中國科學(xué)院大氣灰霾追因與控制研究進(jìn)展*

白春禮

中國科學(xué)院 北京 100864

中國科學(xué)院大氣灰霾追因與控制研究進(jìn)展*

白春禮

中國科學(xué)院 北京 100864

中科院通過實(shí)施“大氣灰霾追因與控制”B類先導(dǎo)專項(xiàng)，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M、外場觀測以及模式模擬等研究對大氣灰霾形成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。我國的大氣污染由多種排放復(fù)合而成，表現(xiàn)為排放源多樣，污染物成分復(fù)雜、濃度高，不同污染物之間存在相互影響、相互促進(jìn)的關(guān)系。根據(jù)灰霾形成特點(diǎn)，現(xiàn)階段治理的基本思路應(yīng)該在繼續(xù)做好源頭減排的同時(shí)，集中力量解決冬半年重污染問題，在管控措施上進(jìn)一步增強(qiáng)針對性。

中國科學(xué)院，大氣灰霾追因與控制，戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)

DOI10.16418/j.issn.1000-3045.2017.03.001

對大氣灰霾成因的科學(xué)認(rèn)識是制定治理措施的重要依據(jù)。中科院結(jié)合“大氣灰霾追因與控制”先導(dǎo)專項(xiàng)的研究進(jìn)展，認(rèn)為灰霾形成是內(nèi)外因共同作用的結(jié)果，其中復(fù)合污染疊加效應(yīng)是我國灰霾形成的關(guān)鍵過程。

1 近年灰霾污染總體有所下降，但冬半年下降不明顯

大氣環(huán)境監(jiān)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2013 年以來全國空氣質(zhì)量總體向好，重度及以上污染天數(shù)占比逐步降低，優(yōu)良天數(shù)比例明顯上升。2016 年，全國 31個(gè)省、直轄市和自治區(qū) PM2.5年均濃度為 47 微克/立方米，平均優(yōu)良天數(shù)比例為 78.8%。與 2015 年相比，PM2.5年均濃度下降 6%，優(yōu)良天數(shù)比例提高 2.1%。以北京為例，從 2013 年到 2016 年空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)天數(shù)分別為 176 天、172 天、186 天和 198 天；發(fā)生重污染天數(shù)分別為 58 天、47 天、46 天和 39 天。

北京市 2016 年 PM2.5年均濃度為 73 微克/立方米，較 2013 年累計(jì)降幅已達(dá) 19%，但依然超過國家標(biāo)準(zhǔn)（35 微克/立方米）1 倍以上。顆粒物濃度未達(dá)到環(huán)境顯著改善的拐點(diǎn)，是公眾尚未明顯感受到大氣質(zhì)量改善的主要原因。此外，我國中東部部分地區(qū)秋冬季節(jié)大氣污染防控的形勢依然嚴(yán)峻，觀測結(jié)果顯示，2016 年北京冬季 PM2.5濃度與前 3 年相比沒有顯著降低，京津冀及周邊地區(qū)改善也不明顯，說明冬季減排的力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

2 不同區(qū)域主要污染源并不相同

我國 PM2.5及其各種組分的來源復(fù)雜多樣，包括工業(yè)、交通、建筑、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖、生物質(zhì)燃燒、揚(yáng)塵等。根據(jù)中科院源解析研究結(jié)果，燃煤、機(jī)動車、工業(yè)是京津冀、長三角、珠三角、成渝、關(guān)中區(qū)域典型城市的大氣顆粒物的主要來源。其中在北方地區(qū)，燃煤>機(jī)動車>工業(yè)。南方地區(qū)燃煤與機(jī)動車相當(dāng)，大于工業(yè)。

對于北京市而言，盡管在不同污染事件或某一污染事件的不同階段各排放源相對貢獻(xiàn)有所差別，但機(jī)動車、燃煤作用最大。2014—2015 年北京市機(jī)動車、燃煤、工業(yè)、揚(yáng)塵的貢獻(xiàn)率分別為 29%、16%、14% 和 8%，另外為區(qū)域輸送（24%）和不確定源。相比2012—2013 年，近年北京市機(jī)動車的排放比例明顯上升（增加約 7%）。

