北京大氣污染溯源

王躍思，中國科學院大氣物理研究所研究員，中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡大氣分中心主任、大氣邊界層物理和大氣化學國家重點實驗室副主任。與這些陌生的詞匯相比，他領銜的一些科學研究項目如“北京及周邊區(qū)域空氣質量保障聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與預警”顯得更加通俗一些。

在他看來，北京PM2. 5污染的三分之一來自本地排放，三分之一來自區(qū)域輸送，三分之一來源于污染氣體的轉化。因此，“北京若想徹底解決PM2. 5污染，在加強自身污染源治理的同時，要聯(lián)合周邊省市協(xié)同調控，最后要注意天氣過程導致PM2. 5對區(qū)域灰霾形成的臨界影響條件?！北热?011年歲末北京驚人的霧霾污染事件，就與不利于污染物擴散的天氣過程密切相關。

對于北京周邊各省市共同減排，中國工程院院士郝吉明在接受《望東方周刊》采訪時也強調：“不僅京津冀地區(qū)需要聯(lián)防聯(lián)動，我認為中國整個東部地區(qū)都要實現(xiàn)聯(lián)防聯(lián)控?！?/p>

NGO組織公共環(huán)境研究中心主任馬軍則認為，在保證市民正常生活的前提下，目前北京地區(qū)機動車減排空間較小而且實施困難，“如果聯(lián)防聯(lián)控，環(huán)京區(qū)域取得良好的大氣治理效果，那么還能夠給北京機動車排放讓渡一定的環(huán)境容量。”

顆粒物的變化

北京奧運會過后，王躍思的一個重要工作就是中科院重大項目“京津塘區(qū)域環(huán)境污染調控技術與示范”。這一課題在2011年12月底剛剛驗收，研究成果全面反映了北京及周邊區(qū)域的環(huán)境污染情況。

通過分布于北京、天津、河北和山東各地的10個觀測點，監(jiān)測到京津冀區(qū)域內污染物干濕沉降總量日益增加趨勢。干沉降指大氣污染物在沒有降水的條件下向地表的輸送過程，包括顆粒物干沉降和污染氣體干沉降；濕沉降則指通過雨、雪、霧等形式降落到地面的過程。

作為項目首席技術專家，王躍思告訴《望東方周刊》，目前京津塘地區(qū)平均每公頃地表每年接受到的降塵量大約是1. 2噸，相當于每平方米每月有10克降塵。

這些降塵中包含著大量的污染物質，將氣體干沉降計算在內，京津冀區(qū)域平均硫（硫酸鹽和二氧化硫）沉降量為每公頃每年65公斤；氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮以及氣態(tài)氮化物）每公頃每年沉降為60公斤；有害重金屬沉降3. 3公斤；另外還有0. 6 公斤致癌物質多環(huán)芳烴（16種）沉降。

王躍思表示，這組數(shù)據(jù)說明了整個京津冀區(qū)域大氣污染的嚴重性，已經(jīng)到達了非治理不可的地步。

從整體上講，近十多年來京津塘區(qū)域降塵量有所下降，但是污染氣體的干沉降有逐年增加趨勢?！皬臄?shù)據(jù)上看，這個地區(qū)的沙塵減少了，但大氣中的人為有害污染物的沉降增多了?！蓖踯S思表示，這說明京津塘地區(qū)污染人為排放量正在增加。

特別是最近3年的統(tǒng)計顯示，污染物總體在上升?！案鶕?jù)北京市環(huán)保局公布的數(shù)據(jù)和我們獲得的數(shù)據(jù)，2000年以來北京地區(qū)可吸入顆粒物濃度變化大致可以分為4個階段。 2000至2003年為下降階段，PM10從160下降到每立方米140微克；2003至2006年又從140反彈到160微克；2006至2009年從160下降到110微克；2009年以來，又呈現(xiàn)出上升勢頭。”

2008年對于北京大氣污染的治理是一個轉折點。這不僅指大氣能見度，也包括大氣污染物中的有害化學成分。

王躍思解釋說，顆粒物干沉降主要測定的是粗粒子，即PM100，指空氣動力學等效直徑在100微米以下粒子的總稱。人們關注的PM2. 5則是指直徑在2. 5微米以下的細顆粒物。

