基于大數(shù)據(jù)的北京霧霾成因分析 與2017年P(guān)M 2.5濃度預(yù)測

周勇 周念彤

摘 要：根據(jù)環(huán)保部2014年5月13號至2017年10月21號空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)中的PM 2.5濃度，以及2015年、2016年和2017年10月21號前PM 2.5濃度與全年濃度的關(guān)系，預(yù)測了北京2017年P(guān)M 2.5濃度。根據(jù)專家提供的北京市2017年9月1號形成較重霧霾的污染氣團運行軌跡，比對邢臺和北京霧霾氣團之間的關(guān)系，確認(rèn)氣團為PM 10和PM 2.5而不是SO2.通過江蘇部分不采暖城市在京津冀采暖季時間段（簡稱采暖季）PM 2.5濃度與非采暖時間段（簡稱非采暖季）差異對比，可以證明北京已經(jīng)不受周邊城市采暖季燃煤的顯著影響，自身也不具有因采暖帶來的PM 2.5顯著上升的特點。通過濟南市部分國控監(jiān)測點的數(shù)據(jù)對比，可以證明一般性的散煤燃燒或小散亂污企業(yè)的PM 2.5不具有遠(yuǎn)距離傳播的特點，而電廠和鋼鐵廠產(chǎn)生的可吸入顆粒物（PM 10）、細(xì)顆粒物（PM 2.5）或超細(xì)顆粒物（PM 1.0）（簡稱大氣顆粒物）不具有沉降的特點。一年四季影響北京空氣質(zhì)量的是域外的這些不沉降的大氣顆粒物。通過對北京PM 2.5的4種來源劃分及其減少的潛力分析，說明實現(xiàn)2017年P(guān)M 2.5濃度目標(biāo)具有挑戰(zhàn)性。闡述了在沒有煤炭燃燒的北京，同樣需要盡快確認(rèn)濕法脫硫是產(chǎn)生次生PM 2.5的最大外部來源。

關(guān)鍵詞：霧霾；PM 2.5；細(xì)顆粒物；北京；預(yù)測

中圖分類號：X 773；F 290 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7312（2017）06-0573-09

The Analysis of Causes of Haze in Beijing Based on Big Data

and Prediction of PM 2.5 Concentration in 2017

ZHOU Yong1，2，ZHOU Nian-tong3

（1.Qilu University Of Technology，Jinan 250353，China；

2.Shandong Academy of Sciences，Jinan 250014，China；

3.University of California，San Diego，California，USA）

Abstract：

According to the PM 2.5 concentration data of MEPs air quality monitoring data from May 13，2014 to October 21，2017，and the relationship between PM 2.5 concentration and annual concentration before 2015，2016 and October 21，2017，the concentration of PM 2.5 in Beijing in 2017 was predicted. According to the formation of the heavier-haze polluted air mass movement trajectory in Beijing，September 1，2017，provided by experts，we compared the relationship of haze air mass between Xingtai and Beijing，ultimately，it was confirmed that the air mass was PM 10 and PM 2.5 instead of SO2.By contrasting the difference of PM 2.5 concentration of non-heating part of cities in Jiangsu between Beijing-Tianjin-Hebei Region during the heating season period（heating season for short）and non-heating period （non-heating season for short），it can be proved that Beijing has not affected by the coal-fired during heating season in surrounding cities significantly，it does not have the characteristic of a significant increasing in PM 2.5 due to heating compare to southern part of Jiangsu.Through the comparison of data from some state-controlled monitoring stations in Jinan city，it can be proved that PM 2.5 in general scattered coal combustion or small scattered pollution enterprises does not have the characteristics of long-distance transmission. Respirable particulate matter（PM 10），fine particulate matter （PM 2.5） or ultrafine particulate matter （PM 1.0） （atmospheric particulate matter） produced by power plants and steel mills do not have the characteristics of subsidence to sink to the ground. These non-settling atmospheric particulates from extraterritorial areas affected Beijing throughout the year. Based on the analysis of the four sources of PM 2.5 and its potential reduction in Beijing，it is concluded that it is a challenge to complete the target of PM 2.5 concentration in 2017. It is also import to be aware of that wet desulfurization is the largest external source of secondary PM 2.5 in Beijing without coal combustion.