在形成重度污染天氣過程中，北京機(jī)動車的本地排放貢獻(xiàn)更加明顯。而周邊地區(qū)，如天津和石家莊，重污染天氣形成過程的最大污染源依然是燃煤。

3 灰霾污染有內(nèi)因和外因

PM2.5顆粒物來源有二：一是直接排放（一次源），二是二次生成（二次源）。各種污染源或多或少都直接排放顆粒物，并產(chǎn)生一定程度的消光（對光線的遮蔽）。二次生成是指排放到大氣中的氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)變成固體顆粒物的過程。也就是說，雖然當(dāng)時(shí)不一定產(chǎn)生消光現(xiàn)象（即當(dāng)時(shí)沒有出現(xiàn)灰霾），但若干天以后，在適當(dāng)?shù)臍夂驐l件下，通過多種化學(xué)物理過程被轉(zhuǎn)化為硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和二次有機(jī)氣溶膠等固體細(xì)顆粒物，從而產(chǎn)生消光現(xiàn)象（即肉眼可見的灰霾）。這就是為什么有時(shí)一天前還藍(lán)天白云，第二天即中度乃至重度污染的原因，因?yàn)檫@不僅僅是由一次排放引起的。一些污染源比如汽油車，雖然其尾氣中一次顆粒物濃度不高，但其排放的氮氧化物等氣體物質(zhì)在大氣中同其他氣體物質(zhì)如二氧化硫等反應(yīng)后會產(chǎn)生大量固體顆粒物，形成灰霾，并成為城市 PM2.5的重要來源之一。全球范圍內(nèi)，二次顆粒物對 PM2.5的貢獻(xiàn)率為 20%—80%。中科院研究表明，在我國中東部地區(qū)二次顆粒物所占比例常常高達(dá)60%，在靜穩(wěn)天氣時(shí)還會更高，這也是我們經(jīng)常感知到的“爆發(fā)性”成霾的原因。過量排放是灰霾天氣經(jīng)常出現(xiàn)的內(nèi)因。

出現(xiàn)以低風(fēng)速和逆溫為特征的不利氣象條件是灰霾形成的外因。從時(shí)間分布上看，一年中我國 3—10月空氣質(zhì)量較好，其中一個(gè)重要原因就是夏季大氣邊界層高、水平風(fēng)速大，有利于污染物擴(kuò)散，環(huán)境容量大，而冬季則相反。2016 年秋冬季，華北區(qū)域整體顯示南風(fēng)異常，尤其冬季西北風(fēng)較同期平均偏弱，冷空氣活動偏少，大氣較為穩(wěn)定，不利于污染物擴(kuò)散。氣象資料統(tǒng)計(jì)表明，近 40 年來京津冀年平均風(fēng)速逐年減小，減小幅度達(dá) 37%，尤其對京津冀污染物擴(kuò)散有利的北風(fēng)頻次和風(fēng)速都顯著下降。當(dāng)然，這樣的靜穩(wěn)天氣在 20 世紀(jì)五六十年代也曾出現(xiàn)過。

此外，內(nèi)外因之間還會出現(xiàn)正反饋過程。排放到大氣中的 PM2.5顆粒會削弱到達(dá)地表的太陽光強(qiáng)度，導(dǎo)致地表溫度下降，而上層大氣中存在的顆粒物通過吸光作用，會提高該層大氣的溫度，從而形成下冷上熱的穩(wěn)定大氣結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低空氣對流，促使大氣邊界層（靠近地球表面、受地面影響最大的大氣層區(qū)域）高度下降，導(dǎo)致環(huán)境容量進(jìn)一步降低，從而加劇污染程度。

4 我國的大氣污染由多種排放復(fù)合而成

近幾十年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致多種污染物同時(shí)排放，從而形成了復(fù)合型污染這一特點(diǎn)，

表現(xiàn)為排放源多樣，污染物成分復(fù)雜、濃度高。中科院研究表明，不同污染物之間存在相互影響、相互促進(jìn)的關(guān)系，加速了氣態(tài)污染物向顆粒物的轉(zhuǎn)化，放大了污染效應(yīng)。比如，在大氣高濃度氮氧化物和礦質(zhì)顆粒物（粉塵）共存的情況下，會促使二氧化硫向硫酸鹽的快速轉(zhuǎn)化（氧化作用和催化作用），這是發(fā)生復(fù)合污染的典型例子。

