能源清潔利用、節(jié)能減排與霧霾產(chǎn)生根源的關(guān)系分析

王 經(jīng) 孫康杰

上海交通大學(xué) 工程熱物理研究所 上海市能源研究會(huì)

1 概況

近年來(lái)，上海霧霾天氣越來(lái)越嚴(yán)峻。2004年至2005年夏季，上海地區(qū)PM2.5的平均濃度只有89 μg/m3，2007年1月19日，上海的PM2.5達(dá)到512 μg/m3；2013年12月2日至12月14日，上海等多地空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到六級(jí)嚴(yán)重污染級(jí)別，2013年12月6日，上海遭遇歷史上最重度的霧霾污染，PM2.5濃度日平均值超過(guò)600 μg/m3，其中普陀區(qū)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)高達(dá)726.0 μg/m3。究竟我們生活的城市里的空氣環(huán)境發(fā)生了怎樣的變化呢?又是哪些原因?qū)е铝诉@些變化?本文從源頭來(lái)探索這個(gè)問(wèn)題。

眾所周知，霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，水平能見(jiàn)度降低到1 000 m以內(nèi)，人們就將懸浮在近地面空氣中的水汽凝結(jié)物的天氣現(xiàn)象稱為霧；霾是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏攘Ｗ咏M成的，如果水平能見(jiàn)度小于10 000 m時(shí)，人們將這種非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的視程障礙稱為霾（Haze）。研究表明[1]，霧霾中的PM2.5（空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物）與能見(jiàn)度呈顯著負(fù)相關(guān)，被認(rèn)為是造成霧霾天氣的“元兇”。

PM2.5由于具有粒徑小、可通過(guò)呼吸道直接進(jìn)入人體支氣管甚至血液的特點(diǎn)，容易引發(fā)人的呼吸系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病、血液系統(tǒng)疾病，如咽喉炎、肺氣腫、哮喘、鼻炎、支氣管炎等炎癥，還易吸附多環(huán)芳烴等有機(jī)成分和有毒重金屬，在進(jìn)入人體后可能會(huì)造成更嚴(yán)重的健康危害[2]，長(zhǎng)期處于這種環(huán)境還會(huì)誘發(fā)肺癌、心肌缺血及損傷；上海交通大學(xué)附屬仁濟(jì)醫(yī)院研究團(tuán)隊(duì)對(duì)上海男性不育進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10年的研究證實(shí)，環(huán)境日趨惡化還會(huì)影響男性的生殖能力；此外，霧霾天氣時(shí)由于空氣能見(jiàn)度較低，還易造成高速公路封閉、航班延誤或取消、高鐵受阻等等，給人們的生產(chǎn)、生活和出行造成諸多不便。

因此，認(rèn)真解析上海常態(tài)污染下的PM2.5來(lái)源以及與溫度、濕度、風(fēng)速等因素的關(guān)系，對(duì)研究上海霧霾天氣的主要成因，預(yù)防和減少霧霾天氣的發(fā)生至關(guān)重要。

2 PM2.5與溫度、濕度及不同污染源關(guān)系的監(jiān)測(cè)與分析

2.1 調(diào)研方法及測(cè)試手段

為了探討不同的能源利用方式的排放物對(duì)大氣中PM2.5的影響，筆者（課題組）選取了6個(gè)典型的不同地點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，自春末至夏初對(duì)六個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，如圖1所示，六個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分別為位于上海西南局部地區(qū)的建筑工地、高校、十字路口、居民小區(qū)、農(nóng)田和工業(yè)企業(yè)。分別代表了可能的建筑生產(chǎn)排放源、普通生活環(huán)境、汽車尾氣排放源、居民生活排放源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)用能排放源。

數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2014年4月下旬至2014年6月上旬，即傳統(tǒng)意義上的春末夏初季節(jié)。研究人員每天在11點(diǎn)-12點(diǎn)之間對(duì)上述6個(gè)采集點(diǎn)連續(xù)采集了PM2.5值、溫度和濕度，并取數(shù)學(xué)平均值作為當(dāng)天的數(shù)據(jù)點(diǎn)。其中采集PM2.5所使用的儀器為清華同方PM2.5數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x，使用之前通過(guò)廠家進(jìn)行校準(zhǔn)，儀器誤差小于3%，最小量程為1ug/m3,數(shù)據(jù)采用30秒連續(xù)記錄并取數(shù)學(xué)平均值。PM2.5測(cè)量?jī)x器示意圖如圖2所示。

