次污染過(guò)程前期受西北弱冷空氣影響,上風(fēng)向的地市如湖州市、杭州市和紹興市以外來(lái)污染輸入為主,受到周邊地區(qū)污染排放的影響較大。以杭州市為例,杭州市本地排放的貢獻(xiàn)率只有30%。下風(fēng)向的地市如嘉興市、寧波市、金華市和溫州市等受到上風(fēng)向的影響較晚,而之后天氣形勢(shì)轉(zhuǎn)為靜穩(wěn),因此本地排放的來(lái)源比例較高。舟山市和麗水市,本地大氣污染物排放較少,此次污染過(guò)程中主要受到浙江省外的污染輸入影響,因此本地減排和省內(nèi)區(qū)域協(xié)同減排效果均不明顯。

圖1 各地市PM2.5來(lái)源分布Fig.1 PM2.5 source proportions in each prefecture-level city

3 結(jié) 論

利用WRF-CMAQ模型對(duì)2017年12月29日至2018年1月2日浙江省一次PM2.5污染過(guò)程進(jìn)行區(qū)域協(xié)同減排效果評(píng)估。各地市單獨(dú)減排僅寧波市效果較好。區(qū)域協(xié)同減排效果優(yōu)于各地市單獨(dú)減排。分析各地市PM2.5的來(lái)源發(fā)現(xiàn),嘉興市、寧波市、金華市和溫州市PM2.5以本地來(lái)源為主;湖州市、杭州市和紹興市,以外來(lái)污染輸入為主。各地市減排效果與污染過(guò)程的氣象條件、地理位置、產(chǎn)業(yè)分布有密切關(guān)系,建議根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更加精細(xì)化的區(qū)域協(xié)同減排,使減排方案更具有針對(duì)性和可行性。