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一文看懂中国雾霾的成因、危害和解决方案

北京近半月以来都属于无霾或者轻度污染的天气。其实,通过提前预测预警来加强局地污染控制,是可以在一定程度上减轻北京等地区的大气污染。例如,北京奥运会时段采取了单双号黄标车限行等措施,该时段的大气污染物粒子就非常少,本文有更详细的论述。这篇文章,是中国科学院“大气灰霾溯源”项目负责人、中科院大气物理研究所王跃思研究员在2013年参加北京国际能源专家俱乐部一场雾霾沙龙上做的分享,虽然已是旧文,但小编通过对比数据发现,2010~2014年北京空气质量状态比例的变化并不大(文末附北大科学统计中心数据)。这篇报告中的观点和思路仍非常值得分享。王跃思研究员的主要观点如下:

1 雾霾的化学组成成分极其复杂

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(图片来源:合肥市环保局网站)

 

雾霾是指各种源排放的污染物(气体和颗粒物如CO、SO2、NOx、NH3、VOCs、PM),在特定的大气流场条件下,经过一系列物理化学过程,形成的细粒子,并与水汽相互作用导致的大气消光现象。大气污染中涉及到的颗粒物,一般指粒径介于0.01~100μm的粒子,PM2.5是指空气动力学直径小于或者等于2.5微米的大气颗粒物(气溶胶)的总称,学名为大气细粒子。PM2.5组成极其复杂,几乎包含元素周期表所有元素,涉及30000种以上有机和无机化合物(包括硫酸盐、硝酸盐、氨盐、有机物、碳黑、重金属等),真是“小粒子、大世界”。PM2.5直接排放少,以排放源一次排放的气体通过物理和光化学过程生成的二次粒子为主。

2 雾霾对气候、环境、人体健康均有较大影响

雾霾中PM1~2.5影响较大,PM2.5~10即出现沙尘。雾霾造成气候、环境、健康等方面的负面影响:

PM2.5浓度的增加可能是极端天气事件增加的原因。PM2.5影响大气辐射平衡,导致地面越来越冷、大气越来越热,严重影响区域和全球气候变化,可能加剧区域大气层加热效应、增加极端气候事件。

细粒子污染是全球性重要环境问题之一,从1975年以来全球范围内,除欧洲以外,细粒子浓度都在明显上升。PM2.5浓度的增加会引起城市大气酸雨、光化学烟雾现象,导致大气能见度下降,阻碍空中、水面和陆面交通。

霾含湿度比较高,可以直接传染细菌和病毒。PM2.5又称为可入肺颗粒,能够直接进入人体肺泡甚至血液系统中,直接导致心血管病等疾病。PM2.5的比表面积较大,通常富集各种重金属元素和有机污染物,这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质,危害极大。PM2.5污染会增加重病及慢性病患者的死亡率,使呼吸系统及心脏系统疾病恶化,改变肺功能及结构,改变人体免疫结构。中科院研究已经基本证明大气污染与呼吸道疾病死亡率正相关。北京市近年肺癌患病率显著提高,2012年平均每天确诊104个肺癌病人。对广州市肺癌致死率与灰霾关系的研究表明,考虑7年滞后期,肺癌致死率和气溶胶消光系数的相关系数高达0.97。

3 雾霾90%来自人类经济社会活动

约10%的雾霾是自然排放,其他近90%来自人为排放,直接来自人类的经济社会活动。对北京2013年1月五次强霾污染分析得出,大气污染物包括有机碳、元素碳、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、扬尘等。硫酸盐、硝酸盐和铵盐是基于一次排放的二氧化硫(SO2), 氮氧化物(NOx)和氨气(NH3)气体经过化学反应形成。挥发性有机物(包括来自烹饪源的油烟型有机物、来自于汽车尾气烃类有机颗粒物、来自光化学反应的氮富集有机物、和从北京周边输送过来的氧化型有机颗粒物),在大量二氧化硫和氮氧化物的作用下发生反应,向二次有机气溶胶转化,产生更加具毒性的细颗粒污染物。它们是上世纪中期美国南加州光化学烟雾的主要成分。