和倫敦?zé)熿F事件相比，我國京津冀地區(qū)強(qiáng)霾事件中二氧化硫的濃度要低 1—2 個(gè)數(shù)量級，但產(chǎn)生的細(xì)顆粒物濃度兩地卻相當(dāng)。一個(gè)重要的原因就是大量的氮氧化物（主要來自機(jī)動車和燃煤排放）和氨氣排放會非線性地降低大氣對二氧化硫的環(huán)境容量，促進(jìn)灰霾的爆發(fā)。也就是說，倫敦當(dāng)年的大氣污染主要來自燃煤排放，而我國則由燃煤、機(jī)動車等排放源復(fù)合作用所致。

5 灰霾綜合整治具有長期性

通過對英國倫敦?zé)熿F事件、美國洛杉磯光化學(xué)煙霧事件、日本四日市哮喘事件的分析，采取嚴(yán)格立法和執(zhí)法、污染控制技術(shù)升級、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整等的“組合拳”，經(jīng)過 20—40 年的努力，使得空氣質(zhì)量得以改善。我們國家面臨的灰霾問題更加復(fù)雜，空氣質(zhì)量的改善既要打攻堅(jiān)戰(zhàn)，也要立足于打持久戰(zhàn)。

我國現(xiàn)階段污染物排放總量的基數(shù)大。近年來，機(jī)動車、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活源排放強(qiáng)度顯著增加，導(dǎo)致大氣中各種污染物濃度偏高。我國產(chǎn)業(yè)布局相對集中，使得華北、東北、成渝、關(guān)中、珠三角、長三角的區(qū)域特征明顯，尤其是華北地區(qū)單位面積的能耗和污染物排放量都是全球最高的區(qū)域，逐步減排要假以時(shí)日。從趨勢上來講，全國空氣質(zhì)量總體在向好發(fā)展，但要從根本上解決灰霾污染，涉及到產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、控制技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)成本等諸多問題，需要經(jīng)歷一個(gè)不斷優(yōu)化調(diào)整的過程。

6 現(xiàn)階段治霾還需加強(qiáng)針對性

根據(jù)灰霾形成特點(diǎn)，現(xiàn)階段治理的基本思路應(yīng)該是：在繼續(xù)做好源頭減排的同時(shí)，集中力量解決冬半年重污染問題。在具體措施上，應(yīng)著重做好 5 個(gè)方面工作。

（1）地方政府在保增長和促減排方面要堅(jiān)持兩手抓、兩手硬，一年到頭，一以貫之，避免“前緊后松”，把冬半年的產(chǎn)能縮減到位。

（2）針對華北冬季取暖問題，因地制宜、多措并舉，加大清潔能源替代力度。中科院針對華北農(nóng)村民用散燒煤污染，研發(fā)了新型散煤共燃、解耦燃燒等高效中小型燃煤實(shí)用技術(shù)，在節(jié)能的同時(shí)可有效降低污染物排放（相關(guān)圖片請見封二）。

（3）控制重型卡車的排放。重型卡車占機(jī)動車保有量的 5%，但排放的一次顆粒物占到機(jī)動車的 90%，氮氧化物占 50%以上。通過調(diào)結(jié)構(gòu)、降產(chǎn)能、完善物流網(wǎng)絡(luò)等方式緩解運(yùn)輸需求、提高運(yùn)輸效率，同時(shí)，積極推進(jìn)油品質(zhì)量的升級和凈化裝置的改造。中科院主導(dǎo)研制的催化劑在柴油車排放有害氣體控制技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，占新車市場的 60%。最近，中科院基于原創(chuàng)的摩擦納米發(fā)電技術(shù)研制出了一種專門去除機(jī)動車尾氣顆粒物的新型凈化器，在不影響汽車發(fā)動機(jī)性能的前提下，可將尾氣中的 PM2.5含量從 800—2 000 微克/立方米降低到 10 微克/立方米以下（清除效率＞98%）。如果全市 500 多萬輛汽車全部加裝這種凈化器，空氣中顆粒物總體濃度有望下降 30%（相關(guān)圖片請見封二）。

