京津冀大氣霾污染及控制策略思考*

文/王躍思 姚 利 劉子銳 吉東生 王莉莉 張軍科

中國科學(xué)院大氣物理研究所北京100101

京津冀大氣霾污染及控制策略思考*

文/王躍思 姚 利 劉子銳 吉東生 王莉莉 張軍科

中國科學(xué)院大氣物理研究所北京100101

改革開放35年來,我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，但大氣霾污染問題同時(shí)凸顯，尤其是京津冀環(huán)渤海、長三角和珠三角3個(gè)典型區(qū)域。文章以北京2013年1月霾污染過程為案例，分析了京津冀大氣霾污染的現(xiàn)狀、形成機(jī)制以及來源組成，并從政治智慧、管理創(chuàng)新、科學(xué)支撐和全民參與等幾個(gè)方面提出了控制途徑的思考。

霾污染，PM2.5，形成機(jī)制,控制

DOI 10.3969/j.issn.1000-3045.2013.03.009

改革開放35年來，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加速，伴隨著城市人口的增長，機(jī)動(dòng)車保有量暴增，能源大量集中消耗，道路等交通設(shè)施和污染物脫除技術(shù)嚴(yán)重滯后，導(dǎo)致城市和城市群區(qū)域大氣污染日趨嚴(yán)重，表觀為大氣能見度嚴(yán)重下降，霾鎖城事件頻繁發(fā)生。涉及區(qū)域除十分典型的京津冀環(huán)渤海、長三角和珠三角，近年來中西部關(guān)中地區(qū)、中南部長株潭地區(qū)和東北遼東南地區(qū)大氣污染也日趨嚴(yán)重，傳統(tǒng)的四川盆地、蘭州盆地和天山東麓的烏魯木齊區(qū)域，嚴(yán)重的大氣污染也未見顯著好轉(zhuǎn)。我國中東部大部分地區(qū)已經(jīng)演變成為以高濃度細(xì)顆粒物（全年）和高濃度臭氧（夏秋季節(jié)）為特征的典型“雙高”型污染區(qū)域，其中以京津冀區(qū)域最為嚴(yán)重。2013年1月席卷整個(gè)中東部地區(qū)長時(shí)間、高強(qiáng)度的大氣霾污染已為我國的環(huán)境危機(jī)拉響了警報(bào)，環(huán)境問題已成為京津冀、長三角、珠三角乃至所有經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展區(qū)域的桎梏，解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與大氣環(huán)境變化之間的矛盾勢(shì)在必行。

1 霾的定義及化學(xué)組分

霾在氣象學(xué)中被定義為：“大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10km的空氣普遍混濁現(xiàn)象”。組成霾的粒子極小，不能用肉眼分辨。霾與晴空區(qū)之間不能像霧一樣形成明顯的邊界[1，2]。中國氣象局地面觀測(cè)規(guī)范[3]中霾的判別條件是能見度小于10km，相對(duì)濕度小于80%；而相對(duì)濕度為80%—95%時(shí)，則需要人為對(duì)大氣成分進(jìn)行甄別。觀測(cè)規(guī)范中按照能見度等級(jí)把霾細(xì)分為：輕微霾，5≤能見度＜10km；輕度霾，3≤能見度＜5km；中度霾，2≤能見度＜3km；嚴(yán)重霾，能見度＜2km。

總的來說，霾是指各種源排放的污染物（氣體和顆粒物如CO、SO2、NOx、NH3、VOCs、PM）在特定的大氣流場(chǎng)條件下，經(jīng)過一系列物理化學(xué)過程，形成的細(xì)顆粒物，并與水汽相互作用導(dǎo)致的大氣消光現(xiàn)象。霾的本質(zhì)是大氣中PM2.5濃度超標(biāo)，PM2.5的消光作用很強(qiáng)，當(dāng)PM2.5濃度顯著上升時(shí)，大氣能見度隨之顯著下降。當(dāng)能見度低于10km，就形成“霾”，公眾的直觀感受就是城市的高樓大廈漂浮于煙霧之中，空氣質(zhì)量差。PM2.5是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或者等于2.5μm的大氣顆粒物（氣溶膠）的總稱，學(xué)名為大氣細(xì)顆粒物。PM2.5組成極其復(fù)雜，幾乎包含元素周期表所有元素，涉及3萬種以上有機(jī)和無機(jī)化合物（包括硫酸鹽、硝酸鹽、氨鹽、有機(jī)物、碳黑、重金屬等），真是“小粒子、大世界”。PM2.5中來自排放源直接排放的貢獻(xiàn)較少，以一次排放的氣體通過物理和光化學(xué)過程生成的二次粒子為主。