Key words：Smog；PM 2 .5；Fine particulate matter；Beijing；Prediction

1 2017年北京PM 2.5預(yù)測

國家出臺的空氣污染防治措施“大氣十條”確定的北京2017年P(guān)M 2.5濃度目標(biāo)是60 μg/m3.這是京津冀及周邊霧霾治理的標(biāo)志性指標(biāo)，能否實現(xiàn)或多大程度上實現(xiàn)是全社會都關(guān)心的問題。

按照2014年5月13號至2017年10月21號環(huán)保部空氣污染監(jiān)測數(shù)據(jù)（按照每個小時的各種污染物濃度數(shù)值，個別缺少的數(shù)據(jù)忽略），可以對2017年全年的PM 2.5數(shù)值進(jìn)行預(yù)測。因為2017年10月21號之前的PM 2.5數(shù)據(jù)已經(jīng)定局，根據(jù)2015年和2016年這段時間與全年的PM 2.5的數(shù)量關(guān)系，就能夠預(yù)測2017年能達(dá)到什么水平；或者要實現(xiàn)2017年60 μg/m3的目標(biāo)，2017年剩余的70天內(nèi)必須下降多少，再對比前幾年或2017年環(huán)保督察時段PM 2.5下降的幅度，由此判斷實現(xiàn)目標(biāo)的可能性。

第一種預(yù)測方法是兩個時段PM 2.5平均濃度比值法。按照小時數(shù)平均的2015年P(guān)M 2.5濃度是79.3 μg/m3，2016年是71.3 μg/m3，下降8 μg/m3.各年10月21號之前PM 2.5平均濃度，2016年比2015年下降6.15 μg/m3，2017年比2016年下降5.48 μg/m3（見表1）。

每年10月21號前PM 2.5的平均數(shù)與全年平均數(shù)的比例關(guān)系，2015年比例為 0.886 3，2016年為 0.899 3，兩者平均為 0.892 8.以此作為2017年的推算依據(jù)，得出2017年全年P(guān)M 2.5為65.7 μg/m3，大于60 μg/m3.

另一種計算方法是以時間作為權(quán)重進(jìn)行推算。2017年10月21日之前的平均濃度數(shù)是58.65 μg/m3.2017年10月21日之前的天數(shù)占全年的80.55%.全年要達(dá)到60 μg/m3的目標(biāo)，2017年10月21日之后的剩余時間PM 2.5應(yīng)該為65.59 μg/m3，而這一段時間在2016年平均是101.8 μg/m3，要實現(xiàn)60 μg/m3的目標(biāo)，需要在2017年10月22號之后的時間段比2016年降低36.2 μg/m3；而2016年10月22號至12月31號比2015年同期下降僅為14.98 μg/m3.在治霾措施最嚴(yán)格的2017年3月16號至2017年10月21日之間，平均濃度比2016年的同期下降12.72 μg/m3，而2016年居然比2015年同期上升1.79 μg/m3.顯然，正常情況下實現(xiàn)60 μg/m3的目標(biāo)具有挑戰(zhàn)性（見表2）。

根據(jù)上面2種方法的預(yù)測結(jié)果以及北京環(huán)保部門發(fā)布的北京市前三季度的PM 2.5濃度已經(jīng)超過60 μg/m3，第四季度一直是大大超過60 μg/m3，北京實現(xiàn)2017年P(guān)M 2.5濃度60 μg/m3的目標(biāo)有一定難度。下面按照4種PM 2.5來源討論北京PM 2.5會不會有特殊情況使得目標(biāo)實現(xiàn)。

2 影響北京PM 2.5濃度的因素分析

北京PM 2.5濃度的影響因素大致上可以分為4部分：一是一年四季都存在的外地輸入PM 2.5；二是只是在采暖季因外地?zé)喝∨斎氲腜M 2.5；三是北京自身一年四季都產(chǎn)生的PM 2.5；四是采暖季北京自身產(chǎn)生的PM 2.5.

