北京大气污染溯源
- 来源:瞭望东方周刊
- 关键字:北京,大气污染,PM2.5,交通排放
- 发布时间:2012-01-19 11:33
在他看来，北京PM2.5污染的三分之一来自本地排放，三分之一来自区域输送，三分之一来源于污染气体的转化。因此，“北京若想彻底解决PM2.5污染，在加强自身污染源治理的同时，要联合周边省市协同调控，最后要注意天气过程导致PM2.5对区域灰霾形成的临界影响条件。”比如2011年岁末北京惊人的雾霾污染事件，就与不利于污染物扩散的天气过程密切相关。
对于北京周边各省市共同减排，中国工程院院士郝吉明在接受《瞭望东方周刊》采访时也强调：“不仅京津冀地区需要联防联动，我认为中国整个东部地区都要实现联防联控。”
NGO组织公共环境研究中心主任马军则认为，在保证市民正常生活的前提下，目前北京地区机动车减排空间较小而且实施困难，“如果联防联控，环京区域取得良好的大气治理效果，那么还能够给北京机动车排放让渡一定的环境容量。”
颗粒物的变化
北京奥运会过后，王跃思的一个重要工作就是中科院重大项目“京津塘区域环境污染调控技术与示范”。这一课题在2011年12月底刚刚验收，研究成果全面反映了北京及周边区域的环境污染情况。
通过分布于北京、天津、河北和山东各地的10个观测点，监测到京津冀区域内污染物干湿沉降总量日益增加趋势。干沉降指大气污染物在没有降水的条件下向地表的输送过程，包括颗粒物干沉降和污染气体干沉降；湿沉降则指通过雨、雪、雾等形式降落到地面的过程。
作为项目首席技术专家，王跃思告诉《瞭望东方周刊》，目前京津塘地区平均每公顷地表每年接受到的降尘量大约是1.2吨，相当于每平方米每月有10克降尘。
这些降尘中包含着大量的污染物质，将气体干沉降计算在内，京津冀区域平均硫（硫酸盐和二氧化硫）沉降量为每公顷每年65公斤；氮（铵态氮和硝态氮以及气态氮化物）每公顷每年沉降为60公斤；有害重金属沉降3.3公斤；另外还有0.6公斤致癌物质多环芳烃（16种）沉降。
王跃思表示，这组数据说明了整个京津冀区域大气污染的严重性，已经到达了非治理不可的地步。
从整体上讲，近十多年来京津塘区域降尘量有所下降，但是污染气体的干沉降有逐年增加趋势。“从数据上看，这个地区的沙尘减少了，但大气中的人为有害污染物的沉降增多了。”王跃思表示，这说明京津塘地区污染人为排放量正在增加。
特别是最近3年的统计显示，污染物总体在上升。“根据北京市环保局公布的数据和我们获得的数据，2000年以来北京地区可吸入颗粒物浓度变化大致可以分为4个阶段。2000至2003年为下降阶段，PM10从160下降到每立方米140微克；2003至2006年又从140反弹到160微克；2006至2009年从160下降到110微克；2009年以来，又呈现出上升势头。”
2008年对于北京大气污染的治理是一个转折点。这不仅指大气能见度，也包括大气污染物中的有害化学成分。
王跃思解释说，颗粒物干沉降主要测定的是粗粒子，即PM100，指空气动力学等效直径在100微米以下粒子的总称。人们关注的PM2.5则是指直径在2.5微米以下的细颗粒物。
在PM2.5中，0.4微米到0.7微米之间的细粒子对灰霾的“贡献”最大，“因为这个范围正好是可见光的波长范围，两者相吻合细粒子就会散射或是吸收可见光，进而在视觉上产生霾。”王跃思表示，细粒子寿命比较长，其中从0.1微米到1微米的细粒子寿命最长，可以远距离输送造成整个区域形成灰霾。
10年来，PM10浓度几度起伏，但有所下降，而PM2.5还没有显著降低，近年来并有小幅升高。且PM2.5在PM10中的比例仍在上升，在严重灰霾天，PM2.5占PM10的比例往往超过70%。
交通排放约占50%
“为什么环保局报的和公众视觉有所差异？是因为现在颗粒物的理化特性比起前几年有了显著的变化，大气中细粒子的数浓度增加了，但密度变小了。”王跃思解释说，“公众视觉大气能见度下降，主要是与大气中细粒子的数浓度相关性更强，而与环保局报告的质量浓度相关性较差；另一个重要原因是，与视觉相关的光学等效直径0.4至1.0微米的细粒子消光性更强，但与质量浓度所测定的空气动力学等效直径的细粒子并不完全吻合。差异就这样产生了。”