2 霾的影響與危害

霾中PM2.5細(xì)顆粒物濃度較高，當(dāng)PM2.5—10粗顆粒物濃度較高時(shí)，表明有顯著的沙塵或揚(yáng)塵影響。霾造成氣候、環(huán)境、健康等方面的負(fù)面影響有：（1）PM2.5濃度的增加可能是極端天氣事件增加的原因之一。PM2.5影響大氣輻射平衡，導(dǎo)致地面越來越冷、大氣越來越熱，可能加劇區(qū)域大氣層加熱效應(yīng)、增加極端氣候事件，嚴(yán)重影響區(qū)域和全球氣候變化；（2）細(xì)顆粒物污染是全球性重要環(huán)境問題之一，1975年以來，除歐洲，全球范圍內(nèi)細(xì)顆粒物濃度都在明顯上升。PM2.5濃度的增加會(huì)引起城市大氣酸雨、光化學(xué)煙霧現(xiàn)象，導(dǎo)致大氣能見度下降[4]，阻礙空中、水面和陸面交通；（3）霾污染發(fā)生時(shí)，細(xì)顆粒物吸濕特性增強(qiáng)，可以直接傳染細(xì)菌和病毒。PM2.5又稱為可入肺顆粒，能夠直接進(jìn)入人體肺泡甚至血液系統(tǒng)中，直接導(dǎo)致心血管病等疾病。PM2.5的比表面積較大，通常富集各種重金屬元素和有機(jī)污染物，其多為致癌物質(zhì)和基因毒性誘變物質(zhì)，危害極大。PM2.5污染會(huì)增加重病及慢性病患者的死亡率，使呼吸系統(tǒng)及心臟系統(tǒng)疾病惡化，改變肺功能及結(jié)構(gòu)，改變?nèi)梭w免疫結(jié)構(gòu)。中科院的研究已經(jīng)基本證明大氣污染與呼吸道疾病死亡率正相關(guān)。北京市近年肺癌患病率顯著提高，2012年平均每天確診104個(gè)肺癌病人。對(duì)廣州市肺癌致死率與霾污染關(guān)系的研究表明，考慮7年滯后期，肺癌致死率和氣溶膠消光系數(shù)的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97[5]。

3 中國的霾污染現(xiàn)狀

中國的霾污染問題比倫敦霧霾事件和洛杉磯光化學(xué)煙霧事件更為復(fù)雜和嚴(yán)重。2013年1月，罕見的連續(xù)高強(qiáng)度大氣霾污染席卷了中東部地區(qū)，造成大量航班延誤、高速公路封閉、呼吸道疾病患者涌向醫(yī)院急診室。中國中央電視臺(tái)及美國和英國電視臺(tái)第一時(shí)間播報(bào)了此次污染事件，緊接著，各種多國媒體對(duì)這次污染事件進(jìn)行了追蹤報(bào)道，引起了世界范圍內(nèi)的高度關(guān)注。本次霾污染范圍涉及我國中東部、東北及西南共計(jì)10個(gè)省市自治區(qū)，受害人口達(dá)8億以上，其中污染最嚴(yán)重是京津冀區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年1月京津冀共計(jì)發(fā)生5次霾污染過程。第一次發(fā)生在6—8日，北京PM2.5小時(shí)濃度最高值320μg/m3，大于300μg/m3的時(shí)數(shù)為1小時(shí)；第二次發(fā)生在9—15日，北京PM2.5小時(shí)濃度最高值680μg/m3，大于300μg/m3的時(shí)數(shù)超過46小時(shí)；第三次發(fā)生在17—19日，PM2.5小時(shí)最高濃度320μg/m3，大于300μg/m3的時(shí)數(shù)為1小時(shí)；第四次發(fā)生在22—23日，PM2.5小時(shí)最高濃度400μg/m3，大于300μg/m3的時(shí)數(shù)超過21小時(shí)；第五次發(fā)生在25—31日，PM2.5小時(shí)最高濃度530μg/m3，大于300μg/m3的時(shí)數(shù)超過50小時(shí)。整個(gè)1月份（1—31日），北京共計(jì)22天PM2.5超過2016年國家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（75μg/ m3），27天超過國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（35μg/m3），PM2.5小時(shí)最高值達(dá)到680μg/m3，只有4天晴好天氣（圖1）；天津共計(jì)21天PM2.5超過國家2016年二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，只有5天晴好天氣；石家莊共計(jì)26天PM2.5超過國家2016年二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，只有1天晴好天氣，PM2.5小時(shí)最高值超過690和1 000μg/m3。京津冀背景地區(qū)興隆的PM2.5共計(jì)6天超過國家2016年二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，京津冀空氣污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻。長三角及珠三角空氣污染形勢(shì)同樣十分嚴(yán)峻。

圖1 北京2013年1月大氣顆粒物質(zhì)量濃度（μg/m3）

此次席卷我國中東部地區(qū)的霾污染過程以太行山東麓、燕山北麓的京津冀區(qū)域最為嚴(yán)重。以產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)甚至在全球都領(lǐng)先的北京為例，霾污染情況遠(yuǎn)比1952年的倫敦霧霾事件、美國20世紀(jì)40—50年代洛杉磯光化學(xué)煙霧事件更為復(fù)雜和嚴(yán)重。北京地區(qū)空氣中每立方米中有近20mg氣態(tài)和固態(tài)污染物，1952年的倫敦每立方米也只有4mg，如此算來，北京地區(qū)750km2，高度300m的大氣范圍約有4 000t污染物。洛杉磯光化學(xué)煙霧中主要是汽車尾氣中的烯烴類碳?xì)浠衔锖投趸∟O2）排放到大氣中后，在強(qiáng)烈的陽光紫外線照射下，原有的化學(xué)鏈遭到破壞，形成新的含劇毒的光化學(xué)煙霧,主要是以臭氧為代表。北京現(xiàn)在具有類似的情況。此外中國還大范圍存在沙塵暴，而沙塵的存在又會(huì)加劇霾過程的化學(xué)反應(yīng)。

