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京城藍天愛玩躲貓貓?專家析北京霾怎麼來怎麼走

  • 發佈時間:2015-02-17 08:30:39  來源:中國環境報  作者:劉曉星  責任編輯:馬藝文

  兩年前《大氣污染防治行動計劃》出臺,中國城市正式吹響了抗擊灰霾這場戰役。治病需找病灶,治霾則需追源頭。在日前由中國環境科學學會等單位聯合舉辦的京津冀灰霾形成機制探討沙龍上,專家們分享了最新的研究成果,試圖解答公眾對於灰霾形成的困惑和未知。

  ——編者

  監測數據下降,緣何公眾感覺越來越重?

  北京大學自2004年開始全年監測PM2.5,監測數據分析顯示,除了2008年因舉辦奧運年均濃度最低外,最近幾年PM2.5年均濃度較2006年和2007年略有下降。PM2.5的濃度在降低,但是為何公眾卻覺得灰霾越來越嚴重呢了?對此,北京大學環境科學與工程學院教授胡敏解釋説,“2012和2013年的極端重污染天數增多,可能是公眾感到灰霾加重的原因。”

  北京市環境監測中心主任張大偉用數據印證了這一觀點:從1998年開始,北京市一直監測的二氧化硫、二氧化氮和PM10濃度都在下降。其中PM10下降了40%左右,PM10包含PM2.5,PM2.5應該也隨之下降。北京市環保部門自2013年才開始正式監測併發布PM2.5的數據。在此之前的科技論文中,北京城區點位PM2.5的監測數據,總體在80~120微克/立方米之間波浪變化。2000年最高,之後開始下降,到2006、2007年又出現了一個高峰

  “2013年和2014年,北京市PM2.5的年均濃度分別是89.5微克/立方米和85.9微克/立方米,所以對比來看,PM2.5的濃度並不是一下子漲起來的,歷史上比現在可能還要高。有一種可能是,現在的PM2.5組分發生了變化,影響能見度的部分增加了,導致灰霾的視覺衝擊加大。”張大偉説。

  與此同時,很多業內專家指出,由於環保部門和氣象部門在對霾的觀測、預報、預警指標的判識上存在一定的差別,導致公眾對霾的污染程度存在混淆。氣象部門關於霾的預報,包括輕度霾、中度霾、重度霾是以能見度為標準,在濕度達到一定程度時,按照地面觀測規範規定的描述或大氣成分指標進一步判識,從而依據霾的程度來進行霾的預警的。環保部門則是依據PM2.5的濃度進行黃色、橙色和紅色的重污染天氣預警。雖然本質都是PM2.5,但是因為判定的標準不一,往往造成霾預警的等級不一樣。

  相比其他城市,為何北京灰霾形成更迅速?

  北京大學環境科學與工程學院胡敏教授課題組與美國德克薩斯州農工大學張人一教授合作研究揭示北京霾形成的機制。這一成果基於北京大學環境模擬與污染控制國家重點實驗室在校園內長期運作“城市大氣環境定位觀測站”觀測研究,成果于2014年11月24日發表在美國著名科學期刊《美國科學院院報》上。

  霾主要是由於空氣中高濃度的細顆粒物(PM2.5)對太陽光的消光作用導致的能見度下降的現象。這項研究分析了北京初秋典型霾污染過程,霾發生時表現出以高臭氧和高PM2.5為特徵的大氣複合污染特徵。

  胡敏介紹説,北京的霾從形成到結束一般以4天~7天為週期,而且從藍天白雲的清潔天到嚴重的霾天只需要幾天時間。每個週期都包括兩個重要的化學轉化過程——在清潔天,主要是氣態污染物生成奈米顆粒物的過程,也稱為顆粒物的核化過程,這個過程中産生了大量的奈米級粒子;在隨後幾天,是顆粒物持續快速的增長過程,使得在清潔階段“種植”的種子得以長大到亞微米大小,這樣大小的顆粒物對太陽光的消光作用明顯,因此導致能見度的降低從而形成霾。北京PM2.5品質濃度的增長非常迅速,在清潔天細顆粒物品質濃度不足50微克每立方米,但在兩天至4天后的污染階段會增至數百微克每立方米。

