從區(qū)域能源消費探尋霧霾成因

趙 敏 黃東風(fēng) 何斯征 佘孝云 姚燁彬

浙江省能源與核技術(shù)應(yīng)用研究院

2013年我國中東部地區(qū)先后遭遇多次大范圍持續(xù)的霧霾天氣，其影響范圍、持續(xù)時間、霧霾強度歷史少見。全年霧霾平均日數(shù)29.9d，較常年同期偏多10.3d，達到1961年以來的峰值[1]。霧霾波及了全國25個省份、100余個大中型城市，安徽、湖南、湖北、浙江、江蘇等地霧霾天數(shù)均創(chuàng)下歷史紀錄。

我國大面積的霧霾天氣頻發(fā)與高強度的能源消費、超環(huán)境容量的污染物排放密切相關(guān)。我國中東部地區(qū)人口稠密，經(jīng)濟持續(xù)高速，能源消費量大，單位面積污染排放強度高，形成了區(qū)域性的大氣污染局面。本文從能源消費和污染排放強度等指標(biāo)入手，探討我國中東部地區(qū)的霧霾成因。

1 霧霾起因

霧和霾是秋冬季常見的兩種自然天氣現(xiàn)象。根據(jù)中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》[2]的定義，霧是大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能見度小于1km的天氣現(xiàn)象，相對濕度接近100%，多出現(xiàn)在日出前。霾是大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣普遍混濁現(xiàn)象，氣團穩(wěn)定、較干燥，一天中任何時候均可出現(xiàn)。霧和霾之間有很大的差別，霧是空氣中的水汽凝結(jié)現(xiàn)象，與人為的污染沒有必然聯(lián)系。霾是由于空氣中的煙塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等粒子的存在，使得大氣變得混濁，能見度惡化?？諝庵袘腋〉念w粒物（PM）是霾的核心物質(zhì)，大氣中PM2.5濃度超標(biāo)是霾的重要表征。許多研究已表明[3-7]，我國各地霧霾天氣明顯增多，這是人類社會經(jīng)濟活動產(chǎn)生的人為影響因素和氣候變化帶來的氣候因素影響相結(jié)合的結(jié)果。其首要原因是污染物排放量過大，而化石能源消費是大氣污染物排放增多的主要來源，尤其是煤炭、汽車燃油等消費的持續(xù)增加，因此以化石能源為主導(dǎo)的能源消費是我國霧霾天氣頻發(fā)的根源。除了人為因素外，靜穩(wěn)天氣也是霧霾天氣的誘因，當(dāng)霧霾出現(xiàn)時，近地面大氣中往往存在著逆溫層,這樣的天氣不利于污染物的擴散和稀釋，易導(dǎo)致霧霾的發(fā)生。

2 能源消費

我國已經(jīng)成為全球能源消費第一大國，以煤炭為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)依然延續(xù)。2012年全國能源消費總量36.17億t標(biāo)煤，約占全世界能源消費總量的21%，煤炭消費量35.3億t，占全國能源消費總量66.6%[8]，比2000年降低了2.6個百分點。我國煤炭主要用于發(fā)電和終端消費，隨著清潔能源需求的不斷提高、大氣環(huán)境污染治理力度的加大，煤炭用于發(fā)電的比重逐漸增加，2012年已經(jīng)超過50%，這有利于煤炭燃燒廢氣排放的集中治理。同時煤炭用于終端消費的比重不斷降低，從2000年的35.5%降低到2012年24.7%，接近世界平均水平23.4%，但是仍高于發(fā)達國家平均水平11.8%[9]，這是我國能源資源稟賦所決定的。

2.1 能源消費強度

我國中東部是經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域，占全國總面積的20.3%。2012年該區(qū)域的生產(chǎn)總值41.2億萬元，占全國國內(nèi)生產(chǎn)總值的79.5%，能源消費量20.8億t標(biāo)煤,占全國能源消費總量的63.4%。這意味著在全國20%的土地上消耗了近67%的能源總量，平均每日單位面積能源消費量達3.94t標(biāo)煤/（d·k㎡），是全國平均值（1.26 t標(biāo)煤/（d·k㎡））的3倍。其中，京津冀、長三角和珠三角的能源消費強度分別5.74 t、7.56 t和4.42 t標(biāo)煤/（d·k㎡），是全國能源消費最為密集的地區(qū)。

2.2 煤炭消費強度

2012年我國中東部地區(qū)的煤炭消費總量26.3億t，占全國煤炭消費總量的60.3%，平均煤炭消費強度為3.69 t/（d·k㎡），如表1所列。京津冀及其周邊省份和長三角地區(qū)的煤炭消費強度分別4.9 t、6.5 t和6.21 t/（d·k㎡），高于中東部平均水平，這3個地區(qū)的煤炭消費量合計16.2億t，占全國總量的37%,是我國乃至中東部地區(qū)的煤炭消費密集區(qū)。其次，珠三角和中部地區(qū)的煤炭消費強度分別為2.67 t和2.58 t/（d·k㎡），也是煤炭消費較為密集的地區(qū)。