2013年1月京津冀霾污染過程5個(gè)特點(diǎn)：

（1）天氣過程少見。受大氣環(huán)流影響我國中東部偏北地區(qū)大氣異常穩(wěn)定，空氣垂直運(yùn)動(dòng)弱，冷空氣過程少且弱，濕度大但無降水，造成污染物極易積累疊加。這種天氣過程緣于冬季北半球高緯平流層爆發(fā)性增溫，非常少見，30年才發(fā)生5次。

（2）西北沙塵輸送疊加。衛(wèi)星和地面觀測(cè)網(wǎng)都證實(shí)京津冀第二次污染過程的9—15日受到了沙塵輸送的影響，且石家莊、邯鄲一線受到顯著影響。首要特征是石家莊地面PM10濃度顯著高于北京地區(qū)100μg/m3（10%），但對(duì)PM2.5幾乎沒影響，北京12日夜間PM10上升到1 000μg/m3，但PM2.5占PM10為70%，其余時(shí)間都接近90%（已有研究表明，沙塵輸送使PM10及粒徑更大的粒子濃度飆升，但對(duì)PM2.5有清除作用）；另一個(gè)特征是第二個(gè)污染過程在受沙塵影響時(shí)段空氣相對(duì)濕度短時(shí)間急劇下降，從85%下降到55%。1月份的其余4次污染過程無跡象表明有沙塵疊加。

（3）非均相化學(xué)過程的作用突出。白天的氣態(tài)SO2高值到晚上轉(zhuǎn)化成為高濃度的硫酸鹽顆粒，更可怕的是油氣揮發(fā)物轉(zhuǎn)化成大量的有機(jī)硝酸脂或是有機(jī)胺，對(duì)人體健康影響極大。

（4）區(qū)域輸送顯著，局地疊加強(qiáng)烈。尤其是第二次過程，從觀測(cè)數(shù)據(jù)可以明顯看到區(qū)域SO2和硫酸鹽的區(qū)域輸送量很大，到達(dá)北京山前平原與局地排放的含碳粒子混合，迅速吸濕，對(duì)公眾的視覺沖擊巨大。

（5）污染物有強(qiáng)烈的刺鼻氣味。監(jiān)測(cè)分析結(jié)果表明，刺鼻氣味來源于燃煤排放的SO2和苯類物質(zhì)（焦油味）以及汽車排放的油氣、氮氧化物和氨氣（腐敗臭味）。

圖2 2013年1月12日地面天氣圖及溫濕層結(jié)曲線

圖3 12日衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的氣溶膠柱層及垂直分層屬性

4 霾的成因

通過對(duì)京津冀2013年1月第二次霾污染過程（1月9—15日）進(jìn)行溯源分析研究。此次霾污染成因如下：

4.1 天氣過程和局地氣象條件極其不利污染物擴(kuò)散

極其不利于污染物擴(kuò)散的天氣過程和氣象條件是本次大面積霾污染形成的客觀原因（外因）。本次霾污染的氣象成因是我國華北、山東及河南等地受低壓輻合或均壓場(chǎng)控制，靜穩(wěn)天氣嚴(yán)重阻礙了空氣的水平和垂直流通，局地氣象條件表現(xiàn)為高濕（75%—85%），逆溫層厚（500m—1km）、逆溫強(qiáng)度大（逆溫溫差5℃—10℃），1月12日20時(shí)逆溫層厚度超過600m，溫度差超過8℃，混合層高度僅為200—300m（晴天為2 000—3 000m），污染物擴(kuò)散空間比通常減小10倍，導(dǎo)致了局地和區(qū)域污染物迅速積累，在高濕環(huán)境配合下造成PM2.5濃度爆發(fā)式增長，表現(xiàn)為罕見的高強(qiáng)度空氣污染（圖2）。

4.2 沙塵輸送

12日衛(wèi)星監(jiān)測(cè)顯示，京津冀區(qū)域邊界層及上部存在沙塵層和污染沙塵層，同時(shí)在邊界層內(nèi)與污染大陸性氣溶膠和煙塵相混合（圖3）；后向軌跡矩陣顯示，此區(qū)域近地層以弱偏南風(fēng)為主，高空以偏西氣流為主（圖4），地面監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在氣流經(jīng)過的敦煌、沙坡頭地區(qū)，分別在11日23:00和12日5:00出現(xiàn)PM2.5小時(shí)最高值（250μg/m3和260μg/m3），在西北氣流的作用下，沙塵輸送到華北地區(qū)，加劇了地面的污染強(qiáng)度。污染物累積在太行山和燕山山前，加劇了京津冀霾污染強(qiáng)度，并以石家莊、保定、邯鄲、北京、天津、唐山等城市污染最為嚴(yán)重，PM2.5小時(shí)最高值達(dá)700—900μg/m3。因此，西北沙塵氣溶膠疊加是京津冀區(qū)域污染物濃度攀高的重要原因之一。