  應該説,這項研究從機理上解釋了北京的霾比世界上其他地區形成更迅速且更嚴重的原因。北京大氣顆粒物化學組成與世界上其他地區非常相似,主要是硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和二次有機物等二次顆粒物,表現出明顯的二次形成特徵,並無特殊之處。但是,在我國大氣複合污染條件下,強氧化性和高濃度的氣態污染物使得顆粒物具有更強的核化能力和持續快速增長的能力。

  對此,胡敏解釋説,霾的形成過程中,成核過程在世界上許多地區也會發生,但北京成核的潛力遠高於其他地區;更為獨特的是顆粒物的持續快速增長過程,同時具有這兩個方面就使得北京的霾更加嚴重。相比之下,國外發達國家城市中氣態污染物濃度較低,大氣氧化性也沒有北京強,因此很難同時出現顆粒物有效的核化及持續快速增長。

  胡敏解釋説,夏秋季,研究發現在北京的地形地勢和不同氣象條件下,PM2.5呈現4天~7天的週期性波動。例如,第一天是來自清潔地區的北風,且風速較大,將北京地區的污染物驅除。可是半天至一天后,風速減緩為靜穩天氣或風向轉為來自污染地區的南風,顆粒物快速生成,導致在剩下的3天~5天,濃度持續上升,直至新一輪北風降臨,驅除污染。

  這就意味著,即使在秋高氣爽、藍天白雲下,大氣污染物的化學轉化過程仍在進行。由機動車、工業企業排放的氣態污染物轉化成可凝結蒸汽,進而核化成奈米級的最小的顆粒物,儘管對顆粒物的品質濃度增加不多,但是在大氣中播撒了大量顆粒物的“種子”;一旦出現不利的氣象條件,其他的氣體污染物在這些小顆粒物上不斷凝結,這些顆粒物就會迅速長大,就像種子迅速生根發芽一樣,霾就出現了。這個過程很快,常常是上午還是藍天,中午就出現了大量的種子,下午種子就開始發芽長大,藍天就隨之消失了。這是北京成霾的獨特過程。

  二次污染是元兇,怎樣才能有效治理?

  胡敏科研團隊的研究成果再次證實了通過化學反應産生的二次污染對我國灰霾加劇貢獻巨大。

  2014年2月,京津冀地區一輪持續的大範圍灰霾天氣發生時,一些城市二次污染的貢獻成分比例甚至高達80%。

  在大氣細顆粒物的重要組分中,硫酸鹽與灰霾形成密切相關。中科院生態環境研究中心研究員、中科院戰略性先導科技專項“大氣灰霾追因和控制”首席科學家賀泓表示,硫酸鹽在成霾的過程中起到了非常重要的作用。監測數據顯示,通常灰霾形成後,硫酸鹽在大氣PM2.5顆粒中的佔比在15%~20%之間。二次污染生成過程中,燃煤、重化工、機動車排放的二氧化硫和氮氧化物本身是氣體,這些氣體經過大氣氧化作用,變成硫酸鹽和硝酸鹽顆粒,從而加劇灰霾的發生。

  通常情況下,二氧化硫在常見的礦質氧化物表面發生化學反應後,主要産物為亞硫酸鹽,短時間內難以轉化為硫酸鹽,但共存的氮氧化物卻可以極大地促進二氧化硫和亞硫酸鹽向硫酸鹽轉化。賀泓和研究團隊在更接近實際大氣環境的煙霧箱中對上述反應機理進行了驗證,確認了氮氧化物和懸浮礦質氧化物顆粒對生成硫酸鹽的促進作用和機理。

  賀泓説,2013年1月北京地區強霾期間監測數據顯示,北京城區和北部遠郊區的二氧化硫濃度接近,但PM2.5濃度卻呈現城區高、郊區低的特點,進一步研究則發現PM2.5濃度和城郊的氮氧化物濃度呈正相關,即城市中汽車尾氣等排放的氮氧化物多於郊區,使得這一城區PM2.5濃度增高。