表1 我國中東部各地區(qū)的煤炭消費量及單位面積消費強度

2.3 燃油消費強度

2012年我國中東部地區(qū)汽柴油消費量1.9億t，占全國汽柴油消費總量的63.2%。其中，長三角地區(qū)汽柴油消費量4470萬t，占全國總量的14.9%，如表2所列。京津冀周邊省份和中部地區(qū)的汽柴油消費量均在3 350萬t上下，分別占全國總量的11.2%。京津冀和珠三角地區(qū)的汽柴油消費分別為2 403萬t和2 802萬t，占全國總量的8%和9.3%。從平均每日單位面積汽柴油消費強度來看，長三角地區(qū)最高，為580 kg/（d·k㎡），其后是珠三角和京津冀，分別為425 kg/（d·k㎡）和302 kg/（d·k㎡），京津冀周邊省份為291 kg/（d·k㎡）。

3 廢氣排放

3.1 排放強度

煤炭、汽柴油等燃燒后排放的廢氣是大氣環(huán)境污染和霧霾天氣的直接原因。根據(jù)中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒[10]，2012年全國工業(yè)廢氣排放量635 519億m3，如表3所列。二氧化硫排放量2 117.6萬t，煙（粉）塵排放量1234.8萬t，氮氧化物排放量2 337.8萬t，其中河北、山東、山西等省的主要污染物排放量均位于全國的前列。

2012年我國中東部地區(qū)二氧化硫平均排放強度16.0 kg/（d·k㎡），煙（粉）塵平均排放強度9.3 kg/（d·k㎡），氮氧化物平均排放強度為19.9 kg/（d·k㎡）。

二氧化硫排放強度高于平均水平的省市有天津、河北、山西、山東、上海、江蘇、浙江以及河南，其中上海市和天津市的二氧化硫排放強分別為 98.6kg/（d·k㎡）和 51.6kg/（d·k㎡）,遠高于其它省市。

煙（粉）塵排放強度高于平均水平的省市有北京、天津、河北、山西、山東、上海、江蘇和河南，其中上海煙塵排放強度以37.7kg/（d·k㎡）而高居各省市之首。

氮氧化物排放強度高于平均水平的省市有北京、天津、河北、山西、山東、上海、江蘇、浙江和河南，其中上海和天津市的氮氧化物排放強度遠高于各省市水平，分別高達173.5 kg/（d·k㎡）和 76.8 kg/（d·k㎡）。

表2 我國中東部地區(qū)的汽柴油消費量及單位面積消費強度

表3 2012年我國中東部省市的大氣主要污染物排放強度

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上述數(shù)據(jù)表明， 我國中東部地區(qū)的大氣污染排放主要集中在京津冀、長三角和珠三角等地。從上海和天津排放強度值，可對城市大氣污染物排放窺見一斑，即大氣污染物排放的城市集聚性。

4 環(huán)境容量

眾所周知，地球是被厚厚的大氣層所包圍，靠近地面的一層為對流層。對流層的下層又稱為擾動層或摩擦層，其厚度一般是自地面到2 km高度，隨季節(jié)和晝夜更迭，會有所變化。通常對流層的氣度隨高度上升而降低，大約每升高1 000 m，溫度下降5～6℃，上方冷空氣下沉，下方熱空氣上升，形成空氣上下對流，有利于污染物的擴散和稀釋。當(dāng)出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象時，即氣溫隨高度的增加而升高，暖而輕的空氣位于冷而重的空氣上面，形成一種極其穩(wěn)定的空氣層，稱為逆溫層，其高度為200～300 m或更高。由于逆溫層對空氣對流有強烈的抑制作用，不利于大氣污染物的擴散，極易促成霧霾天氣的形成。

霧霾形成是復(fù)雜的天氣過程，涉及氣溫、氣流、污染物排放以及各種化學(xué)反應(yīng)等。為了簡化，暫且不考慮大氣中二次顆粒的形成過程，取大氣混合層高度在一般天氣條件下為2 000 km，在逆溫時為200 m，根據(jù)各地大氣污染物排放強度，估算不同條件下大氣中污染物濃度值。