圖4 12日不同高度區(qū)域24小時(shí)后相軌跡矩陣圖

圖5 北京近周邊氣團(tuán)軌跡輸送示意圖

4.3 北京近周邊污染物氣團(tuán)輸送

1月12日500m高空后推48小時(shí)的氣團(tuán)后向軌跡分析表明，北京城區(qū)污染受來自于東南方向近距離輸送的影響顯著。經(jīng)過市區(qū)的氣團(tuán)11∶00還是來自于西部，13∶00以后就逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠蠚鈭F(tuán)并維持，低空氣團(tuán)沿地形弧形移動(dòng)至北京東南區(qū)域，污染物輸送到北京（圖5）。后向軌跡氣團(tuán)路徑與可見光真彩衛(wèi)星圖片的煙羽軌跡非常吻合。放大北京東南區(qū)域局部，可看到許多星羅棋布的煙霧團(tuán)點(diǎn)。冬季北京偏南區(qū)域高濃度污染煙羽聚攏到北京市區(qū)是本次霾污染事件的另一重要原因。

4.4 污染物局地排放

（1）污染氣體。局地污染排放擴(kuò)散受阻是本次污染濃度攀升的重要原因之一。各種污染物同步升高、協(xié)同作用，導(dǎo)致污染物濃度非線性急劇增長。北京城區(qū)典型的機(jī)動(dòng)車排放源一氧化氮（NO）在12日夜間一度高達(dá)310μg/m3，是平日的4.5倍；機(jī)動(dòng)車和燃煤直接排放的一氧化碳（CO）濃度高達(dá)12μg/m3，是平時(shí)的8倍；油氣化石燃料和餐飲直排的揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）增加2倍以上。當(dāng)濕度增大時(shí)，空氣中的SO2、NOx等氣態(tài)污染物遇水汽變成酸霧，與VOC的進(jìn)一步反應(yīng)生成了大量有毒有害的有機(jī)顆粒物。

（2）超細(xì)粒子及增長。人們用肉眼看不見機(jī)動(dòng)車尾氣排放的超細(xì)顆粒物，12日20—100nm粒子濃度峰值出現(xiàn)在早6∶00—9∶00交通高峰時(shí)段，其濃度加合高達(dá)2.5萬個(gè)/cm3，在靜穩(wěn)高濕條件下，這些粒子難以擴(kuò)散，且迅速增長為100—1 000nm的致霾粒子，致使霾粒子濃度比平時(shí)增加了3.5倍（圖6左圖）。成分分析表明，50—100納米的超細(xì)顆粒物，主要是化石燃料燃燒排放的含碳粒子，一旦增長到400nm（可見光波長為400—700nm）以上，粒子中吸水性很強(qiáng)的硫酸鹽等從原來的20%增長到60%（圖6右圖）。疏水的碳粒子在吸水的硫酸鹽包裹下，迅速吸濕膨脹，從“不可見”到“可見”，就是我們看到的“霾”。

4.5 二次粒子的生成過程

（1）二氧化硫轉(zhuǎn)化成硫酸鹽。本次污染事件突發(fā)的一個(gè)重要原因，是以周邊燃煤排放為主的SO2（不可見，刺鼻氣體）一夜之間轉(zhuǎn)化成了硫酸鹽（可見，霾的成分）。北京城區(qū)白天空氣SO2出現(xiàn)高值，少部分來自于局地排放，大部分來自于區(qū)域輸送。其原因是以周邊燃煤排放為主的SO2傳輸?shù)奖本?，造成北京上空SO2濃度總是高于地面，白天對(duì)流輸送將高空SO2傳輸?shù)降孛妫斐杀本┛諝釹O2濃度升高；夜間對(duì)流終止，SO2形成酸霧，并被其中的氧化劑（H2O2、NO3等）轉(zhuǎn)化為硫酸鹽顆粒，此非均相轉(zhuǎn)化過程不需要陽光照射。正如圖7所示，白天SO2濃度高，晚上硫酸鹽濃度高而SO2出現(xiàn)低值，這種反位相變化，也從另一個(gè)側(cè)面說明，本次污染過程SO2不是主要來自北京城市排放。

圖6 不同粒徑范圍上各化學(xué)組分在NR-PM1中的比例

圖7 SO2和硫酸鹽相互轉(zhuǎn)化關(guān)系

圖8 NO2和硝酸鹽相互轉(zhuǎn)化關(guān)系

（2）氮氧化物轉(zhuǎn)化成硝酸鹽。氮氧化物向硝酸鹽轉(zhuǎn)化也是本次污染PM2.5飆升的重要原因之一，其轉(zhuǎn)化機(jī)制更為復(fù)雜，但有一點(diǎn)可以確定，北京城市大量的機(jī)動(dòng)車排放是造成NOx大氣濃度上升的原因，也是硝酸鹽同步上升的原因之一。圖8表現(xiàn)出白天NO2濃度出現(xiàn)高值，并同步出現(xiàn)硝酸鹽濃度高值，但北京機(jī)動(dòng)車NOx排放造成的危害，遠(yuǎn)非生成這些無機(jī)硝酸鹽，與以往不同的是生成了大量的含氮有機(jī)顆粒物。

