王跃思:解决空气污染问题唯有掐掉源头

2016-12-22 王跃思 知识分子 知识分子


持续多日的雾霾让全国大部分地区受到严重影响,图源:中国气象台


编者按:

今晨,已持续5天的今年京津冀地区的首个雾霾红色预警解除。

此次雾霾影响范围大,污染程度严重,不仅对多个省市地区产生了极大的影响,也使人们对政府的治理措施提出了质疑。

今年是“大气十条”实施的第三个年头。2013年6月14日,国务院召开常务会议,确定了大气污染防治十条措施,包括减少污染物排放,严控高耗能、高污染行业新增耗能等系列措施一并出台,表明了国家治理空气污染的决心。

然而,一方面政府每年发布的空气报告显示了近年来空气污染治理的卓有成效;另一方面,北京不时而至的四面“霾”伏在感官上却与政府的结论有些“背道而驰”,民众时不时就拿“2017年不能实现空气治理就提头来见”的旧闻提点着官员们,或有讽刺。

究竟我国的雾霾状况是否有所好转?究竟该如何治理?11月26日,中国科学院大气物理研究所研究员、中国科学院大学岗位教授、博士生导师王跃思在第23期理解未来讲座上,以《我国(北京)大气霾污染现状、防控办法和面临的挑战》为题,对围绕雾霾的诸多相关议题和迷思进行了深入浅出的剖析。本文根据王跃思研究员当天演讲整理、编辑而成,并经本人审阅。



演讲 | 王跃思(中国科学院大气物理研究所研究员)

责编 | 吕浩然


  



中国科学院大气物理研究所研究员王跃思


如今,霾污染一词对公众来说已不是一个生疏的词汇。公众从什么时候才注意到这个问题呢?应该是在2010年以后。


北京市在早前是没有霾的,仅有雾。11月份的北京就会下很大的雾:晨时雾气很大,中午放晴,到晚上可能又会起一些雾,放学回家的路上看到家冒炊烟,伴着一些小的雾,也可以称为霾,但却很轻。


但从2000年以后,我们这些学者感觉到北京已经不仅是雾的问题了,肯定有霾,而公众可能从2010年左右才注意到霾的问题。我们(学者)注意到(北京雾霾问题)是从2001年,中国成功申办奥运会举办权以后。当时,8月份要在北京举办奥运会,北京市政府拟对环境空气进行治理,最主要的担心是大气中的臭氧会影响运动员的呼吸,进而影响运动水平。


针对大气臭氧,我们做了一系列的实验。但是2008年以后我们意识到这个颗粒物(PM2.5)必须得研究、治理。从2009年到2011年,我们开始对大气中的PM2.5进行了更加详细的研究,到了2011年,美国大使馆把PM2.5报出来以后,2012年我们相继进行了大规模的研究工作,到现在也不过是三四年的历程。包括中国“大气十条”的推出,和目前中国大气专项研究的推出,都与我们的这些研究是分不开的。


雾霾现状




上图中红色部分(图1)是2013年我国31个省会城市、自治区首府或直辖市PM2.5的浓度,随后我们把全国74个重点城市,到现在是338个城市,把所有城市观测站点PM2.5浓度按照省份做一个平均,这是2013年的结果。而蓝色部分(图2)是2015年的平均分布图,从图中可以看出,PM2.5下降了很多。


但为什么民众的感官与调查数据有所偏差呢?图2是2015年全国PM2.5各个省市自治区的平均值,北京PM2.5的平均值是80.6,接近81微克每立方米(浓度单位,下文中浓度皆以此单位为准),它是全国省会城市中最高的,其次是河南,也在80左右。


河北也很严重,但它的平均值却比北京要低。为什么?河北省PM2.5浓度最低的是张家口,年均值仅不到40,保定呢?超过了100,所以河北省的空间雾霾分布不均是非常严重的。保定不仅是河北省PM2.5最高值,还是京津冀的最高值,甚至是京津冀鲁豫的最高值。





不仅如此,新疆喀什、和田和克城地区污染也非常高,但这是受到了沙尘的影响,并不是人为排放的影响。所以大家要清楚一个问题,从看不见到看得见,城市地区PM2.5问题主要是人为造成的。北京的PM2.5均值还是全国省会城市中最高的。郑州、保定的浓度都比北京市要高,但它们都是在北京的周边地区,这样一个污染集中的区域,所以北京污染浓度很高,也跟它周边这些高污染的城市是有关系的,相互的输送关系很大。