这些污染物都和人类的生产和生活活动息息相关。对北京PM2.5排放源分析发现燃煤、机动车为最主要来源。

北京年平均PM2.5排放中,燃煤占26%,机动车19%,餐饮11%,工业10%。1月的强霾中,北京机动车排放贡献最大,占25%,其次为燃煤19%和外来输送19%;京津冀地区的主要污染来源则是燃煤34%、机动车16%和工业15%。此外,河北和天津地区的燃煤、化工、重金属冶炼都是重金属污染的来源。北京城市大量的机动车排放是造成NOx大气浓度上升的原因,也是硝酸盐同步上升的原因之一。白天NO2浓度出现高值,并同步出现硝酸盐浓度高值,但北京机动车NOx排放造成的危害远非生成了无机硝酸盐,更可怕的是生成了大量的含氮有机颗粒物。白天生成的硝酸盐夜间在高浓度SO2和硫酸盐的作用下向致癌物亚硝酸盐转化。

4 北京强霾有天气条件、周边沙尘、局地排放、大气环流等主要成因

天气原因主要包括静风稳定天气加上高湿、混合层薄、逆温强度大等气象条件。受低压辐合或均压场的影响,天气系统较弱,近地面大气稳定,风速较小,并以弱偏南风为主,湿度较大,且逆温层厚度大(500m-1km)、强度强(逆温温差5~10℃),进一步阻碍了空气对流,导致区域和局地排放的污染物迅速累积,空气污染严重。

近周边沙尘区域输送,京津冀近周边的沙尘层引发污染,输送至本地,与本地的污染大陆性气溶胶混合,加重污染;

局地排放,包括:一是大量机动车排放造成硝酸盐上升;二是周边输送来的燃煤SO2排放造成硫酸盐上升;三是光化学产物、局地烹饪、汽车尾气等造成的挥发性有机物转化为二次有机气溶胶;

大气纬向环流和气候变化导致的北半球平流层升温,使污染物向北半球中纬度区域聚拢,使中国区域大气污染程度加剧。

5 中国雾霾成因有季节性变化

在春季,远程沙尘输送、局地扬尘、城市酸性气体和空气中较多的水分也会方便霾的形成。

在夏季,高温、高辐射气候加上高湿天气会促进污染物的光化学反映和吸湿性增长。

在秋季,白天强烈辐射和高温会加速光化学气粒转化,而早晚低温和高湿在稳定的天气系统中容易导致霾污染事件。

在冬季,北方的采暖加上稳定的大气边界层结构和较低的混合层高度很容易导致雾霾现象。

6 中国的雾霾污染比伦敦雾霾事件和洛杉矶光化学烟雾事件更为复杂和严重

2013年1月京津冀共计发生五次强霾污染过程。北京共计22天PM2.5超过国家2016年二级标准(75μg/m3),27天超过国家一级标准,只有4天晴好天气(日均值35μg/m3)。 PM2.5小时最高值达到680μg/m3。天津共计21天PM2.5超过国家2016年二级标准,只有5天晴好天气。石家庄共计26天PM2.5超过国家2016年二级标准,只有1天晴好天气,两个城市PM2.5小时最高值超过690和1000μg/m3。京津冀背景地区兴隆的PM2.5共计6天超过国家2016年二级标准, 北京及京津冀空气污染形势十分严峻。长三角及珠三角空气污染形势同样十分严峻。

太行山东麓、燕山北麓的京津冀区域最为严重。以产业结构和能源结构甚至在全球都领先的北京为例,北京地区的雾霾情况远比1952年的伦敦雾霾事件、美国四五十年代洛杉矶光化学烟雾事件复杂和严重。北京地区空气中每立方米中有近20毫克气固体污染物,1952年的伦敦每平方米也只有四毫克,如此算来,北京地区750平方公里,高度300米的大气范围大约有4000吨污染物。洛杉矶光化学烟雾中主要是汽车尾气中的烯烃类碳氢化合物和二氧化氮(NO2)排放到大气中后,在强烈的阳光紫外线照射下,原有的化学链遭到破坏,形成新的含剧毒的光化学烟雾,主要是以臭氧为代表。北京现在具有类似的情况。此外中国还大范围存在沙尘暴,而沙尘的存在又会加剧雾霾过程的化学反应。