（3）揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）向二次有機(jī)顆粒物（SOA）的轉(zhuǎn)化。本次污染過程中強(qiáng)致霾粒子PM1的主要化學(xué)組成濃度變化見圖9，其特點(diǎn)是當(dāng)污染發(fā)生時(shí)，細(xì)小顆粒物中的有機(jī)物、硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽的濃度大幅度升高，污染最嚴(yán)重的13日，當(dāng)PM2.5突破600μg/m3時(shí)，PM1突破了300μg/m3，PM1中有機(jī)物、硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽、氯化物濃度分別達(dá)到了160、70、40、30和15μg/m3；PM1硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽增長幅度大于有機(jī)物，硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和有機(jī)物比平時(shí)晴好天氣分別增長了30、20、20和10倍，但從絕對(duì)量分析，有機(jī)物增長最多（圖10），那么大量的有機(jī)物究竟從何而來？

利用源解析技術(shù)，識(shí)別出4類有機(jī)組分：（1）氧化型有機(jī)顆粒物（OOA），主要來自于北京周邊輸送；（2）油煙型有機(jī)物（COA），主要來自局地烹飪?cè)磁欧?；?）氮富集有機(jī)物（NOA），（光）化學(xué)產(chǎn)物；（4）烴類有機(jī)顆粒物（HOA），主要來自于汽車尾氣和燃煤。其中OOA在整個(gè)污染過程所占比例最大，為44%，其余3個(gè)組分COA、NOA和HOA分別占21%，17%和18%（圖11）。本次污染過程最危險(xiǎn)的信號(hào)是大量含氮有機(jī)顆粒物的檢出，它們是美國南加州20世紀(jì)光化學(xué)煙霧的主要成分之一，是大量二氧化硫、氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物相互反應(yīng)，共同產(chǎn)生的有機(jī)含氮細(xì)顆粒污染物。

本次席卷我國中東部地區(qū)的霾污染物化學(xué)組成，是英國倫敦1952年煙霧事件和20世紀(jì)40—50年代美國洛杉磯光化學(xué)煙霧事件污染物的混合體，并疊加了我國特色的沙塵氣溶膠，是人為粗放式排放和自然生態(tài)被破壞的直接后果。

圖9 污染過程強(qiáng)致霾粒子化學(xué)組成濃度變化

圖10 強(qiáng)致霾粒子PM1的主要化學(xué)組成比例

圖11 北京強(qiáng)污染過程中有機(jī)顆粒物來源比例變化

總的來說，北京霾污染過程有天氣條件、周邊沙塵、局地排放、大氣環(huán)流等主要成因：（1）天氣原因主要包括靜風(fēng)穩(wěn)定天氣加上高濕、混合層薄、逆溫強(qiáng)度大等氣象條件。受低壓輻合或均壓場(chǎng)的影響，天氣系統(tǒng)較弱，近地面大氣穩(wěn)定，風(fēng)速較小，并以弱偏南風(fēng)為主，濕度較大，且逆溫層厚度大（500m—1km）、強(qiáng)度高（逆溫溫差5℃—10℃），進(jìn)一步阻礙了空氣對(duì)流，導(dǎo)致區(qū)域和局地排放的污染物迅速累積，空氣污染嚴(yán)重；（2）近周邊沙塵區(qū)域輸送，京津冀近周邊的沙塵層引發(fā)污染，輸送至本地，與本地的污染大陸性氣溶膠混合，加重污染；（3）局地排放，包括：一是大量機(jī)動(dòng)車排放造成硝酸鹽上升；二是周邊輸送來的燃煤SO2排放造成硝酸鹽前體物氮氧化物濃度上升[6]；三是光化學(xué)產(chǎn)物、局地烹飪、汽車尾氣等造成的揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二次有機(jī)氣溶膠；（4）大氣緯向環(huán)流和氣候變化導(dǎo)致的北半球平流層升溫，使污染物向北半球中緯度區(qū)域聚攏，使中國區(qū)域大氣污染程度加劇。

另外，中國霾污染成因有季節(jié)性變化。在冬季，北方的采暖加上穩(wěn)定的大氣邊界層結(jié)構(gòu)和較低的混合層高度很容易導(dǎo)致霾污染現(xiàn)象。在夏季，高溫、高輻射氣候加上高濕天氣會(huì)促進(jìn)污染物的光化學(xué)反應(yīng)和吸濕性增長。在秋季，白天強(qiáng)烈輻射和高溫會(huì)加速大氣光化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)氣粒轉(zhuǎn)化，而早晚低溫和高濕在穩(wěn)定的天氣系統(tǒng)中容易導(dǎo)致霾污染事件。在春季，遠(yuǎn)程沙塵輸送、局地?fù)P塵、城市酸性氣體和空氣中較多的水分也會(huì)促成霾的形成。