我们再来看一下PM10的情况(上图)。对比来看,2015年较2013年有所减少,蓝色向下的都是减少的,但有些城市仍是增加的,如西北的一些城市,京津冀地区的河南和内蒙古也是上升的。


为什么不降反升?原因很简单,这些地方肯定是开展了土木基建工程,并采用粗放式管理。这些会造成PM10的升高,城市PM10的升高最主要的原因也是人为造成的,自然界造成PM10的变化是基本均衡的,如果它短期发生了大变化,一定是由于人为的活动加了进来。这就是PM10的情况,这个图形跟PM2.5的有些相似,为什么有些相似?因为PM10包括PM2.5,PM2.5包括PM1,PM1包括PM0.5。北京PM2.5约占PM10的70%,今天可能要占到80%,甚至更高,为什么?因为在静稳天气、重雾霾天气过程中,气态物质跟颗粒物要发生反应,发生反应生成的这些物质,都是小的颗粒,都在PM2.5中,所以PM2.5会更高。


这个状况清楚了,那我们按照“大气十条”的规定,京津冀地区PM2.5要下降25%以上,其他地区要降20%以上,其中三大区:京津冀、长三角要降25%,珠三角要降15%。目前北京还未达标。另外,北京还有一个很重要的指标:到2020年北京PM2.5要达到56微克每立方米,能否完成仍是个未知数,这也是个很难达到的数字。


其它省市的承诺存在这个风险吗?是否也规定一个明确的限定数值?目前环保部没有定论,因为基线值尚未确定。按照“大气十条”的规定,基线值是2012年的年均值,但大多数城市目前拿不出来2012年确切的PM2.5年度平均值,PM10的数据也具有很大的不确定性。


臭氧等其它污染物的情况


臭氧,我们现在对这个词也不陌生。全国PM2.5的整体情况是下降的,北京下降最低,下降了9.9%,最高的下降了35%以上,全国平均下降了25%。但另一个污染物——臭氧的浓度却上升了。


臭氧是什么?它的分子容易辨认,就是一个氧气又加一个氧原子(O3,它闻起来是臭的,所以叫臭氧。它还对人的呼吸道有影响,可以造成人呼吸道疾病和心血管疾病。与PM2.5相比,臭氧对人体的危害只是相当于PM2.5的1/20,这是根据流行病学统计调查出来的。



从全国的臭氧形势来看,上图(下半部分)是2013年与2015年臭氧浓度的变化,红色的证明它是上升了,可以看出全国整体在上升。当一个自然系统形成以后,你要对它进行干预的时候,它有一种行为是反干预:当我们试图把PM2.5从空气中“拿掉”的时候,另一种污染物必然要显现出来,这就是PM2.5下降、臭氧上升过程中一个自然的控制,也是一种不好的自然控制论。


我们要打破这种自然的控制,就必须大幅度拿掉污染物到一定的程度,将反馈机制抑制住。目前我们还没有拿掉这个“负反馈”,所以臭氧浓度上升了。从2017年开始,国家要启动关于大气臭氧研究的项目,公众也不必过于担心,臭氧只在北京夏季的时候污染比较严重,但从现在开始就要研究对策。


再说说二氧化氮。二氧化氮是什么?它是汽车排放出来的所谓氮氧化物中的高价态。我举一个例子,大气中污染是怎么形成的,大气就好像一个燃烧的大炉子,它在产生污染物,谁是燃料?不是氮氧化物,而是挥发性有机物VOC,而氮氧化物则是助燃剂。


大气环境中若仅有纯的氮气和氧气是没有问题的,如今氮氧化物加入进来,助燃剂、氧化剂、还原剂、挥发性有机物相互反应,就变成了燃烧的炉子,产生污染物。我们现在经常听到一个词叫SOA二次有机气溶胶,实际上就是氮氧化物作用到这个有机物上产生的一类污染物,所以二氧化氮很重要,它相当于污染物反应中的助燃剂或氧化剂。




上图为我国近两年二氧化氮的变化幅度。40微克每立方米我国的标准,北京是多少?50微克每立方米,又超标了。美国跟欧洲氮氧化物大气中的浓度是个位数,中国现在是40微克每立方米,所以现在我们的污染物在好转,氮氧化物跟二氧化硫虽然都下降了,但我国目前的污染水平还是发达国家几倍到十几倍。这也致使我国的大气光化学污染反应跟其它国家不一样,因此中国如果套用其它国家的理论来治理污染,这本身要打个问号,其中需要做一些改进。