  美國德克薩斯州農工大學大氣化學與環境研究中心主任張人一分析説,我國灰霾的形成機制比英國倫敦和美國洛杉磯早先的煙霧事件要複雜得多。倫敦煙霧産生的主要成因是燃煤,以硫氧化物為主;洛杉磯的煙霧則主要因為機動車排放,主要是氮氧化物和揮發性有機物的影響,而我國恰恰是兩種污染的高度複合。我國的燃煤量非常大,城市機動車保有量也在快速增加,同時鋼鐵、建材、水泥、陶瓷玻璃等高排放的一些行業依舊在發展,短時間內多種污染物的複合出現,使得我國灰霾成因非常複雜。

  北京PM2.5源解析成果顯示,本地污染排放貢獻率為64%~72%。在本地污染中,機動車來源貢獻率最高。

  張大偉説:“PM2.5的主要成分無非是硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、有機物,還有一些黑炭、礦物塵等。這些物質是燒出來的,飄出來的,揚出來的。”他解釋,燒出來的主要是硫酸鹽、硝酸鹽,由化石能源燃燒排放的二氧化硫、氮氧化物轉化而來,還有部分不完全燃燒排放的有機物。飄出來的是工業生産及機動車尾氣中的VOCs(揮發性有機化合物),以及主要來自畜禽養殖、農業生産等揮發排放的氨氣,城市裏的機動車也會排一部分氨。揚出來的則是揚塵類。

  胡敏強調,除了本地污染源,北京頻發灰霾受外來輸送的影響也很大。“控制PM2.5前體物,即城市機動車VOCs和氮氧化物的排放,以及控制區域工業SO2的排放是治霾的關鍵所在。”胡敏説。

  追問藍天

  APEC期間吹來哪些東風?

  APEC期間氣象條件不利,那麼藍天是如何實現的?

  張大偉介紹説,2014年11月1日,專家預報11月4日~5日、8日~11日將有兩次不利氣象條件。4日~5日是偏西南風向,所以西南方向沿太行山東麓的廊坊、保定、石家莊,邢臺、邯鄲5個城市啟動最高級別減排措施。8日~11日的預報是先偏東風,再轉偏南風,所以西南的5個城市繼續最高級別,東南方向的天津、唐山、滄州、衡水,包括山東的6個城市,啟動最高級別減排措施。另外,山西、內蒙古等部分城市也相應採取了措施。最終區域內共有17個城市1萬多家工業企業停産停工,4萬多個工地停工。除此之外,燃煤電廠減排50%,鋼鐵、水泥等高架源全部停産,涉及VOCs(揮發性有機化合物)的工序全部停産,機動車限行,7個省份減排了約一半污染物,這才實現了藍天目標。

  胡敏的課題組也觀測了APEC期間顆粒物的增長過程,發現雖然APEC期間也遭遇了靜穩天氣,污染擴散不利,但顆粒物污染的增長明顯變慢。

  “説明APEC期間的減排措施是有效的,因為機動車和工業過程排放的VOCs、氮氧化物、二氧化硫減少,導致這些氣態污染物形成的二次污染物減少了。”胡敏説。

  APEC期間的減排量是依靠工業企業停限産、機動車限行、工地停工等實現的,這些措施大都是非常規措施,難以常態化。對此,張大偉認為,從長遠看,還需要通過産業結構、能源結構等的調整優化,以及末端治理的加強等來實現減排效果的常態化,這是一個循序漸進的過程。當下每年的常規減排力度通常最多也不超過10%,大幅度減排才能有根本性的改善,小幅度減排只能有小幅的改善,所以説空氣污染治理改善是複雜的、艱巨的、長期的過程。

  APEC會議空氣品質保障工作,是京津冀協同治理的一次成功的嘗試和實踐,大幅減排是根本,而區域協同治理與污染物協同治理是關鍵。

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