圖12 北京地區(qū)和京津冀區(qū)域PM2.5來源解析（%）

5 霾的來源

霾污染的形成與大氣細(xì)顆粒物濃度升高密切相關(guān)。約10%的細(xì)顆粒物來自自然排放，其他近90%來自人為排放。對(duì)北京2013年1月5次霾污染分析得出，大氣細(xì)顆粒物的主要化學(xué)組成包括有機(jī)碳、元素碳、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、揚(yáng)塵等。硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽是基于一次排放的二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和氨氣（NH3）氣體經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)形成。揮發(fā)性有機(jī)物（包括來自烹飪?cè)吹挠蜔熜陀袡C(jī)物、來自于汽車尾氣烴類有機(jī)顆粒物、來自光化學(xué)反應(yīng)的氮富集有機(jī)物以及從北京周邊輸送過來的氧化型有機(jī)顆粒物），在大量二氧化硫和氮氧化物的作用下發(fā)生反應(yīng)，向二次有機(jī)氣溶膠轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生更加具毒性的細(xì)顆粒污染物。它們是20世紀(jì)中期美國南加州光化學(xué)煙霧的主要成分。

這些污染物都和人類的生產(chǎn)和生活活動(dòng)息息相關(guān)。對(duì)北京PM2.5的源解析結(jié)果表明，燃煤、機(jī)動(dòng)車為最主要來源。北京年平均PM2.5排放中，燃煤占26%，機(jī)動(dòng)車19%，餐飲11%，工業(yè)10%。1月的霾污染過程中（根據(jù)對(duì)顆粒物PM1和PM2.5化學(xué)成分的分析和綜合源解析，估算出北京地區(qū)霾污染過程污染物初始排放源比例如圖12所示），北京機(jī)動(dòng)車排放貢獻(xiàn)最大，占25%，其次為燃煤19%和外來輸送19%；京津冀地區(qū)的主要污染來源則是燃煤34%、機(jī)動(dòng)車16%和工業(yè)15%。此外，河北和天津地區(qū)的燃煤、化工、重金屬冶煉都是重金屬污染的來源。北京城市大量的機(jī)動(dòng)車排放是造成NOx大氣濃度上升的原因，也是硝酸鹽同步上升的原因之一。白天NO2濃度出現(xiàn)高值，并同步出現(xiàn)硝酸鹽濃度高值，但北京機(jī)動(dòng)車NOx排放造成的危害遠(yuǎn)非僅生成無機(jī)硝酸鹽，更可怕的是生成了大量的含氮有機(jī)顆粒物。白天生成的硝酸鹽夜間在高濃度SO2和硫酸鹽的作用下向致癌物亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化相關(guān)。

總的來說,就北京而言，機(jī)動(dòng)車為城市PM2.5的最大來源，約為1/4；其次為燃煤和外來輸送，各占1/5。油氣揮發(fā)和餐飲近年來有快速上升趨勢(shì)，應(yīng)加緊控制，工業(yè)和地面揚(yáng)塵應(yīng)進(jìn)一步改善。

京津冀區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)控制工業(yè)和燃煤過程，重點(diǎn)在于燃燒過程的脫硫、脫硝和除塵；同時(shí)要高度關(guān)注柴油車排放和油品質(zhì)量。

6 霾控制建議

6.1 局地排放和周邊輸送增加了大氣污染物控制和治理的難度，北京不可能單獨(dú)治理霾問題

以北京大氣霾溯源為例，北京PM2.5約30%—40%來自原始排放，20%—30%來自大氣中的光化學(xué)轉(zhuǎn)化，30%—40%來自區(qū)域輸送。北京治霾要“三分之一靠天氣，三分之一靠自己，三分之一靠周邊”。北京本地排放主要包括大量機(jī)動(dòng)車排放造成的硝酸鹽、光化學(xué)作用產(chǎn)物、局地烹飪和汽車尾氣等排放的揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二次有機(jī)氣溶膠。SO2的梯度觀測(cè)結(jié)果表明，北京地區(qū)280m高空的SO2濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面監(jiān)測(cè)結(jié)果。表明北京大氣SO2和硫酸鹽主要來源于周邊SO2排放及其轉(zhuǎn)化。局部流場(chǎng)分析，北京城區(qū)大量污染物來自于東南方向的低空氣團(tuán)的近距離輸送。京津冀近周邊的沙塵層輸送至北京，與本地的污染性氣溶膠混合后加重污染。

因此，北京市雖然能努力降低自身大氣污染物的排放，卻無法解決周邊污染物排放與傳輸。除本地汽車尾氣之外對(duì)北京霾污染的形成有直接重大影響的，還有天津的工業(yè)排放和河北的燃煤排放。

6.2 霾可以提前預(yù)測(cè)預(yù)警并緩解

對(duì)大氣污染物跟蹤監(jiān)測(cè)表明，北京奧運(yùn)會(huì)期間的大氣細(xì)顆粒物濃度非常低，PM1—2.5不足50ug/m3。單雙號(hào)和黃標(biāo)車限行可將PM1—2.5控制在100ug/m3以下，而在機(jī)動(dòng)車未限行時(shí)段該數(shù)據(jù)可達(dá)200ug/m3。同樣對(duì)2013年1月份的第4次霾過程分析表明，汽車排放的氮氧化物和燃煤排放的硫化物貢獻(xiàn)超過100ug/m3，占當(dāng)時(shí)污染物濃度的一半。這些情況表明，在易于形成霾的氣象條件下（如靜穩(wěn)天氣、逆溫），可考慮外來污染物的大氣環(huán)流，通過提前預(yù)測(cè)預(yù)警來加強(qiáng)局地污染控制，減輕北京等地區(qū)的大氣污染。如能前瞻部署，則2013年1月份的5次霾事件可通過預(yù)警和臨時(shí)防治措施減緩3次。