在一般的天氣條件下，二氧化硫污染濃度，除了上海市 (51.9 μg/m3)和天津市 (26.5 μg/m3)低于國家標(biāo)準規(guī)定的二級濃度限定值（60 μg/m3)[11]，其它省市均低于國家標(biāo)準規(guī)定的一級濃度限定值（20 μg/m3）（如表4）。氮氧化物濃度，上海高達94 μg/m3，超過國家標(biāo)準規(guī)定的濃度限定值（50 μg/m3），其它各省市為 3.9～ 41.3μg/m3，均低于國家標(biāo)注規(guī)定的限定值（如表5）。類似地，煙（粉塵）污染濃度，除了上海市為37.7 μg/m3,各省市介于4.4～19.3 μg/m3之間，都低于國家標(biāo)準規(guī)定的一級PM10濃度限定值（40 μg/m3）和二級PM2.5濃度限定值（35 μg/m3）。

當(dāng)出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象時，等量的污染物排放卻會引起空氣中污染物濃度大幅增加數(shù)倍。如果大氣混合高度為200 m時，各地空氣中的二氧化硫、煙塵和氮氧化物濃度可能增加10倍，出現(xiàn)嚴重超出國家標(biāo)準限定值的現(xiàn)象,尤其是京津冀及其周邊、長三角、珠三角地區(qū)，空氣中二氧化硫濃度會高于國家標(biāo)準規(guī)定的二級濃度限定值1.5～8.6倍，空氣中氮氧化物濃度高于國家標(biāo)準規(guī)定的濃度限定值的1.7～7.8倍等。

從上述對比可以看出，霧霾天氣是大自然對污染物排放超出環(huán)境承載力的警示信號。在我國京津冀及其周邊、長三角和珠三角等地區(qū)，由于大量排放大氣污染物，當(dāng)特定的天氣條件周而復(fù)始出現(xiàn)時，霧霾天氣就會不斷發(fā)生。此外，地理條件也可能對霧霾有影響作用，比如，上海市的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)均高于京津冀的，而霧霾天氣明顯少于京津冀地區(qū)，可能上海市位于沿海，污染物的擴散稀釋條件更好，不易累積。

表4 我國中東部各省市空氣中SO2濃度的估算

表5 我國中東部各省市空氣中NOx濃度的估算

5 結(jié)語

霧霾的頻繁出現(xiàn)是大自然對環(huán)境容量超載的警示信號。我國中東部地區(qū)僅占全國總面積的20.3%，2012年消耗了全國60%的煤炭和80%的汽柴油，二氧化硫和煙塵排放量分別為全國總量的54%，氮氧化物排放量占全國的60%。正是由于污染物的大量排放，當(dāng)特定天氣條件周而復(fù)始地出現(xiàn)，霧霾污染的發(fā)生就在所難免。

以煤炭為主的能源消費方式是霧霾發(fā)生的根源，要從源頭上進行防治，必須加快能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化，增加清潔能源的供應(yīng)，大力開發(fā)利用可再生能源。高度重視節(jié)約能源，提高能源效率，用更少的能源消費支撐更多的產(chǎn)出。減少燃料燃燒后排放的廢氣污染物，重點控制煤炭燃燒過程的脫硫、脫硝和除塵，高度關(guān)注汽車排放和油品質(zhì)量改進。

霧霾天氣的防治是一項龐大的系統(tǒng)工程，涉及區(qū)域發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源消費、污染物排放治理等一系列重大問題，必須建立有效的聯(lián)動機制，協(xié)同行動，加大局地污染源的減排力度，減少污染物的區(qū)域輸運，各地區(qū)聯(lián)手共同應(yīng)對大氣污染。

要建立應(yīng)急機制，不斷完善氣象觀測系統(tǒng)，加強對霧霾天氣的預(yù)測預(yù)警，研究制定各種應(yīng)急預(yù)案，及時控制大氣污染物的排放，最大限度地減緩霧霾天氣的影響。

[1] 張建忠,孫瑾等.霧霾天氣成因分析及應(yīng)對思考[J].中國應(yīng)急管理, 2014,(1):16-21.

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[3] 如海.霧霾警示中國必須改變能源消費結(jié)構(gòu)[J]. 綠葉, 2013(3):49-55..

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[5] 王躍思,姚利等.京津冀大氣霾污染及控制策略思考[J].中國科學(xué)院院刊, 2013,28(3):353-363.

[6] 王偉光，鄭國光等.氣候變化綠皮書:應(yīng)對氣候變化報告(2013)[M]. 社會科學(xué)文獻出版社,北京, 2013.11.

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[9] 國家統(tǒng)計局能源統(tǒng)計司.中國能源統(tǒng)計年鑒2013[M].中國統(tǒng)計出版社, 北京, 2013.12.

[9] International Energy Agency. 2014 Key world energy statistics[EBOL/]. http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/key-world-energystatistics-2014.html. 2014-10-15.

[10] 文兼武, 劉炳江. 中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒[M]. 中國統(tǒng)計出版社，北京，2013.12.

[11] 國建環(huán)境保護部, 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(GB 3095-2012)[EB/OL]. http://kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqhjzlbz/201203/W020120410330232398521.pdf.20014-09-17.