對于2017年后面幾個月PM 2.5下降的潛力而言，自身采暖方式方面沒有下降的空間，因為北京已經(jīng)實現(xiàn)以氣代煤幾年了；外地采暖季散煤燃燒的治理不會對北京采暖季霧霾的下降產(chǎn)生大的影響，因為散煤燃燒較為分散，產(chǎn)生的顆粒物是不能夠漂浮很遠(yuǎn)的大氣顆粒物；自身相關(guān)產(chǎn)業(yè)錯峰生產(chǎn)方面，因北京產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化程度高，對PM 2.5濃度下降會產(chǎn)生一定的影響，但也不會太大；交通運輸方面，難以在油品方面采取新的措施，對PM 2.5濃度的影響也是有限；而京津冀及周邊地區(qū)的各種大型燃煤設(shè)施采用濕法脫硫設(shè)備，一年四季排往大氣中的低溫濕煙氣及其攜帶的各種無機鹽，天天產(chǎn)生大量次生大氣顆粒物，能夠在三級及以下靜穩(wěn)天氣下作為凝結(jié)核，在一定濕度下迅速吸水、凝結(jié)、膨脹，形成霧霾氣團。再加上濕法脫硫設(shè)備去掉煙氣再加熱系統(tǒng)（GGH）和企業(yè)煙囪變低后，排放空間大大壓縮，更容易形成低空連片霧霾氣團。從9月1號的北京霧霾氣團路徑反演看，霧霾氣團能夠在靜穩(wěn)天氣3級風(fēng)的動力作用下，一天運行400 km從邢臺到達(dá)北京（連續(xù)靜穩(wěn)天氣2天，在3級風(fēng)推動下就可以運行上千公里）。PM 2.5不但能夠長距離漂浮移動不沉降，而且其濃度還得以強化。當(dāng)然，風(fēng)變大時，霧霾氣團有可能脫水消失，風(fēng)變小時則會繼續(xù)凝聚變大，進(jìn)而造成重霧霾天氣。下面對上述因素逐一進(jìn)行分析。

2.1

相對蘇南地區(qū)，外地采暖季燒煤使得北京PM 2.5濃度升高問題并不顯著

工廠通過濕法脫硫產(chǎn)生的次生PM 2.5屬于超細(xì)顆粒物，多為PM 0.38，峰值在PM 0.07，

這些顆粒物具有不沉降和長途漂移的特點。相對而言，在每年的采暖季有大量的散煤燃燒，對當(dāng)?shù)氐腜M 2.5濃度影響較大，因此散煤治理對當(dāng)?shù)睾苋菀滓姷匠尚А?/p>

北京市內(nèi)基本上沒有散煤燃燒，也沒有冬季燃煤的采暖鍋爐，主要以燃?xì)鉃橹?，從而冬季因為散煤燃燒或燃煤濕法脫硫產(chǎn)生的次生PM 2.5大大減少。是不是外地的采暖燃煤對北京有很大影響？影響有多大？外地的散煤治理對北京后面幾個月PM 2.5濃度的下降會不會有顯著的作用？下面以蘇南城市為對照組，研究異地散煤和集中采暖煤炭燃燒產(chǎn)生的PM 2.5對北京的影響。