2.2 結(jié)果分析

（1） 樣本空間總覽

筆者（課題組）采集了40 d數(shù)據(jù)作為總體樣本空間，如圖3所示。在春末夏初40 d中，晴天天數(shù)占總天數(shù)的50%，陰天為30%，雨天為20%。說(shuō)明春末夏初季節(jié)上海地區(qū)在沒(méi)有入梅之前降水相對(duì)較少。圖4為污染天數(shù)示意圖。如圖4所示，根據(jù)PM2.5國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)等天氣占總樣本空間的5%；良好天氣占總樣本空間的半數(shù)以上；輕度污染、中度污染和重度污染分別占總測(cè)量天數(shù)的27.5%、7.5%和2.5%。特別注意的是，在此期間發(fā)生一天次的霧霾天氣，估測(cè)原因?yàn)橹車r(nóng)田焚燒秸稈所致。

（2） 相關(guān)系數(shù)

圖1 觀測(cè)地點(diǎn)示意圖

圖2 PM2.5測(cè)量?jī)x器示意圖

PM2.5來(lái)源比較復(fù)雜，大氣的溫度、濕度均對(duì)空氣中PM2.5的數(shù)值有顯著影響。因此有必要通過(guò)數(shù)學(xué)手段來(lái)探討PM2.5和溫度、濕度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以獲得溫度、濕度對(duì)大氣PM2.5的定量的影響關(guān)系。本文在數(shù)據(jù)測(cè)量的基礎(chǔ)上，運(yùn)用時(shí)間序列分析方法[3]，引入相關(guān)系數(shù)來(lái)說(shuō)明溫度、濕度對(duì)大氣PM2.5的影響。

圖3 天氣狀態(tài)示意圖

圖4 污染天數(shù)示意圖

相關(guān)系數(shù)是描述兩個(gè)測(cè)量值變量之間的離散程度的指標(biāo)。用于判斷兩個(gè)測(cè)量值變量的變化是否相關(guān)，即一個(gè)變量增大時(shí)，另一個(gè)變量相關(guān)聯(lián)增大(正相關(guān))；或一個(gè)變量減小時(shí)另一個(gè)變量相關(guān)聯(lián)增大(負(fù)相關(guān))；還是兩個(gè)變量中的值互不關(guān)聯(lián)(相關(guān)系數(shù)近似于零)?？枴て柹嚓P(guān)系數(shù)表達(dá)式為：

r>0表示正相關(guān)，r<0表示負(fù)相關(guān)，|r|表示了變量之間相關(guān)程度的高低。特殊地，r=1稱為完全正相關(guān)，r=-1稱為完全負(fù)相關(guān)，r=0稱為不相關(guān)。通常|r|大于0.8時(shí)，認(rèn)為兩個(gè)變量有很強(qiáng)的線性相關(guān)性。

PM2.5和溫度濕度之間的皮爾森相關(guān)系數(shù)如表1所示，PM2.5與溫度和濕度均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)特性，說(shuō)明隨著溫度的升高，空氣中的微小顆粒受浮升力的作用而高度上升，PM2.5隨之下降。當(dāng)濕度增加時(shí)，污染物表面吸附水分，通過(guò)相互凝聚成較大顆粒發(fā)生沉降；當(dāng)相對(duì)濕度變小時(shí)，污染物表面吸附力小，不易凝聚沉降。所得數(shù)據(jù)表明，PM2.5與溫度、濕度的相關(guān)性均呈現(xiàn)弱相關(guān)特性，即PM2.5并非單獨(dú)與溫度濕度有關(guān)。

表1 PM2.5與溫度和濕度之間的相關(guān)系數(shù)