7 局地排放和周边输送增加了大气污染物控制和治理的难度,北京不可能单独治理雾霾问题

以北京大气灰霾溯源为例,北京PM2.5大约30~40%来自原始排放,20~30%来自大气中的光化学转化,30~40%来自区域输送。北京治霾要“三分之一靠天气,三分之一靠自己,三分之一靠周边”。北京本地排放主要包括大量机动车排放造成的硝酸盐、光化学作用产物、局地烹饪和汽车尾气等排放的挥发性有机物转化为二次有机气溶胶。而280m高空的SO2浓度远远高于8m的浓度分析表明,北京SO2来源于周边燃煤排放带来的硫酸盐输送。局部区域气候条件分析,北京城区大量污染物通过低空气团来自于东南方向的近距离输送。京津冀近周边的沙尘层输送至北京,与本地的污染性气溶胶混合后加重污染。

因此,北京市虽然能努力降低自身大气污染物的排放,却无法解决周边污染物排放与传输。对北京雾霾有直接重大影响的除了本地的汽车尾气之外,还有天津的工业废气气团和河北的燃煤排放。

8 雾霾可以提前预测预警并缓解

对大气污染物跟踪检测表明,北京奥运会时段的大气污染物粒子非常少,PM1~2.5不足50ug/m3。单双号和黄标车限行可将PM1~2.5控制在100ug/m3以下,而在汽车未限行时段这一数据可达200ug/m3。同样对今年1月份的第四次强霾过程分析表明,汽车排放的氮氧化物和燃煤排放的硫化物贡献超过100ug/m3,占当时污染物浓度的一半。这些情况说明,在容易起霾的静稳、逆温气候条件下,考虑外来污染物的大气环流,可以通过提前预测预警来加强局地污染控制,减轻北京等地区的大气污染。今年1月份的5次强霾事件可以通过预警和临时防治措施减缓3次。

9 从雾霾污染成因出发,有如下防治建议

根治雾霾污染需政治智慧。正像联产承包、分产到户解决了我国改革开放初期的农业发展问题,经济特区解决了改革开放初期的工业商业发展问题,一国两制解决了香港和澳门问题一样,根治大气需要在国家管理体制上要有所创新,有所突破。

必须实施区域联防联控。京津冀地区同处一个气候带,形成一个大的污染团,根治大气污染需要区域联防联控。这需要突破现有以行政单位各自为政的管理制度。欧共体协同治理酸雨和大气污染,美国南加州联防联控遏制光化学大气污染都是成功的范例。可以考虑成立京津冀大气污染联防联控委员会,将该区域作为大气污染防治的试点“特区”。

防治雾霾要加强法治。仅靠政府部门、工厂企业和居民团体自觉自律维护大气环境显然不够,要逐步制定落实相应的法律规章,依法治污才有可能长治久安。具体来说,要强化电厂脱硫脱销的监控,避免三天打鱼两天晒网的不彻底现象。同时应建立第三方数据检测,加强管理油品质量。

要制定多种污染物减排的一揽子计划,加强污染物协同控制。仅降低PM2.5是不够的,应减排所有的污染气体与颗粒。不能只关注硫化物减排,氨气的减排也很重要。由于PM10(粒径小于10µm的颗粒物)浓度逐年下降,而PM2.5浓度高居不下,区域大气污染控制应以细粒子减排和多种污染物联合控制为主,并在源头上控制CO、SO2、NOx,VOCs和NH3的排放。在电力行业,同时控制SO2、NOx、VOCs及粉尘有助于降低污染治理成本。

一次污染源控制要各有侧重。首先要从源头控制,大力消减PM2.5形成前的主要气态物SO2、NOx、CO、NH3和VOCs的排放。控制SO2的重点在工业、采暖和燃煤电厂。NOx的控制重点依次为机动车、燃煤电厂和工业。CO的控制重点依次为机动车工业和燃煤电厂。VOCs应以机动车、无组织(餐厨、干洗店等)排放和工业为主。另外,北方城市的冬季由于受到大规模燃煤采暖的影响,SO2、NOx、CO、PM较非采暖期相比,呈上升趋势,应在冬季采暖时段加强对这些污染物的控制,而VOCs则在全年都要控制。