在PM2. 5中，0. 4微米到0. 7微米之間的細粒子對灰霾的“貢獻”最大，“因為這個范圍正好是可見光的波長范圍，兩者相吻合細粒子就會散射或是吸收可見光，進而在視覺上產(chǎn)生霾?！蓖踯S思表示，細粒子壽命比較長，其中從0. 1微米到1微米的細粒子壽命最長，可以遠距離輸送造成整個區(qū)域形成灰霾。

10年來，PM10濃度幾度起伏，但有所下降，而PM2. 5還沒有顯著降低，近年來并有小幅升高。且PM2. 5在PM10中的比例仍在上升，在嚴重灰霾天，PM2. 5占PM10的比例往往超過70%。

交通排放約占50%

“為什么環(huán)保局報的和公眾視覺有所差異？是因為現(xiàn)在顆粒物的理化特性比起前幾年有了顯著的變化，大氣中細粒子的數(shù)濃度增加了，但密度變小了?！蓖踯S思解釋說，“公眾視覺大氣能見度下降，主要是與大氣中細粒子的數(shù)濃度相關性更強，而與環(huán)保局報告的質量濃度相關性較差；另一個重要原因是，與視覺相關的光學等效直徑0. 4至1. 0微米的細粒子消光性更強，但與質量濃度所測定的空氣動力學等效直徑的細粒子并不完全吻合。差異就這樣產(chǎn)生了。”

能見度實際還與顆粒物對光的吸收有關，特別是黑炭粒子，比如汽車冒出的黑煙對可見光的吸收能力很強。但目前的研究結果表明這部分對消光的“貢獻”小于10%。北京近年來灰霾天增加的本質原因，仍然是細粒子濃度上升所致。

據(jù)他介紹，直徑10微米到2. 5微米的粗粒子多來源于地面揚塵、柴油車和建筑揚塵、大的電廠和煉鋼廠等工業(yè)過程。經(jīng)過前奧運期的強力治理，這些粗粒子質量濃度得到控制，是北京大氣PM10總體下降的直接原因。

粗粒子的有效治理，就可使PM10下降至國家二級標準每立方米150微克以下，而且僅僅依靠政府部門就能實現(xiàn)。但PM2. 5治理就沒那么簡單了，需要政府部門、企業(yè)和公眾深度參與才有可能實現(xiàn)，并且必須區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。

“京津冀區(qū)域灰霾天增加的本質原因，是大氣中含碳的輕質細粒子數(shù)濃度大幅度增加所致，其主要來源是人為的化石燃料燃燒過程排放。”王躍思進一步解釋，機動車及相關產(chǎn)業(yè)過程占PM2. 5來源的大約50%，其中有發(fā)動機的問題，也有油品的問題。

中國油品含硫量偏高，燃燒過程產(chǎn)生的細粒子數(shù)濃度巨大，但超級細小的顆粒物剛剛排放出來時人們看不見它們，由于它們之中含有吸濕性很強的硫酸鹽和硝酸鹽，遇到濕度較大的天氣立即吸收水汽膨脹“變胖”，當直徑增長到0. 4微米以上，就能散射太陽光而進入公眾視野，就是人們看到的“灰霾”。

“這種超細粒子，也可稱為納米粒子，是PM2. 5形成的原料之一?！边@些細小粒子和形成它們的氣態(tài)物質的共同特性就是在大氣中飄浮的時間長，傳輸距離遠，也是PM2. 5治理的最大障礙。

后奧運挑戰(zhàn)

“北京奧運會后空氣污染反彈是正常的。最近3年的上升在我們預料之中。但如果說是洪水猛獸、不能反彈，那不實事求是?！蓖踯S思說，從2000年起至今，北京大氣污染最低的其實并非2008年，而是2009年，“2008年污染源臨時管控措施的延續(xù)，加上2009年趕上非常好的天氣，所以這一年北京大氣顆粒物污染濃度最低。”

事實上，2006到2008年上半年北京的大氣污染一直嚴重?！昂芏鄪W運場館還在施工，地面都裸露著，揚塵比較大，奧運會前夕粗粒子占PM10的60%，PM2. 5往往只占到PM10的不到40%?！彼寡?，北京奧運會的臨時強力措施顯然很難延續(xù)，大氣質量出現(xiàn)起伏也屬必然。