（3） PM2.5與溫度、濕度之間的關(guān)系

不同溫度對(duì)PM2.5的影響。圖5所示，春末夏初上海的溫度在15-33℃之間，可以看出，隨著溫度的升高，PM2.5濃度逐漸減小，當(dāng)溫度大于20℃時(shí)，PM2.5濃度達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段。由此可以看出，溫度對(duì)PM2.5有一定影響，溫度越高，空氣中的微小顆粒受浮升力的影響向高層運(yùn)動(dòng)，所測(cè)高度PM2.5濃度下降。因此，上海大范圍的霧霾天氣常出現(xiàn)在氣溫相對(duì)較低的冬春季節(jié)。

圖6為PM2.5濃度與相對(duì)濕度之間的關(guān)系。它表明PM2.5濃度的峰值出現(xiàn)在相對(duì)濕度小于30%的時(shí)期，隨著濕度的增大，PM2.5濃度明顯減小，并在相對(duì)濕度大于50%時(shí)保持穩(wěn)定，這是因?yàn)榭諝庵械奈⑿☆w粒被水分包裹從而引起下沉所致。

圖5 PM2.5與溫度之間的關(guān)系

圖6 PM2.5與濕度之間的關(guān)系

同時(shí)，PM2.5濃度與風(fēng)速也有一定關(guān)系。2013年12 月，由于影響上海的強(qiáng)冷空氣活動(dòng)偏少，地面風(fēng)速小，大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散；同時(shí)由于西南暖濕氣流將豐沛的水汽送來(lái)，空氣濕度明顯增加，有利于霧的形成，上海出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣。

（4）PM2.5與排放源的關(guān)系

圖7 PM2.5與排放源的關(guān)系

PM2.5周平均濃度與不同檢測(cè)點(diǎn)排放源的關(guān)系示于圖7。隨著時(shí)間由春末進(jìn)入夏初，上海氣溫逐漸升高，周平均PM2.5指數(shù)呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)，第五周周平均PM2.5指數(shù)由于霧霾天氣的發(fā)生突然升高，這是由于上海周圍地區(qū)焚燒秸稈所致。此外可以看出，十字路口的PM2.5濃度指數(shù)明顯高于其他測(cè)點(diǎn)排放源對(duì)PM2.5的影響。分析表明，十字路口是汽車來(lái)往密集地帶，汽車尾氣排出的硫化物、氮氧化物等微小顆粒對(duì)于PM2.5濃度有直接影響，因此控制汽車尾氣排放對(duì)于改善環(huán)境有明顯作用。鍋爐廠作為工業(yè)用能排放源的代表，其PM2.5指數(shù)也相對(duì)較高。而居民小區(qū)和建筑工地的PM2.5指數(shù)相對(duì)較低，這是因?yàn)樯虾儆跍貛駶?rùn)環(huán)境，其相對(duì)濕度相對(duì)較高，因此建筑塵和普通塵土由于水分包裹著微小顆粒從而導(dǎo)致沉降，PM2.5濃度相對(duì)較小。高校環(huán)境和農(nóng)田由于存在大量的綠化帶，PM2.5的濃度最低。

通過(guò)以上監(jiān)測(cè)和分析，可知PM2.5濃度與大氣濕度、溫度和風(fēng)速及排放源密切相關(guān)，根據(jù)2014年4月上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心總工程師伏晴艷對(duì)上海大氣顆粒物源解析：“上海在常態(tài)源解析和重污染快速源識(shí)別兩個(gè)方面均取得進(jìn)展。態(tài)源解析初步揭示PM2.5來(lái)源，得出空氣中PM2.5本地人為污染排放貢獻(xiàn)占八成，交通和工業(yè)是重頭?！边@與本課題監(jiān)測(cè)得出的結(jié)論基本一致。

統(tǒng)計(jì)資料[4、5]表明：上海地處沿海，大氣濕度、溫度和風(fēng)速受季節(jié)變化和大氣環(huán)流影響較大，很難控制；同時(shí)，除了本地的各種排放源外，還有外地隨大氣環(huán)流輸送而來(lái)的各種排放物，在不利氣象條件下與本地排放物持續(xù)累積，互相疊加、共同作用的結(jié)果。這是造成上海霧霾的多方面主要因素。