能见度实际还与颗粒物对光的吸收有关，特别是黑炭粒子，比如汽车冒出的黑烟对可见光的吸收能力很强。但目前的研究结果表明这部分对消光的“贡献”小于10%。北京近年来灰霾天增加的本质原因，仍然是细粒子浓度上升所致。
据他介绍，直径10微米到2.5微米的粗粒子多来源于地面扬尘、柴油车和建筑扬尘、大的电厂和炼钢厂等工业过程。经过前奥运期的强力治理，这些粗粒子质量浓度得到控制，是北京大气PM10总体下降的直接原因。
粗粒子的有效治理，就可使PM10下降至国家二级标准每立方米150微克以下，而且仅仅依靠政府部门就能实现。但PM2.5治理就没那么简单了，需要政府部门、企业和公众深度参与才有可能实现，并且必须区域联防联控。
“京津冀区域灰霾天增加的本质原因，是大气中含碳的轻质细粒子数浓度大幅度增加所致，其主要来源是人为的化石燃料燃烧过程排放。”王跃思进一步解释，机动车及相关产业过程占PM2.5来源的大约50%，其中有发动机的问题，也有油品的问题。
中国油品含硫量偏高，燃烧过程产生的细粒子数浓度巨大，但超级细小的颗粒物刚刚排放出来时人们看不见它们，由于它们之中含有吸湿性很强的硫酸盐和硝酸盐，遇到湿度较大的天气立即吸收水汽膨胀“变胖”，当直径增长到0.4微米以上，就能散射太阳光而进入公众视野，就是人们看到的“灰霾”。
“这种超细粒子，也可称为纳米粒子，是PM2.5形成的原料之一。”这些细小粒子和形成它们的气态物质的共同特性就是在大气中飘浮的时间长，传输距离远，也是PM2.5治理的最大障碍。
后奥运挑战
“北京奥运会后空气污染反弹是正常的。最近3年的上升在我们预料之中。但如果说是洪水猛兽、不能反弹，那不实事求是。”王跃思说，从2000年起至今，北京大气污染最低的其实并非2008年，而是2009年，“2008年污染源临时管控措施的延续，加上2009年赶上非常好的天气，所以这一年北京大气颗粒物污染浓度最低。”
事实上，2006到2008年上半年北京的大气污染一直严重。“很多奥运场馆还在施工，地面都裸露着，扬尘比较大，奥运会前夕粗粒子占PM10的60%，PM2.5往往只占到PM10的不到40%。”他坦言，北京奥运会的临时强力措施显然很难延续，大气质量出现起伏也属必然。
除了细粒子浓度上升速度快，后奥运期氮氧化物上升也较快。这一部分污染与汽车数量增加有相当大的关系。公众还不太关注的一种污染物也在快速上升，就是挥发性有机物。
“对于它，我们从1995年左右就开始有观测，2000年到2005年挥发性有机物是上升的，此后一直到2009年是下降的，近3年又呈现上升势头。”王跃思说，氮氧化物和挥发性有机物的上升，导致了京津冀区域臭氧浓度的增加。“臭氧并不是谁排放的，而是在这两种物质的驱动下，在大气中光化学转化生成的。在京津冀区域，相对比较干净的城市边缘地区臭氧的小时最高浓度，经常会超过每立方米200微克。”而国家环保部最新制定的二级标准为8小时滑动平均最高值不超过每立方米160微克。
PM2.5的夏季均值分别是每立方米46、59和49微克，这组数据的意义在于，京津冀最清洁的地区尚且如此，城市区域PM2.5的浓度或多或少都会高于这些数值。“还是回到那两个观点，”王跃思继续介绍说，“治理PM2.5不能急功近利，要制定循序渐进的长期目标；需要区域协同防控，或是步调一致地控制。”
更为重要的是，监测报告认为：京津塘区域污染物人为排放量到达高位后，存在着严重的区域内城市间相互输送，“全面污染源减排才有可能控制住目前严重的区域大气、水和土壤间严重的复合污染。”
随风而来的污染
在沙尘减少，污染物增多的情况下，确定这些污染物的来源就显得相当重要。而这又与天气过程和季节轮换纠缠在一起。
在整个京津冀区域，大气污染表现出明显的季节特征，春季沙尘、浮尘严重；夏季光化学污染多发；秋季雾霾天气多；而冬季燃煤取暖污染物排放与汽车尾气叠加，造成污染超标时有发生。此外，不利于污染物扩散的地形，也是京津冀区域易发生大气灰霾污染不可忽视的原因。
