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“如何根治北方霧霾”

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技術中（zhōng）心研發總監 | 許昌日

本文於2020年4月20日被《中國能源報》刊發

近（jìn）年來，隨著經濟快速（sù）發展，人口迅速膨脹（zhàng），城市化規模（mó）不（bú）斷（duàn）擴大，環境汙染現象日益嚴重。但同時，人們（men）對以環境質量為首的生活品質（zhì）要求逐漸提高，使得經（jīng）濟（jì）和環境可持續發展之間的矛（máo）盾日益增長。其中，以霧霾為首的大氣汙染問題尤為受到關注。

主（zhǔ）要汙染物是PM2.5和O? 

統計顯示，北京霧霾主要出現在1-3月、7月及10-12月。從季節上看，春（chūn）、秋及冬季霧霾發生次數遠高於（yú）夏季，冬季霧霾發生次（cì）數最多。

分析2014-2017年大氣汙（wū）染物排放濃度均值（zhí）的月（yuè）度變化趨勢，發現大氣PM2.5、PM10、SO2、NO?、CO的平均濃度與月度（dù）霧霾天數的趨勢相吻合，其（qí）平均濃度都是5月-9月較低，10月-次年（nián）4月（yuè）較高；O?的（de）趨勢剛好相反。
    同時，2014-2017年，與霧霾（mái）相關的首要汙染物，主要集中在PM2.5、PM10和O?，其中6-8月首要汙染物PM2.5和O?各占約50%，而其他月份中PM2.5幾乎獨占鼇頭。這（zhè）表明，夏季O?對霧霾的影響顯著，PM2.5在一年四季都對（duì）霧霾產生影響（xiǎng）。 

研究表明，北（běi）京地區PM2.5主要由元素碳、有機（jī）碳、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽等組成。霧霾越嚴重，PM2.5中的硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽比例越高（gāo），元素（sù）碳、有機碳比例則越低（dī）。機動車、散煤燃（rán）燒、居民麵源及生物質燃燒等汙染源直接排放的（de）一次有機碳，對（duì）華北地區（qū）灰霾的早期形成具有重要貢獻，因為一次排放的有機碳可以為SO2和NOx的非均相化學反應提供反應界麵，促進了硫酸鹽和（hé）硝酸鹽大量生成，是重汙染期間PM2.5爆發性增長的主要原因。

除了一次有機碳，汙染源排放的VOCs在大氣中經光化學反應生（shēng）成的二次有機碳也影響著北京大氣環境（jìng）。二次有機碳更容易在粒徑（jìng）較小的PM1中積聚，而北京的PM1占PM2.5的質（zhì）量濃度比例達到了60%-74%。O?與（yǔ）霧霾的相互作用（yòng）中，主流觀點是臭氧的強（qiáng）氧化性（xìng）導致大氣中的SO2、NO?、VOCs被氧（yǎng）化並逐漸凝結成顆粒物（wù），從（cóng）而（ér）增加PM2.5濃度，即間接加重（chóng）PM2.5的形成。

關於O?，氣象因素（sù）（高（gāo）溫、低濕、低（dī）壓）和高前體物體積濃度(CO、VOCs和NOx)都影響這著O?的形成。北京地區夏（xià）季副熱帶高壓係統或均壓場（chǎng）下的弱（ruò）高壓係統均有利於O?的本地光（guāng）化學反應生成, 且不利於汙染物的擴散。北京城區夏（xià）季O? 生成處於VOCs控製區, 機動車尾氣、化石（shí）燃料和（hé）生物質燃（rán）燒、溶（róng）劑（jì）使用等人為排放的VOCs 對O?體積（jī）濃度的影響最大。

繼（jì）續保持汙染物減排力度 

大氣（qì）汙染（rǎn）物的環境容量和汙染物實際排（pái）放量，也可從另一方麵說明汙染物與霧霾的關係。

大氣環境容量是指一個區域在（zài）某種環境目標（如空氣質量達標）約束（shù）下的大氣汙染物最大允許排放量，即在一定的氣象條件及一定的汙染源排放條（tiáo）件下，某一特定區域在滿足該區域環境空氣（qì）環境質量目標（biāo）的（de）前提（tí）下，單位時間所能允（yǔn）許的各類汙染源向大氣（qì）中排放的各類汙染物總量。

影響大氣環（huán）境容量的因素，除（chú）了大氣汙染物的環境化學特（tè）征外，還有（yǒu）區域環境目標、區域地理和氣象特征等。2017年北京市煙塵、SO2、NOx的排放量分別為2.04萬t、2.01萬t、14.45萬t，按煙塵中PM2.5的（de）比例87%-90%來估算（suàn），2017年PM2.5的排放量約達到（dào）1.77-1.84萬t，除了SO2以外，PM2.5和（hé）NOx排放量仍然接近或超過一些（xiē）學者指（zhǐ）出（chū）的北京市大（dà）氣汙染物環境容量（見圖1）。

▲圖1. 2017年北京市大氣汙染物排放（fàng）量與大氣環境容量的（de）比較

氣象因（yīn）素影響較大 

如果說，大氣汙染（rǎn）物是引發霧霾的內因，氣象條件則是引發霧霾的外因。

“數據顯示，當北京近地麵平均風速超過4.5m/s時，即（jí）約等於3-4級風時，幾乎不（bú）出現霧霾天氣；當平均風速逐漸降低（dī）時，霧霾天出現（xiàn）的頻次也隨之增高（gāo）；當平均風速降（jiàng）低到1.5m/s以（yǐ）下，即1級風以下時，霧霾天的比（bǐ）例達到60%以上。
  同樣，風向也是影響霧霾的影響（xiǎng）因素。

