京津冀霧霾成因與治理

劉樹華　繆育聰

區域輸送對京津冀地區霧霾的形成和維持有不可忽視的影響，大氣邊界層內氣象要素的變化對重污染有著顯著貢獻，京津冀地區的污染控制和治理需要城市群的聯動

進入冬季采暖期后，特別是2016年12月以來，京津冀地區已經歷了三次大氣重污染過程，分別是12月2-4日橙色預警，12月16-24日紅色預警，12月30日-2017年1月7日橙色預警。其中，從2016年12月23日持續到2017年1月7日跨年度的重度大氣污染是京津冀地區經歷時間最長的重度污染過程。京津冀地區頻現大范圍重度霧霾，不時啟動的空氣重污染預警，給京津冀及周邊地區人們的生活、生產及交通等帶來嚴重影響，已經成為影響區域環境和經濟發展的重要因素。

霧、霾概念及其特征

霧和霾是自然界中的兩種天氣現象，在形成機制及其本質上有很大區別。霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成，是近地面層空氣中水汽凝結（或凝華）的產物。常呈乳白色，水平能見度一般小于1千米。霧一般有兩種，一種是地表輻射冷卻，大氣中水汽凝結形成霧，稱為輻射冷卻霧；另一種是暖濕空氣流經較冷區域時，大氣中水汽凝結形成的霧，稱為平流霧。由于液態水或冰晶組成的霧散射的光與波長關系不大，因而霧看起來呈乳白色或青白色。霧天時，如大氣沒有污染存在，一般不會對人體健康造成直接危害。

霾是由大量的細顆粒物均勻地漂浮在空氣中，使水平能見度小于10千米的大氣渾濁視程現象，這些細顆粒物主要來自于自然界和人類活動的排放。當空氣中水汽較多時，某些吸濕性強的干顆粒物會吸水、變大，并最終活化成云霧的凝結核，產生更多、更小的云霧滴，使能見度進一步降低。當相對濕度較低時，光化學反應形成的半揮發性有機污染物通過氣固相分配進入顆粒物相，形成二次有機氣溶膠；而相對濕度升高、溫度降低時，顆粒物吸濕增長，吸收可溶性無機組分和有機組分，發生液相二次過程，產生二次有機氣溶膠、硫酸鹽、硝酸鹽等。霾由灰塵、硫酸、硝酸等細顆粒物組成，其散射波長較長，因而霾看起來常呈現黃色或橙灰色。由于霾中含有很多對人體有害的化學物質和微小顆粒，所以霾天氣對人體健康會造成直接危害。

霧和霾的主要區別有以下4點：（1）出現的垂直高度不同，霧一般出現在幾十米至幾百米的高度，而霾天氣過程高度可達3千米。（2）出現時的相對濕度不同，霧出現時相對濕度達到90%以上，而霾出現時相對濕度較低。（3）出現的時間不同，霧一般傍晚、午夜至凌晨最易出現，霾的日變化特征不明顯。（4）霧容易散去，而霾卻不容易散去。這是因為霧的相對濕度大，受天氣變化影響比較大，太陽一出來，地表增溫，蒸散迅速加大，或遇到干燥空氣，霧很容易散去。所以，霧一般在日出后不久即消散，但霾則不然。

京津冀地區污染源排放對霧霾形成的影響

局地霧霾天氣形成有三個條件：一是污染源排放，二是地理環境，三是天氣條件。PM2.5如今已經成為家喻戶曉的名詞，它是指直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱細顆粒物，是由直接排入空氣中的微粒和空氣中的氣態污染物通過化學轉化生成的二次微粒共同組成的。直接排入空氣中的微粒主要由塵土性微粒、植物和礦物燃料燃燒產生的碳黑粒子組成。二次微粒主要由硫酸銨和硝酸銨組成，這兩種微粒是由大氣中的SO2和NOx（氮氧化物）轉化生成的。對此，中國科學院大氣物理研究所王躍思課題組利用多臺雷達組網實時監測京津冀區域大氣混合層高度和顆粒物后向散射演變，結合顆粒物化學成分在線解析技術，對區域大氣重霾污染成因和演變特征進行了卓有成效的研究。他們給出的京津冀地區形成重霾污染的機理如圖1所示。

京津冀地區重霾污染形成于周邊以燃煤工業排放為主的污染物輸送，而加強于本地以機動車排放為主的污染物疊加。主要有：工業污染源排放、機動車尾氣排放、散煤燃燒等。其中，京津冀三地自身的排放量大是最主要的因素，對PM2.5污染的貢獻率約為70%。京津冀區域國土面積雖然只占全國的2%，但單位面積SO2、NOx、煙粉塵排放量分別為全國平均水平的3倍、4倍和5倍。

北京、天津、河北、河南、山西、山東6省市占全國面積7.2%，卻消耗了全國33%的煤炭，排放強度是全國平均水平的4倍左右。其中，京津冀地區鋼產量占全國的43%、焦炭產量占全國的47%、電解鋁產量占全國的38%、平板玻璃產量占全國的33%、水泥產量占全國的19%。此外，京津冀區域還有大量排放揮發性有機物的化工產業。京津冀的煤電機組占全國的27%，機動車保有量占全國的28%，特別是重型車保有量占比近30%。冬季采暖期間京津冀本地污染物排放強度大，是重污染天氣高發的根本原因，一旦氣象條件不利，就可能形成重污染。