总体而言，地处平原区域的河北、河南以及山东的排放对北京的影响更大一些。而山西在太行山的另一侧，导致在通常情况下来自北京西北部的大气污染输送较少。比如，京西灵山监测站的污染物浓度就比较低，但西北风携带的高浓度硫酸盐仍然表明这些区域存在着大量的煤燃烧，并且二氧化硫排放依然严重。
中国工程院院士、区域大气污染联防联控规划编制总体组顾问郝吉明则向本刊记者表示，夏天大气氧化性较强，二氧化硫排放容易转化成硫酸盐，而氮氧化物则容易转化成硝酸盐，“这个转化需要时间和空间，在偏南风的天气形势下一路往北，山东、山西的污染源很容易就会转移到北京。”郝吉明说，秋冬季节随着风向转变为偏北风，山东的污染源对北京影响减小，而是转向南方，对上海等城市产生更大影响。
王跃思认为，PM2.5细颗粒物较粗粒子更容易传输，并在传输过程中不断变化和聚集。仅这些从西北地区长距离输送而来的颗粒物，其中硫酸盐等水溶性无机盐的浓度往往就可超过立方米35微克。他说，这个数字正是国家环保部设立的2016年PM2.5调控的年度目标，实现的难度可想而知。
20%与50%
持有同样观点的还包括环保NGO公共环境研究中心主任马军。
他说，PM2.5这种细颗粒物能在空气中存在十几天的时间，而且传播速度很快，“从新疆、内蒙古到北京只需要一两天时间就到了。虽然北京市的工业都陆续外迁到河北唐山以及北京周边省份，但距离北京并不远”。
根据公共环境研究中心等NGO近日发布的《中国大气污染定位报告》报告，山东、河北、江苏、山西、内蒙古是废气排放大户最为集中省区。除江苏外，均为环京省区。
这份报告对环境主管部门确认的4400余家最大排放企业进行了定位，从而得出上述结论。
同时，根据《中国环境状况公报》、《中国环境质量报告》等材料的数据统计显示，在全国范围内，工业排放在二氧化硫、烟尘、氮氧化合物中的比例都超过75%，高于居民生活、交通、农业排放的总和。
2007年8月17日至20日“好运北京测试赛”实施机动车单双号限行措施期间，氮氧化物、一氧化碳和可吸入颗粒物浓度平均下降15%至20%。
据北京市环保局统计，在奥运会和残奥会举办的2008年8月、9月，北京市大气环境中各主要污染物浓度平均下降45%，奥运会期间下降50%。
根据中国科学院大气物理研究所京津冀区域联网观测研究结果，北京大气污染缓解的背景是，整个华北区域内污染物水平较2007年同期下降了15%到20%。涿州、廊坊、香河和燕郊等地下降了40%到45%，石家庄、禹城、秦皇岛等离北京相对较远的地方也达到15%到20%。
由此可见，北京周边的天津、河北、山西、内蒙古、山东等5省区，停、限工业排放及燃煤污染对于北京大气治理的重要性，至少与当时严厉的北京本市机动车单双号限行相当。
王跃思说，根据监测，2008年奥运会后北京及周边地区污染物反弹的速度和与北京的距离成正比，“离北京越近反弹的速度越慢，离北京越远反弹的速度越快。”
马军则表示，灰霾并非北京独有，环京的天津、河北、山西乃至辽宁、山东等地都面临灰霾的影响，“这是个区域性的问题。虽然工业企业外迁，但周边工业规模还在扩大，如果这样下去，最终形成区域性的污染，谁都没办法逃过。”
同一个世界
“我认为要想达到环保部2016年将出台的控制目标，至少需要10年，可能要20年。比如日均值从每立方米75微克到50微克用10年时间，再从每立方米50微克到35微克，没有10年也不行，越往下越难。”王跃思说，因为中国，特别是北京周边范围有一个全世界都没有的现象，就是其人口密度及总量在历史上从未出现过，在世界其他地区也少见。
如此强烈的人类活动，中心城区过于强大的社会功能，使大气污染控制的不确定性很大，这使政府部门必须要有足够的心理准备并对各个环节都高度重视。
不过，王跃思认为公众不用过于惊慌，但要高度关注，本着同舟共济的精神和科学的态度积极参与，才能共同度过目前的空气污染难关。
郝吉明也强调，“在污染最严重的时候，整个区域的天气形势基本相同，大家是一个共同体，在同一个大气环境条件下。周边对北京、北京对周边是互相影响的。比如京津冀这个区域，如果稳定的天气条件持续3到5天，那么整体环境容量就不达标了。”