除了細粒子濃度上升速度快，后奧運期氮氧化物上升也較快。這一部分污染與汽車數(shù)量增加有相當大的關系。公眾還不太關注的一種污染物也在快速上升，就是揮發(fā)性有機物。

“對于它，我們從1995年左右就開始有觀測，2000年到2005年揮發(fā)性有機物是上升的，此后一直到2009年是下降的，近3年又呈現(xiàn)上升勢頭。”王躍思說，氮氧化物和揮發(fā)性有機物的上升，導致了京津冀區(qū)域臭氧濃度的增加?！俺粞醪⒉皇钦l排放的，而是在這兩種物質的驅動下，在大氣中光化學轉化生成的。在京津冀區(qū)域，相對比較干凈的城市邊緣地區(qū)臭氧的小時最高濃度，經(jīng)常會超過每立方米200微克?！倍鴩噎h(huán)保部最新制定的二級標準為8小時滑動平均最高值不超過每立方米160微克。

PM2. 5的夏季均值分別是每立方米46、59和49微克，這組數(shù)據(jù)的意義在于，京津冀最清潔的地區(qū)尚且如此，城市區(qū)域PM2. 5的濃度或多或少都會高于這些數(shù)值?！斑€是回到那兩個觀點，”王躍思繼續(xù)介紹說，“治理PM2. 5不能急功近利，要制定循序漸進的長期目標；需要區(qū)域協(xié)同防控，或是步調一致地控制?！?/p>

更為重要的是，監(jiān)測報告認為：京津塘區(qū)域污染物人為排放量到達高位后，存在著嚴重的區(qū)域內城市間相互輸送，“全面污染源減排才有可能控制住目前嚴重的區(qū)域大氣、水和土壤間嚴重的復合污染。”

隨風而來的污染

在沙塵減少，污染物增多的情況下，確定這些污染物的來源就顯得相當重要。而這又與天氣過程和季節(jié)輪換糾纏在一起。

在整個京津冀區(qū)域，大氣污染表現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征，春季沙塵、浮塵嚴重；夏季光化學污染多發(fā)；秋季霧霾天氣多；而冬季燃煤取暖污染物排放與汽車尾氣疊加，造成污染超標時有發(fā)生。此外，不利于污染物擴散的地形，也是京津冀區(qū)域易發(fā)生大氣灰霾污染不可忽視的原因。

總體而言，地處平原區(qū)域的河北、河南以及山東的排放對北京的影響更大一些。而山西在太行山的另一側，導致在通常情況下來自北京西北部的大氣污染輸送較少。比如，京西靈山監(jiān)測站的污染物濃度就比較低，但西北風攜帶的高濃度硫酸鹽仍然表明這些區(qū)域存在著大量的煤燃燒，并且二氧化硫排放依然嚴重。

中國工程院院士、區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控規(guī)劃編制總體組顧問郝吉明則向本刊記者表示，夏天大氣氧化性較強，二氧化硫排放容易轉化成硫酸鹽，而氮氧化物則容易轉化成硝酸鹽，“這個轉化需要時間和空間，在偏南風的天氣形勢下一路往北，山東、山西的污染源很容易就會轉移到北京?！?郝吉明說，秋冬季節(jié)隨著風向轉變?yōu)槠憋L，山東的污染源對北京影響減小，而是轉向南方，對上海等城市產(chǎn)生更大影響。

王躍思認為，PM2. 5細顆粒物較粗粒子更容易傳輸，并在傳輸過程中不斷變化和聚集。僅這些從西北地區(qū)長距離輸送而來的顆粒物，其中硫酸鹽等水溶性無機鹽的濃度往往就可超過立方米35微克。他說，這個數(shù)字正是國家環(huán)保部設立的2016年PM2. 5調控的年度目標，實現(xiàn)的難度可想而知。

20%與50%

持有同樣觀點的還包括環(huán)保NGO公共環(huán)境研究中心主任馬軍。

他說，PM2. 5這種細顆粒物能在空氣中存在十幾天的時間，而且傳播速度很快，“從新疆、內蒙古到北京只需要一兩天時間就到了。雖然北京市的工業(yè)都陸續(xù)外遷到河北唐山以及北京周邊省份，但距離北京并不遠”。

根據(jù)公共環(huán)境研究中心等NGO近日發(fā)布的《中國大氣污染定位報告》報告，山東、河北、江蘇、山西、內蒙古是廢氣排放大戶最為集中省區(qū)。除江蘇外，均為環(huán)京省區(qū)。

