環京津燃煤是強霾主因

葛江濤

2月下旬，華北及黃淮地區再次出現灰霾。至此，從2013年元月開始的灰霾天氣已經延續近兩個月。近日，針對這一本世紀以來中國最嚴重的污染事件，來自中國科學院的研究人員正式發布了相關研究報告。

報告執筆人、中科院大氣物理研究所研究員王躍思接受《瞭望東方周刊》專訪時介紹說，中國科學院“大氣灰霾追因與控制”專項組“大氣灰霾溯源”外場觀測項目組，對2013年1月的強霾污染過程進行了全程追蹤觀測分析，并對1月9日至15日的第二次強霾污染過程進行了溯源分析研究。

觀測追蹤結果顯示了華北地區大氣污染的最新“結構”。

數十年來對京津地區影響巨大的西北沙塵，在此次強霾污染事件中并沒有扮演重要角色- - -它只對5次強霾過程中的一次產生顯著影響。

對于北京自身而言，機動車排放仍是最大污染源頭。然而經過北京奧運會以來施行的多種強力管理，專家認為其減排空間已經十分有限。

如同近年來經常發生的情況，區域輸送是此次強霾事件中對北京影響最大的因素之一。對污染物成分的詳細分析和軌跡追蹤清晰地反映了這一問題。

追蹤觀測的基礎是始建于北京奧運會期間的環京津大氣環境監測站網絡。目前，它可以就大氣中 PM2. 5和所有粒徑段顆粒物進行詳細化學成分分析，并進一步進行來源解析，校核污染物原始排放源清單。

各種污染物、污染源頭產生的不同影響，為治理提供了清晰的指向。事實上，目前對于以京津為核心的華北地區的污染原因，至少學界已經擁有一定共識：它顯然已經不再是建設防風林、限制大城市機動車和高排放企業那樣簡單。整個區域內更加復雜、平衡的利益交換機制建立迫在眉睫。

不要過于強調天氣因素

《瞭望東方周刊》：新年之初的這次大氣污染，整體情況如何？

王躍思：本次強霾污染范圍涉及我國中東部、東北及西南共計 10個省市自治區，受害人口高達 8億以上，其中污染最嚴重的為京津冀區域。據中國科學院大氣物理研究所的監測數據統計，2013年1月京津冀共計發生五次強霾污染過程。

第一次發生在1月6日到8日，北京PM2. 5小時濃度最高值每立方米320微克，大于每立方米300微克的時間為 1小時；第二次發生在 9日到15日，北京 PM2. 5小時濃度最高值每立方米 680微克，每立方米大于 300微克的時間超過 46小時；第三次發生在 17日到19日，PM2. 5小時最高濃度每立方米320微克，大于300微克的時間為 1小時；第四次發生在 22日到23日，PM2. 5小時最高濃度 400微克，大于 300微克的時間超過 21小時；第五次發生在 25日到31日，PM2. 5小時最高濃度 530微克，大于 300微克的時間超過 50小時。

1月共有31天，其中 22天的PM2. 5超過國家空氣質量二級標準、即每立方米75微克，27天超過2016年即將實施的國家一級標準、即每立方米35微克，只有 4天是晴好天氣。

從范圍上講，衛星圖片顯示本次污染范圍包括我國中東部地區和東北部分地區，太行山東麓、燕山北麓的京津冀區域最為嚴重，多數地區大氣水平能見度僅為 200至500米，華北上空存在明顯沙塵和人為污染物的混合層。以城區面積為 750平方公里來推算，這個過程，每立方米空氣含污染物20毫克，混合層高度300米，北京城區上空懸浮污染物總量超過 4000噸。

《瞭望東方周刊》：一般而言，天氣原因都是大氣污染事件的主要原因之一，看起來這個因素是無法避免的？

王躍思：這次污染過程與以往相比有5個不同的特點。第一個特點就是天氣過程少見。受大氣環流的影響，我國中東部偏北地區大氣異常穩定，空氣垂直運動弱，冷空氣過程少且弱，濕度大但無降水，這就造成污染物極易積累疊加。這種天氣過程緣起于冬季北半球高緯平流層爆發性增溫，造成大范圍逆溫，氣團沿經度運動減弱，超穩定大氣結構難以打破，是非常少見的現象，近30年才發生過5次。

極端的靜穩天氣是持續強霾污染的重要客觀原因，嚴重阻礙了空氣的水平和垂直流通，局地氣象條件表現為高濕、逆溫層厚、逆溫強度大，污染物擴散空間比通常減小很多，導致了局地和區域污染物迅速積累，在高濕環境配合下造成 PM2. 5濃度爆發式增長，表現為罕見的高強度空氣污染。