2014-2017年，當北京最大風速的風向為SSW（南西南風）和SW（西南風）時,霧霾天數接近100天，霧霾天出現頻次最高，接下來是（shì）ENE（東北東風）風向（xiàng）時出現約50個霧霾天。

這與北京周邊的高強度排放（fàng）地區都位於南部和東部地區（qū）的現狀也（yě）十分吻合。

根據北京及周邊地理位置可知，如果周（zhōu）邊產生的（de）汙染物擴散到北京而影響霧（wù）霾的（de）話，這些汙染物很可（kě）能來源（yuán）於石（shí）家莊—保定沿線和唐山一（yī）帶地區。

2014-2017年，同時間段（duàn）石（shí）家莊、保定、唐（táng）山等地的大氣中各（gè）汙染物濃度幾（jǐ）乎都要高於北京的對應汙染物濃度，表（biǎo）明北京與周邊地區的大氣中各（gè）汙染物濃（nóng）度之間存（cún）在汙染物濃度差，具備了外來汙染物的輸入條件。

 疫情期間霧霾主要是外因所致 

新冠肺（fèi）炎疫情期（qī）間，霧霾現象似乎仍（réng）沒有得到改善，因此出現汙（wū）染物減排是否（fǒu）真正管用、汙染物減排方向是否跑偏等質疑聲。對此，筆者根（gēn）據（jù）近幾年的大氣汙染物（wù）濃度（dù）、空氣質量（liàng）、近地（dì）麵風速和最大風（fēng）速的風向（xiàng）等進行對比分析。

▲圖2. 2014-2020年，北京市1月、2月大氣汙染物平均濃度（dù）

從圖2可以看出，過去3年北（běi）京市1-2月（yuè）的大氣汙（wū）染物（wù）中PM2.5、PM10、SO2、CO等（děng）濃度相比2017年及以前有較（jiào）大（dà）幅度的減少，NO?濃度也有所降低，隻有O?濃度有一定（dìng）增加（jiā）。

結合空氣（qì）質量變化特征，發現北京近幾年1、2月份的空氣質量確（què）實逐漸好轉，空氣質量從輕度汙染到嚴重汙染的總天數顯著降低，1月和2月的平均空氣汙染（rǎn）天數（shù）從2014年的18天/月下降到近3年的7天/月。

但另一方麵也可（kě）以看（kàn）出，從2018年開始，近三年1、2月份北京的（de）空氣質量似乎並沒有得到進一步改善。

筆者統計了過去7年1、2月份北京受上述5個風向影響的（de）天數和同時間的北（běi）京空（kōng）氣質量指數。

過（guò）去7年，從5個風向刮來的風越多（duō），北京的空氣質量就越差。今年（nián）1、2月份，北京受到西南風和南風（fēng）的影響（xiǎng）較多，來自周邊地區的汙染（rǎn）物遷移對北京霧霾起到了重要作（zuò）用。北京周邊地區密集分布著（zhe）鋼鐵、電力等重工業工廠，由於跟國計民生息（xī）息（xī）相（xiàng）關（guān），春節放假和新冠肺（fèi）炎疫情期間大多數工廠還是照常（cháng）運行，繼續（xù）排放汙染物。

除（chú）了風向，過去7年北京（jīng）1、2月份近地麵平均風速基本維持在1-2級範圍，各年間風速方麵沒有顯著性差異，隻是今年和去年兩年風（fēng）速比以往更小，更不利於汙染物擴散。

據此推測，

2016年以前北京（jīng）受上述5個風向的影響並未（wèi）多於2017-2020年間，然而（ér）空氣質量更差，表明彼時北京大氣汙染物排放本身（shēn）較多，霧霾主要由內因形成。

2017年後空氣質量明顯好轉，但霧霾並沒有完（wán）全消失，是因為霧霾受外因的影（yǐng）響逐漸被放大，北京霧霾的發生已由過去（qù）的內因（yīn）主導過渡到了目前的外因主導，而不是汙染物減排效果甚微或汙染物減排方向跑偏。

對（duì）北（běi）京霧（wù）霾相關（guān）因素的分析表明，霧霾（mái）形成是氣象、汙染物等多種因素綜合（hé）作用的結果，而且各因素之間的相互作用錯綜複雜。

治理霧霾離不開汙（wū）染物減排，過去重汙染天數的減少證明了前一段汙染物（wù）治理的成（chéng）效，但目前幾項大氣汙染物指標仍然高於環境容量，表明汙染物減排（pái）仍要（yào）堅持不懈地走下（xià）去。

與此同時，考慮到（dào）北京氣象條件的變化，要堅持北京周邊地區的（de）汙染物協同治理。此（cǐ）外，通過分（fèn）析（xī）大氣汙染物的來源，除繼續加大對（duì）PM2.5、SO2、NOx、O?的治理以（yǐ）外（wài），還需要加強對PM1、VOCs等相關汙染物的排（pái）放控製。

作者 | 技術中心研（yán）發總監 許昌日

編（biān）輯丨品牌公關部