這份報告對環(huán)境主管部門確認的4400余家最大排放企業(yè)進行了定位，從而得出上述結論。

同時，根據(jù)《中國環(huán)境狀況公報》、《中國環(huán)境質量報告》等材料的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，在全國范圍內，工業(yè)排放在二氧化硫、煙塵、氮氧化合物中的比例都超過75%，高于居民生活、交通、農(nóng)業(yè)排放的總和。

2007年8月17日至20日“好運北京測試賽”實施機動車單雙號限行措施期間，氮氧化物、一氧化碳和可吸入顆粒物濃度平均下降15%至20%。

據(jù)北京市環(huán)保局統(tǒng)計，在奧運會和殘奧會舉辦的2008年8月、9月，北京市大氣環(huán)境中各主要污染物濃度平均下降45%，奧運會期間下降50%。

根據(jù)中國科學院大氣物理研究所京津冀區(qū)域聯(lián)網(wǎng)觀測研究結果，北京大氣污染緩解的背景是，整個華北區(qū)域內污染物水平較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%，石家莊、禹城、秦皇島等離北京相對較遠的地方也達到15%到20%。

由此可見，北京周邊的天津、河北、山西、內蒙古、山東等5省區(qū)，停、限工業(yè)排放及燃煤污染對于北京大氣治理的重要性，至少與當時嚴厲的北京本市機動車單雙號限行相當。

王躍思說，根據(jù)監(jiān)測，2008年奧運會后北京及周邊地區(qū)污染物反彈的速度和與北京的距離成正比，“離北京越近反彈的速度越慢，離北京越遠反彈的速度越快?！?/p>

馬軍則表示，灰霾并非北京獨有，環(huán)京的天津、河北、山西乃至遼寧、山東等地都面臨灰霾的影響，“這是個區(qū)域性的問題。雖然工業(yè)企業(yè)外遷，但周邊工業(yè)規(guī)模還在擴大，如果這樣下去，最終形成區(qū)域性的污染，誰都沒辦法逃過?！?/p>

同一個世界

“我認為要想達到環(huán)保部2016年將出臺的控制目標，至少需要10年，可能要20年。比如日均值從每立方米75微克到50微克用10年時間，再從每立方米50微克到35微克，沒有10年也不行，越往下越難?！蓖踯S思說，因為中國，特別是北京周邊范圍有一個全世界都沒有的現(xiàn)象，就是其人口密度及總量在歷史上從未出現(xiàn)過，在世界其他地區(qū)也少見。

如此強烈的人類活動，中心城區(qū)過于強大的社會功能，使大氣污染控制的不確定性很大，這使政府部門必須要有足夠的心理準備并對各個環(huán)節(jié)都高度重視。

不過，王躍思認為公眾不用過于驚慌，但要高度關注，本著同舟共濟的精神和科學的態(tài)度積極參與，才能共同度過目前的空氣污染難關。

郝吉明也強調，“在污染最嚴重的時候，整個區(qū)域的天氣形勢基本相同，大家是一個共同體，在同一個大氣環(huán)境條件下。周邊對北京、北京對周邊是互相影響的。比如京津冀這個區(qū)域，如果穩(wěn)定的天氣條件持續(xù)3到5天，那么整體環(huán)境容量就不達標了。”

在馬軍看來，對于北京這樣的大城市而言，交通減排的空間已經(jīng)非常有限，特別是經(jīng)過三四年來的持續(xù)強化，“這涉及到數(shù)以百萬計的分散的污染源，中間摻雜著交通體系、城市規(guī)劃、司機駕駛習慣等等復雜因素?！毕鄬Χ裕I(yè)排放的控制更為容易一些，“因為工業(yè)排放的數(shù)量是有限的，排放源頭是固定而清

晰的，控制好工業(yè)源頭，還能給機動車等排放讓渡出一定環(huán)境容量空間。

事實上，即使交通減排也并非北京可以獨立承擔解決?！斑@部分污染氣體和小粒子不僅北京自己排放，周邊區(qū)域也有大量排放，”王躍思說，“調控方案并不是一個城市或者一個單位就能獨立完善制定的，徹底解決問題也不能單憑自己的力量?！?/p>