但是，天氣只是一個重要的外因。此次強霾污染的內在原因仍然是人為排放的污染物太多，檢測分析表明，本次污染過程的形成人為排放污染物占PM2. 5的80%以上。由于天氣原因和沙塵或是浮塵的影響，今后雖然不能完全杜絕類似本次的霾污染過程，但完全可以做到預測預警，通過減少人為污染源排放減少強霾污染頻次和天數，降低PM2. 5的污染強度。

西北沙塵影響減弱

《瞭望東方周刊》：一直以來，來自我國西北地區的沙塵輸送都是華北地區大氣污染的重要因素，與之類似的還有局地揚塵問題。它們對這次強霾污染事件的影響有多大？

王躍思：在本次強霾污染事件中，只有1月中旬第二次過程顯著受到沙塵影響，其它4次沒有觀測到有顯著影響。

第二次污染過程時， PM2. 5聯網觀測顯示，位于沙源地的三個觀測站點阜康、敦煌和沙坡頭的 PM2. 5濃度顯著升高，說明此次污染過程有沙塵遠程輸送。沙塵輸入顯著增加了華北地區 PM10質量濃度。在沙塵參與下，局地污染物二次轉化速度加劇。沙塵和局地污染物的疊加是第二次污染事件突發的重要原因之一。

在第二次污染過程中，1月12日衛星監測顯示京津冀區域邊界層及上部存在沙塵層和污染沙塵層，同時在邊界層內與污染大陸性氣溶膠和煙塵相混合；此區域近地層以弱偏南風為主，高空以偏西氣流為主。

地面監測結果顯示在氣流經過的敦煌、沙坡頭地區，分別在 11日23點和 12日 5點出現 PM2. 5小時最高值，即每立方米250和260微克。

在高空西北氣流的作用下，沙塵被輸送到太行山東麓河北南部區域并迅速下降，又隨近地層偏南弱風北進，加劇了京津冀地面的污染強度。污染物累積在太行山和燕山山前長時間難以消散，并以石家莊、保定、邯鄲、北京、天津、唐山等城市污染最為嚴重。

但是，事實上西北沙塵近年來對北京空氣質量的影響逐漸減小。本次北京城區地面揚塵和建筑揚塵的影響在總懸浮顆粒物中所占比例為15至20%，因此在PM2. 5中的比例更低，應在10%以下。

《瞭望東方周刊》：在天氣因素和西北沙塵之外，來自北京地區的排放具體情況如何？

王躍思：局地污染排放擴散受阻是本次污染濃度攀升的重要原因之一。各種污染物同步升高并協同作用，導致污染物濃度非線性急劇增長。

所謂“局地”，就是指北京城區五環之內，由于受到地形和偏南弱風的影響，局地排放的污染物對北京山前平原地區影響最大，很難擴散到北京以外的區域。

局地排放包括污染氣體和超細粒子急劇增長。北京城區典型的機動車排放源一氧化氮在 12日夜間一度高達每立方米310微克，是平日的 4. 5倍；機動車和燃煤直接排放的一氧化碳濃度高達每立方米12毫克，是平時的 8倍；油氣化石燃料和餐飲直排的揮發性有機物增加 2倍以上。當濕度增大時，空氣中的二氧化硫、氮氧化物等氣態污染物遇水汽變成酸霧，與揮發性有機物的進一步反應生成了大量有毒有害的有機顆粒物。

在靜穩高濕條件下，這些粒子難以擴散，且迅速增長為 100至1000納米的致霾粒子，致使霾粒子數濃度比平時增加了 3. 5倍。分析表明，50到100納米的超細粒子主要是化石燃料燃燒排放的含碳粒子，一旦增長到400納米以上，粒子中吸水性很強的無機鹽等從原來的不足10%增長到40%。疏水的碳粒子在吸水的硫酸鹽等無機鹽的包裹下，迅速吸濕膨脹，從“不可見”到“可見”，就是我們看到的“霾”。

有一點可以確定，北京城市大量的機動車和冬季燃煤排放是造成氮氧化物大氣濃度上升的原因，也是硝酸鹽同步上升的原因之一。

現在看，如果油品提高到國五標準，尾氣排放都合格，解決了擁堵問題，北京的機動車污染物減排還有增長空間，但是也不大了。根據目前的研究結果判斷，大氣污染發展趨勢不樂觀，建議嚴格控制數量，提高現有機動車質量，堅決淘汰老舊機動車。