上图为二氧化硫的情况,全国形势一片大好,全都下降了,但一看我们的绝对值,60微克每立方米,这就超标了,只有极少数的地方没有超标,为什么?因为标准限值就很高,如果参照西方国家的情况,我们规定标准为20微克每立方米,那么大部分地区基本上都会超标。发达国家二氧化硫的浓度是多少?只有10微克每立方米以下,都是5、8微克每立方米,所以我们国家二氧化硫虽然有所好转,但离清洁空气质量的目标还很远。



一氧化碳,上图是全国变化的情况。2015年减2013年,京津冀地区跟长三角并没有减少很多,有些地方还在上升。再看看它的绝对量,绝对量是多少?这是1个ppm(毫克每立方米,下同),这是4个ppm,是1到4个ppm之间,而自然界如果没有污染的排放,一氧化碳的浓度仅有200多个ppb(微克每立方米),现在是4个ppm,达到了5毫克级的量级,所以这个污染虽然在下降,但仍然很严重。


一氧化碳的污染严重了,随之臭氧也就严重了,所以一氧化碳变化的图形跟臭氧是一样的。一氧化碳反应的东西是什么?是挥发性有机物的反应,它的变化跟臭氧是相关的,虽然我们国家业务部门没对挥发性有机物进行观测,但是我们科学院对它观测的结果就是这样一个变化过程。


所以,PM2.5总体虽然下降了,但治理的过程仍非常艰难。PM2.5的前体物虽然在下降,但它的浓度仍是发达国家的几倍到十几倍。治理污染并不能打攻坚战,正确的科学说法是这既是一场攻坚战,也是一场持久战,前者表达了获得胜利的决心,而后者则是说从现在开始至少需要二十年的时间中国才可能达到发达国家的水平,这还是有希望的。



北京空气污染的治理


北京的污染为什么降不下去?通过分析和对比我们的详细研究结果发现,北京秋季重霾污染天数非常多,打赢雾霾战首先要把严重污染天数减少,但现在却减不下来。如果把重雾霾污染天数去掉会怎样?北京如果把40多天重雾霾天数去掉,PM2.5年均值就会降到60微克每立方米。因此,我们要努力将重污染天数下降下来,平均值就能下降,达到治理目标要求,目前这是一个达标途径。




怎么减?我们建议提前发布雾霾预警,提前采取措施,提前将污染源控制住。这是一个尝试,未来雾霾黄色预警、红色预警都应提前发布,目的就是将污染源排放提前降下来。不仅如此,雾霾预警的提前发布还对公众起到了一定的引导作用,引导公众规避一些诸如开车出行等产生雾霾的举动,这点在英国、日本等国都发挥过作用。


除去秋季,重雾霾污染也相对集中在冬季,如果按四季PM2.5对年均值贡献皆为25%计算,我国冬季PM2.5占比都要高出这个比例,达到33%,部分地区甚至达到40%。北方城市冬季需要供暖,因此污染程度高,而南方城市虽然没有供暖,但冬季污染物却扩散迟缓。所以造成我国冬季污染严重的两个原因,一个是冬季自然条件不利于污染物的扩散,第二个是排放的污染物较其他季节更多。


从卫星观测来看,京津冀地区和长三角地区的二氧化硫浓度皆有所下降。实际上长三角煤炭燃烧量比京津冀地区还要多,但北京污染受燃煤影响要高于长三角,为什么会出现这种反常情况?一个基本的实例是京津冀地区燃煤的烟囱要比长三角地区的低,在京津冀区域的烟囱建得再高也无益于污染物的扩散,而河北省的烟囱越高,对北京的影响就越大,所以我们要求京津冀地区的烟囱不能过高。


而在长三角地区,高耸的烟囱有利于排放物扩散到海上。沙尘排放到海洋里不是完全没有用,它给海洋带来了养分,促进渔业大发展。日本《朝日新闻》在八十年代有一篇报道,叫《中国的沙尘养活了日本人民》,中国的沙尘掉到东海里,浮游生物、海藻就会增长,养活更多的鱼。沙尘实际上对海洋是一种营养的输送,尤其是二价铁和沙尘里的硅,有利于海藻生长。但是,污染物有一部分对海洋生物有益,但更多的是有害的。比如人类向海洋排放大量的硫酸盐,它会转化成一种称为二甲基硫(DMS)物质,一种气态污染物。

    