郝吉明特別談到，規(guī)模巨大的河北省鋼鐵產(chǎn)業(yè)如何調整是個難題。他認為，環(huán)北京地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展仍過多依賴重化工，也是個不容易解決的問題，“在全國許多重點城市無法達到PM2. 5 標準的情況下，北京如何獨善其身？”

（本文相關科學問題得到中科院大氣物理研究所王躍思研究員及其團隊潘月鵬、劉子銳、吉東生等三位博士的支持，特此表示感謝）

干沉降污染物的主要來源：

硫沉降主要來源于電廠、工業(yè)和居民取暖時燃煤排放的二氧化硫及其轉化的硫酸鹽，氮沉降則主要來自機動車尾氣排放的氮氧化物和農(nóng)業(yè)過量化肥施用及其養(yǎng)殖業(yè)排放的氨氣，汽車尾氣、工業(yè)脫硝過程和垃圾堆放也可能排放大量的氨氣，排放源分類定量化的數(shù)據(jù)則需要進一步的觀測研究；大氣中有害重金屬則主要來源于整個京津冀區(qū)域黑色金屬冶煉和燃煤；多環(huán)芳烴則來源于煤、重油和生物質燃燒過程，尤其冬季取暖期間，京津冀大氣中PM2.5中多環(huán)芳烴的富集量高于其他季節(jié)2至3倍。

超細的納米粒子則可以通過大氣光化學轉化形成，燃煤排放的二氧化硫、機動車排放的氮氧化物和揮發(fā)性有機氣體（主要來源于汽油揮發(fā)、石油化工和溶劑揮發(fā)等）在大氣中經(jīng)光氧化即可形成這種納米粒子。

年京津塘地區(qū)大氣顆粒物的變化：

整個京津塘區(qū)域的PM10在下降，但PM2.5一直處于高位，原因是PM2.5在PM10中的比例大幅度上升。比如，2000年前后，PM10濃度為每立方米160微克，此時PM2.5僅占其中的45%，推算其質量濃度為每立方米72微克；2010年前后，PM10年均值下降到每立方米120微克，但此時PM2.5在PM10中的比例已經(jīng)上升到60%，推算出來PM2.5仍然是每立方米72微克，與實測的PM2.5數(shù)據(jù)基本吻合。

京津塘地區(qū)臭氧監(jiān)測情況：

在城市地面，由于汽車排放的一氧化氮消耗臭氧，所以檢測數(shù)據(jù)看起來大多情況下臭氧不會超標。但在中國科學院華北區(qū)域大氣本底站——河北興隆觀測站，觀測到的結果令人十分擔憂。

2009、2010和2011年每年夏季（6-8月）臭氧小時最高濃度平均值分別為立方米172、196和203微克，均接近或超過國家現(xiàn)行臭氧二級標準。若以8小時滑動平均值立方米160微克，2009、2010和2011年每年夏季（6-8月）臭氧8小時滑動平均最高值分別為立方米159、174和192微克，超標將更加嚴重。

地理位置對北京環(huán)境的重要影響：

北京西北東三面環(huán)山，都是海拔1000米左右的高山，污染物容易積存在山前平原，一般規(guī)律是3至4天才有一個清除污染的天氣過程，比如下雨或是刮風。如果遇到持續(xù)微弱的偏南風遠程輸送，局地排放的污染物就聚集在山凹里，使北京地區(qū)大氣污染迅速積累升高；加之隨風而來的西南方向和東南方向的污染都比較嚴重，導致北京受偏南風影響時空氣質量就明顯惡化。

王躍思研究員舉例說，京津冀所處的緯度帶（北緯30-50度）其實是北半球的一個污染帶，包含有東京、倫敦、巴黎、柏林、舊金山和洛杉磯等世界重要城市，“歷史上這些地區(qū)都發(fā)生過嚴重的大氣污染?，F(xiàn)在這一緯度帶上的發(fā)達國家日本、歐洲和美國的大氣環(huán)境都很好，是因為他們都進行了長期的治理，多數(shù)城市治理了幾十年才有現(xiàn)在的結果”。

再比如，夏秋季節(jié)偏南風在深入到華北后，又沒帶來明顯的降水，也會造成嚴重的顆粒物污染事件，“偏南風沒有帶來降水，但攜帶的水汽使細粒子吸濕變‘胖’造成可見光散射，大氣能見度就會急速下降。”

（本刊記者葛江濤采訪整理）