（4）開展秸稈的綜合整治。秸稈污染面大量廣，全國每年約8.5萬噸，需綜合運(yùn)用行政、法律市場的手段，探索秸稈利用規(guī)?；I(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的運(yùn)營模式。中科院開發(fā)了加速秸稈降解、生物能源轉(zhuǎn)化等一系列技術(shù)。

（5）切實(shí)加強(qiáng)企業(yè)偷排偷放問題行為的監(jiān)管。中科院已研發(fā)了高時(shí)空分辨率的監(jiān)控系統(tǒng)，可大幅提高監(jiān)管效率（相關(guān)圖片請見封二）。

白春禮 化學(xué)家和納米科技專家。中國科學(xué)院院長、黨組書記、學(xué)部主席團(tuán)執(zhí)行主席，發(fā)展中國家科學(xué)院院長，中共十八屆中央委員會委員。1953 年9 月出生，遼寧人。博士。中國科學(xué)院、發(fā)展中國家科學(xué)院、美國國家科學(xué)院、美國藝術(shù)與科學(xué)院、英國皇家學(xué)會、歐洲科學(xué)院、俄羅斯科學(xué)院等 10 余個(gè)國家科學(xué)院或工程院院士。兼任中國微納協(xié)會名譽(yù)理事長、國家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會首席科學(xué)家等；國務(wù)院學(xué)位委員會副主任委員、國家科技獎(jiǎng)勵(lì)委員會副主任委員等；《中國科學(xué)院院刊》主編，若干化學(xué)和納米科技領(lǐng)域重要國際學(xué)術(shù)刊物的共同主編或國際顧問編委。

E-mail: xwnie@cashq.ac.cn

Bai Chunli Well-known chemist and leading scientist in nanoscience, Dr. Bai Chunli is the President of the Chinese Academy of Sciences(CAS). He is also the President of the Presidium of the Academic Divisions of CAS, and the President of the World Academy of Sciences for the Advancement of Science in Developing Countries (TWAS). He has a long list of scientific publications and has won more than twenty prestigious awards and prizes for his academic achievements, including UNESCO Medal of “Contributions to Development of Nanoscience and Nanotechnology”. He has been elected member or foreign member of world-known academies of science or engineering, including the CAS, TWAS, US National Academy of Sciences (NAS), the Royal Society, American Academy of Arts and Sciences (AAAS), Academia Europaea(the Academy of Europe), the Russian Academy of Sciences (RAS), the Australian Academy of Science (AAS), the Indian Academy of Sciences(IAS), the German Academy of Science and Engineering (acatech), the Royal Danish Academy of Sciences and Letters, Honorary Fellow of the Royal Society of Chemistry, Honorary Member of the Chemical Society of Japan (CSJ), and Honorary Doctor or Professor of several highly selecteduniversities. He also serves as the Chief Scientist for the National Steering Committee for Nanoscience and Technology and was the Founding Director of China National Center for Nanoscience and Technology. Moreover, he is the Editor-in-Chief of Bulletin of Chinese Academy of Sciences, Member of the International Editorial Advisory Board of JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, and Chemical Physics Letters. E-mail: xwnie@cashq.ac.cn

Research Progress on Formation Mechanism and Control Strategies of Haze in Chinese Academy of Sciences

Bai Chunli
（Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, China）

Systematic research on formation mechanism of haze has been carried out in Chinese Academy of Sciences (CAS) by experiment simulation, field observation, and model simulation under the implemented the strategic priority research program of Category B “Formation Mechanism and Control Strategy of Haze in China”. China's air pollution is formed by compounding a variety of emissions, showing a variety of sources, complex composition of pollutants, high concentrations, and different pollutants demonstrate the mutual influence and promote each other. According to the characteristics of haze formation, the basic principle of haze control at present stage should keep doing the emission reduction at the source, while focus on solving heavy pollution problems in the winter half, and further enhance the targeted control measures.

Chinese Academy of Sciences (CAS), formation mechanism and control strategy of haze, strategic priority research program

*修改稿收到日期：2017年3月3日