在马军看来，对于北京这样的大城市而言，交通减排的空间已经非常有限，特别是经过三四年来的持续强化，“这涉及到数以百万计的分散的污染源，中间掺杂着交通体系、城市规划、司机驾驶习惯等等复杂因素。”相对而言，工业排放的控制更为容易一些，“因为工业排放的数量是有限的，排放源头是固定而清晰的，控制好工业源头，还能给机动车等排放让渡出一定环境容量空间。
事实上，即使交通减排也并非北京可以独立承担解决。“这部分污染气体和小粒子不仅北京自己排放，周边区域也有大量排放，”王跃思说，“调控方案并不是一个城市或者一个单位就能独立完善制定的，彻底解决问题也不能单凭自己的力量。”
郝吉明特别谈到，规模巨大的河北省钢铁产业如何调整是个难题。他认为，环北京地区经济发展仍过多依赖重化工，也是个不容易解决的问题，“在全国许多重点城市无法达到PM2.5标准的情况下，北京如何独善其身？”
（本文相关科学问题得到中科院大气物理研究所王跃思研究员及其团队潘月鹏、刘子锐、吉东生等三位博士的支持，特此表示感谢）
干沉降污染物的主要来源：
硫沉降主要来源于电厂、工业和居民取暖时燃煤排放的二氧化硫及其转化的硫酸盐，氮沉降则主要来自机动车尾气排放的氮氧化物和农业过量化肥施用及其养殖业排放的氨气，汽车尾气、工业脱硝过程和垃圾堆放也可能排放大量的氨气，排放源分类定量化的数据则需要进一步的观测研究；大气中有害重金属则主要来源于整个京津冀区域黑色金属冶炼和燃煤；多环芳烃则来源于煤、重油和生物质燃烧过程，尤其冬季取暖期间，京津冀大气中PM2.5中多环芳烃的富集量高于其他季节2至3倍。
超细的纳米粒子则可以通过大气光化学转化形成，燃煤排放的二氧化硫、机动车排放的氮氧化物和挥发性有机气体（主要来源于汽油挥发、石油化工和溶剂挥发等）在大气中经光氧化即可形成这种纳米粒子。
2000年京津塘地区大气颗粒物的变化：
整个京津塘区域的PM10在下降，但PM2.5一直处于高位，原因是PM2.5在PM10中的比例大幅度上升。比如，2000年前后，PM10浓度为每立方米160微克，此时PM2.5仅占其中的45%，推算其质量浓度为每立方米72微克；2010年前后，PM10年均值下降到每立方米120微克，但此时PM2.5在PM10中的比例已经上升到60%，推算出来PM2.5仍然是每立方米72微克，与实测的PM2.5数据基本吻合。
京津塘地区臭氧监测情况：
在城市地面，由于汽车排放的一氧化氮消耗臭氧，所以检测数据看起来大多情况下臭氧不会超标。但在中国科学院华北区域大气本底站——河北兴隆观测站，观测到的结果令人十分担忧。
2009、2010和2011年每年夏季（6-8月）臭氧小时最高浓度平均值分别为立方米172、196和203微克，均接近或超过国家现行臭氧二级标准。若以8小时滑动平均值立方米160微克，2009、2010和2011年每年夏季（6-8月）臭氧8小时滑动平均最高值分别为立方米159、174和192微克，超标将更加严重。
地理位置对北京环境的重要影响：
北京西北东三面环山，都是海拔1000米左右的高山，污染物容易积存在山前平原，一般规律是3至4天才有一个清除污染的天气过程，比如下雨或是刮风。如果遇到持续微弱的偏南风远程输送，局地排放的污染物就聚集在山凹里，使北京地区大气污染迅速积累升高；加之随风而来的西南方向和东南方向的污染都比较严重，导致北京受偏南风影响时空气质量就明显恶化。
王跃思研究员举例说，京津冀所处的纬度带（北纬30-50度）其实是北半球的一个污染带，包含有东京、伦敦、巴黎、柏林、旧金山和洛杉矶等世界重要城市，“历史上这些地区都发生过严重的大气污染。现在这一纬度带上的发达国家日本、欧洲和美国的大气环境都很好，是因为他们都进行了长期的治理，多数城市治理了几十年才有现在的结果”。
再比如，夏秋季节偏南风在深入到华北后，又没带来明显的降水，也会造成严重的颗粒物污染事件，“偏南风没有带来降水，但携带的水汽使细粒子吸湿变‘胖’造成可见光散射，大气能见度就会急速下降。”
（本刊记者葛江涛采访整理）
《瞭望东方周刊》记者葛江涛|北京报道
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