6.3 防治建議

參照發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn)，我國的調(diào)控措施不宜完全照搬，需要根據(jù)國情長遠(yuǎn)規(guī)劃，分步實(shí)施；打破區(qū)劃，實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的綜合治理；全民動(dòng)員，落實(shí)細(xì)節(jié)；科學(xué)實(shí)干，防止走過場(chǎng)。PM2.5監(jiān)控治理比以往任何一種污染物控制治理都復(fù)雜得多，根治PM2.5需要政治智慧、管理創(chuàng)新、科學(xué)支撐和全民參與。

6.3.1 根治霾污染需政治智慧

正像聯(lián)產(chǎn)承包、分產(chǎn)到戶解決了我國改革開放初期的農(nóng)業(yè)發(fā)展問題，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和經(jīng)濟(jì)特區(qū)解決了改革開放初期的工業(yè)商業(yè)發(fā)展問題，一國兩制解決了香港和澳門問題一樣，根治霾污染需要在國家管理體制上有所創(chuàng)新，有所突破。如果沒有突破性的管理體制改革，難以短時(shí)間徹底解決問題。應(yīng)增加經(jīng)濟(jì)管制的份額，推進(jìn)環(huán)境容量資源化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)跨行政區(qū)劃的排污共同負(fù)擔(dān)治理費(fèi)用的政策。其中，首要的就是要健全排污收費(fèi)制度，建立完善的污染物排放交易政策。

6.3.2 必須實(shí)施區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控

京津冀地區(qū)處于同一個(gè)氣候帶，故此形成了一個(gè)大的區(qū)域協(xié)同污染區(qū)，根治大氣污染需要區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。這需要突破現(xiàn)有以行政單位各自為政的管理制度。歐共體協(xié)同治理酸雨和大氣污染，美國南加州聯(lián)防聯(lián)控遏制光化學(xué)大氣污染都是成功的范例?？梢钥紤]成立京津冀大氣污染聯(lián)防聯(lián)控委員會(huì)，將該區(qū)域作為大氣污染防治的試點(diǎn)“特區(qū)”，并對(duì)聯(lián)防聯(lián)控委員會(huì)賦予相對(duì)獨(dú)立的權(quán)力（類似司法獨(dú)立），有固定的經(jīng)費(fèi)來源和補(bǔ)貼分配權(quán)力（如，區(qū)域內(nèi)各省市以每年一定比例的GDP進(jìn)行匹配），對(duì)于污染企業(yè)有一票否決權(quán)和處罰的權(quán)力等等。

6.3.3 防治霾要加強(qiáng)法治

僅靠政府部門、工廠企業(yè)和居民團(tuán)體自覺自律地維護(hù)大氣環(huán)境顯然不夠，要逐步制定落實(shí)相應(yīng)的法律規(guī)章，依法治污才有長治久安的可能。具體來說，要強(qiáng)化電廠脫硫脫銷的監(jiān)控，避免三天打魚兩天曬網(wǎng)的不徹底現(xiàn)象。同時(shí)應(yīng)建立第三方數(shù)據(jù)檢測(cè)，加強(qiáng)油品質(zhì)量管理。在今后的每個(gè)五年計(jì)劃中，應(yīng)將環(huán)境和能源指標(biāo)更多的添加到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的激勵(lì)系統(tǒng)中。另外，要進(jìn)一步明確環(huán)境負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)為省級(jí)環(huán)保局，授予省級(jí)環(huán)保局更多的權(quán)利，為其提供更多的資金和更大的知識(shí)能力。保證實(shí)施效果的另一個(gè)關(guān)鍵性因素是形成制衡系統(tǒng)，各機(jī)構(gòu)以及利益相關(guān)方可以籍此對(duì)彼此進(jìn)行監(jiān)督以提高問責(zé)，共同發(fā)揮監(jiān)督作用。

6.3.4 要制定多種污染物減排的一攬子計(jì)劃，加強(qiáng)污染物協(xié)同控制

僅降低PM2.5是不夠的，應(yīng)減排所有的污染氣體與顆粒。不能只關(guān)注硫化物減排，氨氣的減排也很重要。由于PM10（粒徑小于10μm的顆粒物）濃度逐年下降，而PM2.5濃度高居不下，區(qū)域大氣污染控制應(yīng)以細(xì)粒子減排和多種污染物聯(lián)合控制為主，并在源頭上控制CO、SO2、NOx，VOCs和NH3的排放。在電力行業(yè)，同時(shí)控制SO2、NOx、VOCs及粉塵有助于降低污染治理成本。