根據(jù)2014年5月13號到2017年上半年的空氣質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)，對比沒有采暖問題的蘇南城市和北京在采暖時間段與非采暖時間段的差距，發(fā)現(xiàn)北京和蘇南一樣，甚至比蘇南更像沒有冬季采暖產(chǎn)生污染的城市。這說明北京冬季采用燃?xì)獠膳钦_的選擇。另一方面也說明，相對蘇南地區(qū)，北京周邊一些城市冬季取暖燃煤使得采暖季PM 2.5大大高于非采暖季的問題，沒有顯著的影響北京采暖季和非采暖季PM 2.5濃度的差異。

總體來看，其他城市采暖季散煤燃燒和集中供暖燃煤的濕法脫硫次生的PM 2.5，相對蘇南城市，沒有顯著的抬升北京冬季PM 2.5濃度數(shù)值。這主要是因為散煤燃燒較為分散，在沒有形成連片大面積霧霾時，很難單獨形成硫酸鹽為主的氣團跑到蘇南或北京；集中供暖對當(dāng)?shù)氐腜M 2.5濃度抬升有顯著作用，但對北京沒有形成比蘇南更顯著的影響。當(dāng)然，如果在冬季沒有這些周邊高濃度地區(qū)的輸入型PM 2.5影響，北京和蘇南的PM 2.5季節(jié)差都會同步大幅度下降。

具體分析如下：首先計算蘇南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達(dá)、電廠較多的城市在采暖時間段和非采暖時間段PM 2.5濃度的差距，以此作為沒有冬季采暖情況下季節(jié)變化而引起的PM 2.5濃度變化，為27.4 μg/m3.江蘇這幾個城市有的靠海邊，有的不靠海邊，但季節(jié)差異相對穩(wěn)定（見表3，如圖1所示）。

北京作為北方基本沒有散煤燃燒或燃煤鍋爐取暖的城市，采暖季和非采暖季PM 2.5 差異為24 μg/m3，小于蘇南非采暖區(qū)域?qū)φ战M的差異。顯然，相對蘇南，北京也已經(jīng)基本不受外地冬季散煤燃燒或居民集中供暖燃煤的影響，或者說蘇南和北京在冬季受到相同的外部輸入影響。另一層含義是，北京之外的季節(jié)性散煤燃燒和采暖燃煤鍋爐排放的污染物相對蘇南在采暖季對北京PM 2.5沒有顯著影響，從而京津冀及周邊地區(qū)散煤治理對北京PM 2.5濃度達(dá)標(biāo)沒有太大幫助。既然北京或蘇南的冬季重度霧霾并非由于其他城市冬季散煤燃燒或集中供暖燃煤季節(jié)性因素造成的，北京和蘇南自身沒有冬季燃煤，北京沒有小散亂污企業(yè)，且污染物排放較大的工業(yè)也沒有，北京或蘇南冬季的重污染是怎么產(chǎn)生的呢？是哪里來的呢？季節(jié)性不明顯，那是不是有些來源一年四季都影響北京呢？哪種來源的PM 2.5可以一年四季影響北京或蘇南，在冬季疊加、裹挾其他來源的污染物后更嚴(yán)重的襲擾北京或蘇南呢？（如圖2所示）

2.2 一年四季都存在的外地輸入型硫酸鹽等大氣顆粒物是造成北京重度霧霾的主要原因，其來源是排出濕煙氣的脫硫脫硝設(shè)施，而取消煙氣再加熱系統(tǒng)和降低一些燃煤設(shè)施煙囪高度后，濕煙氣排放的擴散空間大大壓縮，也是形成霧霾氣團的重要原因

PM 2.5尤其是超細(xì)顆粒物，已經(jīng)不具備沉降特

點。這可以通過濟南黃臺電廠和濟南鋼鐵廠周圍的PM 2.5 濃度是濟南市幾個監(jiān)測點中最低來證明如圖9.