周边输送等对北京的影响



北京污染的爆发,受周边地区的影响也很大。北京市2014年给出的PM2.5年平均源解析结果为,区域传输贡献约占28-36%,本地污染排放贡献占64-72%。在本地污染贡献中,机动车、燃煤、工业生产、扬尘为主要来源,分别占31.1%、22.4%、18.1%和14.3%,餐饮、汽车修理、畜禽养殖、建筑涂装等其他排放约占PM2.5的14.1%。但这个结果只是一个静态的年平均值,对于某一个重污染过程,源解析的结果都有所不同,对于冬季重霾污染的预警指导意义有限,我们亟待开展动态源解析的科研工作。但是从科普的角度只需记住一句话,北京甚至整个京津冀污染形成于区域输送,而加强于自身排放。




为什么说形成于周边区域输送?北京的风向一转成偏南风,污染就会相对严重,原因是周边高架源一排放污染物、天空布满颗粒物的时候,此时大气边界层结构就会发生变化,混合层高度会下降。通俗一些的说法是此时北京地区的“房顶”就会下压,可以想象一下,如果在一个纵高10米的屋内,三两个人抽烟或许影响不大,但若在家里抽烟,房屋高度仅不到3米,短时间内污染就会很严重。


所以,北京周边污染物的初始排放会使北京的天空有一个“盖子”,且这个“盖子”会不断的下降。北京夏季天气好的时候“屋顶”可以达到两三公里的高度,而冬季空气质量差的时候仅有两三百米,下降了10倍。


今天来看京津冀地区的污染,另一个污染源是什么?答案是汽车。不仅如此,私家车在这其中的责任其实并不大。北京市发布的污染源分析报告显示,从北京过境的大型柴油车所排放的氮氧化物和PM2.5占所有机动车排放总量的70%以上,私家车虽然有几百万辆,但排放总量所占比例只有不到30%。


当然,限制私家车出行也有一定的作用,不失为解决燃眉之急的一种办法,但它不是解决城市空气质量问题的长远之计。因此,解决空气污染问题要“长短结合”,“长”是要彻底解决所有污染源,包括燃煤、柴油车、工业排放等,“短”就是要有一些应急措施,减少开车出行也是方法之一。


北京地区的空气污染还存在一个“北轻南重”的情况,特别是“2+4地区”,“2”是指保定和廊坊地区,“4”则是大兴、通州、丰台、房山四区。这种“北轻南重”的情况与周边焚烧秸秆有一定的关系,也与秋季的气候有关。我们亦可通过观察由焚烧秸秆所产生的钾离子的变化趋势来理解整个污染扩散的过程,它的作用原理与前面提到的“屋顶”下降是一致的,都是破坏了大气正常扩散污染物,而使其更容易堆积。


源头减排 源头治理


最后总结一下北京的雾霾问题。


霾从无到有,首要原因是燃煤过多。现在整个京津冀地区一年的燃煤总量是3.43亿吨,如果加上山东的3.81亿吨就是7.24亿吨,什么概念?占全国煤炭消耗总量的20%以上,与长三角地区的6.02亿吨相当。京津冀生产的钢铁总量也是全世界第一,橡胶轮胎和平板玻璃亦是如此,生产的药品、其它化工用品也在世界名列前茅。所以,燃煤是一个大的污染源。


在燃煤问题没有得到解决的情况下,机动车尾气的污染问题进一步恶化,随之产生复合污染。西方一些发达国家在这两者污染治理之间存在着几年或十几年的空档期,但我国的交叉污染却已相伴三十年,所以霾的污染70%是人为排放造成的,这两大污染源仍是最主要的原因。


当然,这其中也存在一些客观原因,但追根溯源也会归结到主观原因上。客观原因有二,一是全球变暖导致的水平风速减小。冬季南北温差的减小导致空气密度差、压力差在减小,水平风速也就自然变小了,导致污染物很难扩散;二是纵向风速也在变小:过去太阳照射使地面温度上升很快,进而使得空气受热膨胀上升,再由别处的空气补充,如此循环形成了风,这是对流风形成机制的形象说法。而现在大气中的颗粒物将太阳光散射掉了一部分,地面温度变得相对较低,空气停滞,而上空的空气因受到太阳的照射以及散射吸收耗散,温度相对较高。就这样,上空空气又轻又热,地面空气又冷又沉,形成了一个稳定结构,对流风就无法形成(逆温形成的一种方式)


综上所述,北京的雾霾实际上就是污染物排放过大,而自然过程又使我们水平风跟自然风都减少造成的。所以,解决这个问题只有“源头减排、源头治理”这八个字,大气是开放的超级流体,其他的所有末端治理大气的方法都于事无补,唯有掐掉源头一个办法。



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更新 12月24日 0:10