区域源控制应以产业结构布局和调整为重。产业结构调整方面,加大第三产业比例,降低高能耗第二产业比例。产业结构布局方面,尽量将高污染企业迁至区域的下风场地区或高海拔地区,这有利于一次污染物的扩散和沉降。同时加强环保监管措施,控制新排放源的加入。

雾霾治理要科学先行。由于我国的PM2.5来源复杂,形成原理不清,观测分析设备落后,难以制定科学合理的治理方案。此时,切勿盲目采用国外监测技术及照搬国外调控标准。应抓紧时间进行基础研究,加大科学投入,并根据科学研究结果制定出一套详尽完备的PM2.5减排控制方案。

雾霾治理需要公众参与。公众行为是面源强度大小的最重要控制因子,首先是所有公民整体素质的提高,小到餐饮出行,大到择业置产,都到要考虑到尽量减少污染排放。只有全社会每个人都从自我做起,从点滴小事做起,才有可能保障我们有干净的空气呼吸。

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在这场沙龙上,还有近三十位来自国家发改委、环保部、财政部、能源局、中财办、国务院发展研究中心、中科院、神华、中石油、中海油、中国汽车技术研究中心、中欧联合投资基金等机构和企业的专家,共同就当前雾霾问题的严重性、背后原因和解决方案进行了热烈的讨论,讨论结果总结如下:

1 雾霾问题是中国环境破坏的警世钟

此次强霾污染应引起深刻反思,拷问全中国的发展模式。严重的空气和水土污染是中国工业化带来环境破坏的警世钟,环境问题已经成为中国发展的拦路虎。应将此视为伦敦毒雾、日本工业污染、美国洛杉矶光污染事件之后第四次大型环境事件。健康是人的第一权利和生存的第一条件。持续得不到根治的雾霾污染将否定中国改革开放所带来的经济和政治成果。

2 环境修复与治理革命比能源革命更为紧迫

十八大提出的推动能源生产与消费革命主要是基于环境可持续发展方面的考虑。能源革命是手段而非目的。在中国,环境修复与治理革命比能源革命更为紧迫。

3 治理雾霾要跳跃式将环境保护上升到道德的高度

不能仅依靠行政手段,要提升全民道德水平。应像日本和欧洲一样,将环境保护上升到社会道德高度,让任何破坏环境的人和企业成为谴责与监督的对象。这样的全面参与才能打赢环境治理的战争。

4 要重视榜样的作用

中南海和高层国家机关落实零排放,给地方和企业做出表率。建议使人民大会堂、中南海等标志性国家机构的运行达到污染物零排放。

5 新的国家治理要主抓精细化执法与管理

中国经济粗放发展的背后,是制度与管理的粗放。法律的尊严在于执行。同样,再好的制度缺少管理都是空话。中国国家治理不能只讲改革,而是要在改革的基础上,抓好精细化执法与管理。应将环境精细化执法与管理列为与改革开放一样的大事,像抓计划生育一样去落实。

6 不能光依赖行政手段,还要利用经济手段,使减排变得有利可图

火电厂的除尘、脱硫、脱硝技术都已成熟,但在煤电价格倒挂使得电厂亏损的情况下,火电厂不具备在环境治理上的投资能力。同样,中国进口原油的品质越来越差而油品在环保方面的要求越来越高,需要对炼厂进行升级改造,而在因国家对成品油价格控制导致炼厂亏损的情况下,炼厂本身也没有能力来投资减排设备。电力与成品油价格改革也应该是雾霾治理的一个重要举措。

7 推行“谁污染谁买单”的政策,加强行政执法

同时严格财务监督,做到专款专用,不能把企业污染治理的成本转嫁到百姓身上。在“污染收费”方面,发达国家有很多值得我们参考的经验,譬如,英国伦敦市政府早在2003年就开始对进入市中心的私家车征收“拥堵费”,而这部分收入全部用来改善公共交通。

8 雾霾治理要协同区域生态圈规划,明确联防责任

环境保护要以生态圈来做规划,而不能局限于行政圈。环境政策应在全国总量控制的前提下,考虑各地的环境容量、承载能力和可接受成本等因素来区别落实,将全国性的政策地区化。区域之间的联防联控必须要建立在明确的责任基础上,否则无法操作。