6.3.5 要各有側(cè)重地控制一次污染源

首先要從源頭控制，大力消減PM2.5形成前的主要?dú)鈶B(tài)物SO2、NOx、CO、NH3和VOCs的排放?？刂芐O2的重點(diǎn)在工業(yè)、采暖和燃煤電廠。NOx的控制重點(diǎn)依次為機(jī)動(dòng)車、燃煤電廠和工業(yè)。CO的控制重點(diǎn)依次為機(jī)動(dòng)車工業(yè)和燃煤電廠。VOCs應(yīng)以機(jī)動(dòng)車、無組織（餐廚、干洗店等）排放和工業(yè)為主。另外，北方城市的冬季由于受到大規(guī)模燃煤采暖的影響，SO2、NOx、CO、PM較非采暖期相比，呈上升趨勢(shì)，應(yīng)在冬季采暖時(shí)段加強(qiáng)對(duì)這些污染物的控制，而VOCs則在全年都要控制。

6.3.6 區(qū)域源控制應(yīng)以產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局和調(diào)整為重

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面，加大第三產(chǎn)業(yè)比例，降低高能耗第二產(chǎn)業(yè)比例。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局方面，盡量將高污染企業(yè)遷至區(qū)域的下風(fēng)場(chǎng)地區(qū)或高海拔地區(qū)，這有利于一次污染物的擴(kuò)散和沉降。同時(shí)加強(qiáng)環(huán)保監(jiān)管措施，控制新排放源的加入。

6.3.7 霾治理要科學(xué)先行

由于我國的PM2.5來源復(fù)雜，形成原理不清，觀測(cè)分析設(shè)備落后，難以制定科學(xué)合理的治理方案。此時(shí)，切勿盲目采用國外監(jiān)測(cè)技術(shù)及照搬國外調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)抓緊時(shí)間進(jìn)行基礎(chǔ)研究，加大科學(xué)投入，并根據(jù)科學(xué)研究結(jié)果制定出一套詳盡完備的PM2.5減排控制方案。在控制技術(shù)方面更要加緊研究，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題后，如何解決就成了關(guān)鍵。我國大氣的PM2.5污染來源和形成機(jī)制與發(fā)達(dá)國家不同，治理技術(shù)也不能完全照搬。

6.3.8 霾治理需要公眾參與

公眾行為是面源強(qiáng)度大小的最重要控制因子，小到餐飲出行，大到擇業(yè)置產(chǎn)，都要考慮到盡量減少污染排放，因此首先要提高公民整體素質(zhì)，只有每個(gè)人都從自我做起，從點(diǎn)滴小事做起，才有可能保障我們有干凈的空氣呼吸。加大宣傳力度，提高公民的環(huán)保意識(shí)，使公眾有合理的參與途徑和方式，能夠從科學(xué)上認(rèn)知正確防控PM2.5的方法，才能與政府部門一道控制PM2.5，保護(hù)生存環(huán)境，保護(hù)我們的家園。

1侯俊峰.如何正確識(shí)別煙,霾,輕霧.山西氣象，2002,(4):42-42.

2肖湘卉.輕霧和霾的區(qū)別.陜西氣象，2006,(3):17-18.

3中國氣象局,地面氣象觀測(cè)規(guī)范.北京：氣象出版社,2003.

4 Wang K,Dickenson RE,Lian S.Clear-sky visibility has decreased globally from 1973-2007.Science,2009a，323：1468-1470.

5 Tie X,Wu D,Brasseur G.Lung cancer mortality and exposure to atmospheric aerosol particles in Guangzhou,China.Atmos.Envi-ron,2009,43,2375-2377.

6 Sun Y et al.The air-borne particulate pollution in Beijing—concentration,composition,distribution and sources. Atmospheric Environment,2004,38(35):5991-6004.

Formation of haze pollution in Beijing-Tianjin-Hebei region and their control strategies

Wang YuesiYao LiLiu ZiruiJi Dongsheng Wang LiliZhang Junke
(Institute ofAtmospheric Physics,ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100029,China)

In the recent 35 years after the reform and opening-up policy,economy of China has been developed rapidly.At the same time,atmospheric haze pollution became more and more serious,especially in the three typical areas,named Beijing-Tianjin-Hebei region,Yangtze River Delta and Pearl River Delta.This paper takes the serious haze pollution event occurred in January,2013 of Beijing as an example,to discuss the pollution status,physical and chemical formation mechanism and sources of haze pollution in the Beijing-Tianjin-Hebei region.Finally，possible abatement policies are proposed from thoughtful considering political wisdom,management innovation,scientific support and public participation.

haze pollution,PM2.5,physical and chemical formation mechanism,abatement policy

王躍思中科院大氣物理所研究員，博士生導(dǎo)師。1961年1月出生于北京。國家杰出青年基金獲得者。發(fā)表期刊論文300余篇，其中SCI論文100余篇，創(chuàng)建10項(xiàng)國家發(fā)明專利技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)外百家科研單位，曾獲國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。目前正在主持中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“大氣氣溶膠化學(xué)成分全國聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)研究”、“大氣灰霾溯源”和國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金等相關(guān)重大科研項(xiàng)目，主攻方向?yàn)榇髿怫参廴净瘜W(xué)。E-amil:wys@mail. iap.ac.cn

*修改稿收到日期：2013年4月18日

中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB05020000、XDA05100100），國家自然科學(xué)基金（41230642、41021004）