京津冀地理環境對霧霾的影響

大氣污染顆粒物是造成嚴重霧霾天氣的內因，天氣條件則是外因。京津冀地區的地理環境為北、西方向高，東、南方向低，地形為簸箕形狀，京津冀地區地理環境和地形條件不利于污染物的擴散。這種復雜的地理環境作用形成的海陸風環流、山谷風環流對區域污染物的擴散和大氣環境容量具有重要影響（見圖2）。

首先，一定程度上靠風把污染物吹走，天氣起到了重要作用。

其次，京津冀城市化區域西臨太行山山脈，北靠燕山山脈，東臨渤海，構成復雜的山地、平原、城市和海陸地理環境。白天京津冀地區的污染物受山谷風和城市熱島環流的影響較大，山區受太陽輻射，溫度遠高于平原地區，而形成山谷風大氣環流，污染物就會輸送到山區。晚上山區冷卻降溫，京津冀地區由于城市熱島作用，空氣比山區冷卻得慢，導致溫度高、氣壓低，在山谷風大氣環流作用下，白天送到山區的污染物晚上又送回到京津冀區域。

再次，京津冀地區還存在海陸風。秋季，京津冀地區地表熱力較強，存在海風和陸風的轉換。白天，地表加熱比海面快，陸地溫度比海面高，導致陸地空氣上升，大氣壓力減小，形成海風。晚上陸地冷卻比海面快，導致陸地溫度比海面低，海面空氣上升而陸地空氣下沉，形成陸風。白天污染物從海上送回來，晚上又送到海上，形成循環污染（見圖3）。

此外，除了天氣和地理環境條件作用外，還有一個污染源作用——京津冀地區周邊的東南風、西南風、南風都會把污染物送到北京來。這種地理環境、天氣條件、污染源分布作用，正是導致京津冀地區秋冬季嚴重霧霾天氣頻發的原因。

京津冀氣象條件對霧霾形成的影響

污染物排放和靜穩天氣（小風和靜風）是霧霾形成和維持的重要因素，這是人為因素和自然因素共同作用的結果。國家氣候中心的檢測結果顯示，自2016年11月以來，京津冀地區冷空氣過程次數減少，強度總體偏弱，平均風速減小，小風和靜風日數較常年同期偏多，導致近期京津冀地區風流擴散能力減弱，大氣環境容量降低，霾天氣過程多發。這是因為：（1）京津冀城市群發展，阻擋和摩擦作用使水平風速明顯減弱，小風和靜風現象增多，不利于大氣中懸浮的細顆粒物擴散稀釋，從而積累形成霧霾天氣。

（2）逆溫層加劇霧霾天氣的形成。逆溫是一種典型的大氣層結穩定現象，這種現象在秋冬季尤其常見。當出現“逆溫層”時，它就像在大氣層中蓋了一個鍋蓋，阻礙空氣的垂直對流運動，導致污染物的垂直擴散受到抑制。逆溫層形成大氣污染，大氣污染加劇逆溫層的發展，形成惡性循環，污染物越積越多，必須要有一個天氣過程帶來的冷空氣，才能破壞這種循環。

（3）區域大氣環境容量是在國家大氣環境等級指標控制下的區域大氣環境可容納的大氣污染物的總量。它反映了區域大氣對污染物的通風擴散、降水清洗能力等綜合指標。區域大氣環境容量低，表示該區域大氣對污染物的擴散能力、自凈能力弱，大氣邊界層高度低。與常年同期相比，京津冀地區2016年11月以來，大氣環境容量偏低6%，大氣自凈能力偏低15%，靜穩天氣日數占比達63%。

（4）空氣中懸浮細顆粒物的增溫效應。大氣中的懸浮細顆粒物吸收太陽輻射，加熱大氣邊界層溫度，增加大氣邊界層的穩定度，不利于大氣污染物的擴散。加劇大氣中污染物的積累，增強霧霾天氣的形成過程。

治理京津冀地區霧霾的關鍵

區域霧霾污染天氣的發生，主要是由工業、燃煤、機動車等的排放和不利的氣象條件等因素造成的。持續的霧霾污染天氣主要與靜穩天氣系統、大氣垂直結構、水平輸送密切相關。京津冀地區的霧霾污染與大氣環流及周邊省市的污染源排放有直接關系，地區霧霾治理必須與周邊區域協同，這才是解決京津冀地區霧霾污染問題的關鍵所在。從中長期而言，治理霧霾，需要摸清京津冀區域及周邊省市各類污染源對京津冀地區霧霾污染形成的貢獻，大力優化能源結構、產業結構。從短期而言，制定各類不利氣象條件下的協同應急減排方案，是有效控制京津冀霧霾污染的有力措施。

京津冀周邊省市的區域傳輸對京津冀PM2.5污染的貢獻率約占30%，其中影響最大的是山東、河南兩省的污染排放。治理京津冀區域大氣污染，有必要對京津冀及周邊地區進行污染源排放的聯防聯控。雖然京津冀地區霧霾的治理，天氣條件很重要，但不能全靠風來吹，想要根本解決還是要靠區域減排，關鍵是要減少污染源的排放。

（作者分別為北京大學物理學院大氣科學系教授、中國氣象科學研究院助理研究員）