9 联防联控,不仅需要区域间联合、城市群间控制,更需要打破行业壁垒

需要包括环保部、交通部、气象局、工信部、卫生部、发改委、科技部、大型国有能源公司等在内的国家、省市各级部门平级之间的通力合作,转变目前各自为战的局面,切实做到相关数据充分共享、治理措施共同制定、排污执法协作配合。

10 雾霾可以预警,但治理还要从根本出发

爆表型强霾可以通过预测预警、提前关掉污染源避免。但这只是暂时的措施,只能暂时消减排放,雾霾污染的治理需要治本。

11 要从城市治理角度治理雾霾

雾霾暴露了城市环境的恶化,要解决有以下措施:

促进城市能源清洁化,大力优化能源结构。全面落实煤改气和煤该电,必须用煤的地方要加强污染控制;

城市交通减排。交通污染各种治理措施都要上,包括发展天然气汽车和LNG载重卡车,推广城市电动汽车;

关注城市周边农村和中小城镇的能源使用与污染排放,加强能源使用的科学性,减少排放。

12 煤炭领域的排放尤其要控制

煤炭曾是中国能源的立命之本,现在已经成为环境污染的首要根源。能源消费总量控制要重点考虑煤炭消费总量控制和减排。煤炭不可能彻底清洁燃烧,但可以大幅度降低污染物的排放。措施包括:

要将煤炭消费总量和区域的环境承载能力结合,加强煤炭的清洁化利用。

在发电和非发电两个领域控制煤炭燃烧的污染物排放,加强全过程管理。煤炭行业本身的开采、洗选、运输、销售过程排放很少,排放主要来自4个下游行业(钢铁、发电、建材和化工),一般工业锅炉和民用。燃煤电厂的减排技术已经成熟,关键是抓投资、抓落实。然而,只抓电力,不抓其他近50%的非发电用煤是不管用的。集中式发电好管,其他行业的分散污染源难管。对这些污染源,环保部门应加强投入实习全过程监管。火电行业的脱硫、脱硝、脱汞投资巨大,应有合适的电价给予补偿。

改变传统思路和部署,鼓励南方地区从国外进口煤炭,避免长距离运输。同时要加强进口煤含硫量监管,制定准入标准。

13 大力发展天然气

天然气是改善中国能源结构的最重要抓手,只有天然气能规模化地替代煤炭。在国内常规和非常规天然气开发近期还不具大规模替代煤炭的能力的前提下,要多进口天然气,加速东西伯利亚的俄气来到中国。

14 提升油品质量,推进更严格排放标准的实施,严格控制机动车保有量 

油品质量和标准不匹配的问题已成为雾霾中氮氧化物排放的主因。大型城市应当根据实际情况,积极推进早日实施更严格的排放标准,实现机动车保有量的有效控制。

15 治理雾霾人人有责,要中央给压力、地方来推动、全民都参与

雾霾问题显示了中国环境、资源、土地、生活消费的全面“透支”。雾霾同时也不是一个孤立的问题,需要系统化、体系化、常态化的长期努力来加以解决。要有中央、地方、社区、行业、企业、民众五个层面的全面参与。任何一个层面的缺席,特别是老百姓的积极参与,都很难保证治霾工程的成功。

【小编补充】据北大统计科学中心发布的 《北京城区2010年—2014年PM2.5污染状况研究》显示:

报告计算了北京过去五年(2010年~2014年)PM2.5的三种空气质量状态持续时间。结果如下:(1) 五年间北京经历了437次污染过程 (PM2.5大于35微克/立方米),平均每周1.7次。每次污染过程的持续时间平均值约为70小时,将近三天。(2) 五年间北京优良空气状态平均每次的持续时间为21小时。(3) 85%的污染过程达到了严重污染,每次严重污染的持续时间平均为25小时,比优良空气的平均持续时间长4小时。

报告发现在这五年:北京优良空气持续的时间约占23%;超过一半的时间(约占55%)是处于一般污染状态(PM2.5浓度介于35微克/立方米和150微克/立方米之间);而有约22%的时间处于严重污染的状况。三种空气质量状态的比例从2010年到2014年变化不大。