3 公眾對(duì)上海霧霾認(rèn)知情況調(diào)研與分析

3.1 公眾對(duì)上海霧霾認(rèn)知情況調(diào)研分析

筆者（課題組）共發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷200份，通過(guò)問(wèn)答題目統(tǒng)計(jì)普通民眾對(duì)霧霾天氣及PM2.5的認(rèn)知程度。圖8為普通民眾對(duì)媒體公布的空氣質(zhì)量報(bào)告的關(guān)注程度，2013年上海開(kāi)始公布局部地區(qū)PM2.5濃度的數(shù)據(jù)值，但是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明大多數(shù)人只是偶爾花費(fèi)時(shí)間關(guān)注空氣質(zhì)量信息，10%的民眾根本不關(guān)心空氣質(zhì)量信息。圖9為民眾對(duì)上?？諝赓|(zhì)量的滿意程度，表明絕大多數(shù)民眾不滿意上海當(dāng)前的空氣質(zhì)量。

圖10是民眾對(duì)霧霾天氣與身體健康影響程度的認(rèn)識(shí)。所有人都認(rèn)為霧霾天氣對(duì)自己身體有影響，大部分人出現(xiàn)了胸悶、反胃、呼吸不暢反應(yīng)，眼睛近視的民眾不能在霧霾天氣下佩戴隱形眼鏡，絕大多數(shù)人均認(rèn)為霧霾天氣會(huì)影響自己的壽命。

圖8 空氣質(zhì)量報(bào)道關(guān)注程度

圖9 上?？諝赓|(zhì)量滿意程度

圖10 霧霾天氣對(duì)身體的影響

圖11為民眾對(duì)環(huán)境問(wèn)題主要承擔(dān)者的認(rèn)識(shí)。55.5%民眾認(rèn)為政府相關(guān)部門缺乏合理、科學(xué)的管理政策，缺少對(duì)造成當(dāng)?shù)丨h(huán)境惡化應(yīng)有的獎(jiǎng)懲措施。34%的民眾認(rèn)為企業(yè)沒(méi)有執(zhí)行已有的環(huán)保政策規(guī)定，10.5%的民眾認(rèn)為公民的環(huán)保意識(shí)有待加強(qiáng)。

圖12為減少霧霾天氣的措施。25.45%的民眾認(rèn)為應(yīng)當(dāng)減少私家車的擁有量；19.09%的民眾認(rèn)為應(yīng)當(dāng)增加城市中的綠化帶，以大面積綠色植物凈化空氣；12.73%的民眾認(rèn)為應(yīng)當(dāng)減少煙花爆竹的燃放；23.18%的民眾認(rèn)為應(yīng)當(dāng)嚴(yán)禁秸稈焚燒；19.55%的人認(rèn)為應(yīng)當(dāng)高效利用燃料，提倡利用清潔能源和開(kāi)發(fā)新能源。

3.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析和啟示

圖11 霧霾天氣的主要責(zé)任

圖12 減少霧霾天氣的措施

2013年嚴(yán)重霧霾給上海敲響警鐘。事實(shí)表明，霧霾不僅發(fā)生在北方沙塵嚴(yán)重地區(qū)，近年來(lái)也頻頻發(fā)生在全國(guó)各地。霧霾的產(chǎn)生嚴(yán)重危害民生、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，應(yīng)引起政府高度重視。上海作為一個(gè)擁有2300多萬(wàn)人口的國(guó)際大都市，人口密集程度高，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必須考慮到城市環(huán)境的可承受能力。為了城市的明天，應(yīng)盡快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，下決心淘汰各大化工區(qū)的落后產(chǎn)能，還人民一片藍(lán)天。