就北京整體大氣污染而言，目前機動車排放仍為城市 PM2. 5的最大來源，約為四分之一；其次為燃煤和外來輸送，各占五分之一。油氣揮發和餐飲近年來有快速上升趨勢，應加緊控制，工業和地面揚塵應進一步改善。

值得關注的是，本次北京重霾污染過程引發于燃煤排放的二氧化硫向硫酸鹽的爆發式轉化，而持續污染過程有機物的上升表明機動車、采暖和餐飲排放共計超過 50%。對于北京等超大城市來說，更要加強強霾污染過程的污染源動態管理和調控。

區域輸送影響巨大

《瞭望東方周刊》：經過十幾年強力治理，在北京地區的能源結構中燃煤的比例已經非常小了，這些二氧化硫是從哪里來的？

王躍思：本次強霾污染事件的一個重要原因，就是以周邊和局地燃煤排放為主的二氧化硫、即不可見的刺鼻氣體一夜之間轉化成了硫酸鹽，硫酸鹽是霾的主要成分之一。

在整個污染過程中，區域輸送顯著，局地疊加強烈。尤其是第二次過程，從觀測數據可以明顯看到區域二氧化硫和硫酸鹽的輸送量很大，到達北京山前平原被阻，與局地排放的含碳粒子混合，迅速吸濕增長，一夜之間形成重霾，對公眾的視覺沖擊巨大。

北京近周邊的輸送在追蹤觀測中顯示非常明顯。1月12日 500米高空后推 48小時的氣團后向軌跡分析表明，北京城區污染受到東南方向近距離輸送的影響顯著。經過市區的氣團上午11點還是來自于西部的潔凈氣團，下午13點以后就逐漸轉變為偏南污染氣團并維持，低空氣團沿地形弧形移動到北京東南區域，污染物輸送到北京。

后向軌跡氣團路徑與可見光真彩衛星圖片的煙羽軌跡非常吻合，北京東南區域局部放大，可看到許多星羅棋布的煙霧團點。冬季北京偏南區域高濃度污染煙羽聚攏到北京市區是本次強霾污染事件的另一重要原因。

北京城區白天空氣二氧化硫出現高值，少部分來自于局地排放，大部分來自于區域輸送。其原因是以周邊燃煤排放為主的二氧化硫傳輸到北京，造成北京上空二氧化硫濃度總是高于地面，白天對流輸送將高空二氧化硫傳輸到地面，造成北京空氣二氧化硫濃度升高；夜間對流減弱，二氧化硫形成酸霧，并被其中的氧化劑轉化為硫酸鹽顆粒，此非均相轉化過程不需要陽光照射。

白天二氧化硫濃度高，晚上硫酸鹽濃度高而二氧化硫出現低值，這種反位相變化，也從另一個側面說明，本次污染過程二氧化硫不是主要來自北京城市排放。

此外，當污染發生時，細小顆粒物中總是有機物、硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽的濃度大幅度升高，但從絕對量分析有機物增長最多。

利用源解析技術，有機物被識別出了4類有機組分：氧化型有機顆粒物，主要來自于北京周邊輸送；油煙型有機物，主要來自局地烹飪源排放；氮富集有機物，（光）化學產物；烴類有機顆粒物，主要來自于汽車尾氣和燃煤。

其中氧化型有機顆粒物在整個污染過程所占比例最大，為44%，其余三個組分分別占21%，17%和18%。

《瞭望東方周刊》：能否介紹一下此次污染事件中環京津地區的情況？

王躍思：本次污染過程周邊區域一些城市二氧化硫濃度高值高于北京高值的2倍，但北京氮氧化物最高值與周邊城市持平。

觀測結果顯示，近年來京津冀氮氧化物和硝酸鹽的污染持續增加，二氧化硫和硫酸鹽的污染下降不多，有機物污染一直持續在高位，氨氣和銨鹽污染有上升趨勢。細顆粒物總體污染水平居高不下，污染物的化學成分趨于復雜，如不抓緊防控，必將引起更加頻繁和強度更高的大氣污染事件。

具體而言，京津冀區域應重點控制以燃煤為主要能源的工業過程，重點在于燃燒過程的脫硫、脫硝和除塵；大力提高柴油油品質量，改進柴油發動機，減少柴油車排放；北京等超大城市重點要解決機動車道路擁堵問題和提高汽油質量；北京近周邊區域重點解決冬季取暖燃煤的脫硫、脫硝和除塵及其揮發性有機物排放的控制，餐飲業和居民樓要解決好油煙排放問題。