治理霧霾是一項(xiàng)復(fù)雜的社會(huì)工程，不僅政府首當(dāng)其沖，每一個(gè)人都有一定的責(zé)任，應(yīng)“從我做起”。

4 結(jié)論與思考

筆者（課題組）通過(guò)對(duì)上海市西南局部地區(qū)PM2.5濃度的調(diào)查研究，利用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地分析了PM2.5濃度與溫度、濕度、污染源之間的定量關(guān)系，結(jié)合調(diào)查問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析歸納，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）PM2.5濃度受天氣與溫度、濕度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著溫度和濕度的增大，PM2.5濃度下降，當(dāng)濕度達(dá)到50%以上時(shí)，PM2.5趨于穩(wěn)定。本文研究結(jié)果表明，PM2.5濃度與工業(yè)用能排放源之間有密切關(guān)系；目前上海機(jī)動(dòng)車使用的各類燃油排出的尾氣是道路等地PM2.5的生成重要因素。而由于上海處于相對(duì)濕潤(rùn)的地域環(huán)境，建筑生產(chǎn)排放和居民生活排放的污染相對(duì)較小。

（2）普通民眾對(duì)上海的空氣質(zhì)量持否定態(tài)度，絕大多數(shù)民眾開(kāi)始關(guān)注上海當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量報(bào)告。認(rèn)為政府應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)環(huán)境方面的監(jiān)管工作，應(yīng)從機(jī)動(dòng)車保有量、清潔利用能源、嚴(yán)禁焚燒秸稈等方面控制空氣質(zhì)量。

（3）從深層次解決影響上海大氣污染的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)性問(wèn)題。上海的重工業(yè)占經(jīng)濟(jì)的比重過(guò)高；上海每年汽車保有量的增長(zhǎng)速度太快，超過(guò)8%；上海居民選擇公共交通、地鐵出行比例只有25%左右，遠(yuǎn)低于其它國(guó)際大城市的60%～80%；上海清潔能源占全部能源消費(fèi)的比重只有15%，遠(yuǎn)低于歐洲國(guó)家的40%～60%等，只有深入解決這些問(wèn)題，從源頭上減少污染物的排放，才能改善上海的大氣狀況。

（4）我們的思考和建議：

上海霧霾的形成具有復(fù)雜的成因，不是一朝一夕能夠解決的。要從根本上消除上海大氣污染，改善空氣質(zhì)量，要從源頭上進(jìn)行防治。筆者（課題組）提出三大關(guān)鍵措施：

1）建議政府相關(guān)部門在充分調(diào)研基礎(chǔ)上，制定更加完備的能源可持續(xù)利用管理?xiàng)l例。在完善末端治理的同時(shí)，進(jìn)一步強(qiáng)化規(guī)劃布局、能源消耗、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、交通方式、生活方式等方面的治理?xiàng)l例。在強(qiáng)化常規(guī)行政管理的基礎(chǔ)上，支持以環(huán)境污染第三方治理、排污交易、差別電價(jià)、公眾監(jiān)督多種手段來(lái)推動(dòng)能源的清潔利用、節(jié)能減排等有效措施的實(shí)施。

2）與長(zhǎng)三角兄弟省市聯(lián)合制定長(zhǎng)效的協(xié)同機(jī)制。加強(qiáng)與長(zhǎng)三角區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。與江蘇、浙江、安徽等省區(qū)建立長(zhǎng)期區(qū)域協(xié)作機(jī)制，實(shí)行信息共享、預(yù)警應(yīng)急、聯(lián)動(dòng)減排、聯(lián)合執(zhí)法等防治措施。

3）要借鑒國(guó)外霧霾治理經(jīng)驗(yàn)。如建立嚴(yán)格的立法和執(zhí)法及懲處措施；成立專業(yè)的執(zhí)法機(jī)構(gòu)；加強(qiáng)科普宣傳，實(shí)行政府、企業(yè)及民眾等全社會(huì)共同參與；提高設(shè)備科技含量，開(kāi)發(fā)清潔新能源等。

霧霾的頻繁發(fā)生已經(jīng)引起上海市政府的高度重視。上海市確立了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向，近年來(lái)新出臺(tái)了《上海市大氣污染防治條例》；通過(guò)車牌照限制城區(qū)汽車保有量；大力發(fā)展軌道交通；鼓勵(lì)購(gòu)買新能源車等，受到居民的歡迎和理解。相信隨著各項(xiàng)治理措施的實(shí)施，上海的大氣質(zhì)量會(huì)得到根本改觀。

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