另一個證據(jù)是2017年9月1號環(huán)保部新聞發(fā)布會上反駁濕法脫硫是霧霾主要成因之一，當(dāng)天晚上北京的PM 2.5達(dá)到179 μg/m3，而其中硫酸鹽占40%.在9月19號中電聯(lián)新聞發(fā)布研討會上，清華大學(xué)賀克斌院士說，在外地沒有采暖用煤燃燒，沒有秸稈燃燒，當(dāng)天北京SO2濃度也很低情況下，北京哪里來的這些硫酸鹽。賀院士解釋是通過衛(wèi)星和地面激光雷達(dá)對氣團的反向軌跡推演，北京PM 2.5濃度升高主要是因為邢臺和大同方向過來的“氣團”，而且北京SO2濃度不高，但邢臺、大同濃度高[1]。

根據(jù)環(huán)保部監(jiān)測數(shù)據(jù)，北京、邢臺和大同的PM 2.5，PM 10，SO2濃度在9月1號前后的變化曲線如圖3所示。

PM 10的變動也有相似的情況（如圖4所示）。

邢臺到北京400 km，在接近靜穩(wěn)天氣的三級風(fēng)帶動下，邢臺的氣團一天就到達(dá)北京。在運動過程中PM 2.5濃度有加強的趨勢，峰值高度和寬度大大高于邢臺。從峰值形狀看，PM 2.5和PM 10確實也相似。這里的關(guān)鍵問題是：從邢臺方向來的是硫酸鹽等為主的大氣顆粒物還是SO2？

從PM 2.5，PM 10和SO2峰值形狀看，北京主要受邢臺的PM 2.5和PM 10影響，大同明顯沒有峰值。而傳導(dǎo)到北京的氣團，顯然不是SO2，因為邢臺8月31號SO2的濃度也不高，而是PM 2.5和PM 10濃度高，峰值形狀也與北京相似。因此，從邢臺輸入到北京的氣團主要是硫酸鹽等大氣顆粒物，而不是SO2.這些占總量40%的硫酸鹽主要是PM 10和PM 2.5.而且，在傳輸?shù)倪^程中，PM 2.5濃度有很大程度的提高。

這些硫酸鹽是從哪里來的？首先硫酸鹽不是煤炭燃燒直接產(chǎn)生的顆粒物。其次，在經(jīng)過十幾年來脫硫工作快速推進(jìn)過程中，相對SO2總量排放高峰的2006年，已經(jīng)有87%的下降，不可能是SO2經(jīng)過脫硫塔逃逸之后在空中新生成的硫酸鹽。如果是這樣，霧霾應(yīng)該在2006年左右SO2排放量最大時爆發(fā)，而不是等到SO2大大下降的2013年。第三，在采暖季沒有到來、秸稈沒有燃燒、小散亂污被鐵腕治理的情況下，不可能由這些因素形成霧霾氣團。第四，硫元素肯定來自于煤炭燃燒，而所有規(guī)模化燃煤都要進(jìn)行脫硫，都要經(jīng)過脫硫塔。因此，來自煤炭燃燒的硫元素都要經(jīng)過脫硫塔排出，這些硫元素在經(jīng)過脫硫塔的脫硫過程中形成硫酸鹽（當(dāng)然還有其他無機鹽或不溶性物質(zhì)），隨著大量水氣被帶往大氣中（被帶往空中的方式，或者因為溶解在水中；或者是被大量水氣機械的帶往空中，就像原來電廠周圍的石膏雨；或者是逃逸的SO2在煙囪內(nèi)形成硫酸霧，在煙囪口再遇其它物質(zhì)形成硫酸鹽[2]）。這些被帶往空中的無機鹽在空中形成大氣顆粒物，在超低排放標(biāo)準(zhǔn)下主要是超細(xì)顆粒物，現(xiàn)有的超低排放設(shè)施對它也不起作用。更關(guān)鍵的是濕法脫硫增加了大氣中的粒數(shù)濃度，而質(zhì)量濃度增加不多。第五，這些漂浮在空中不具有沉降性質(zhì)的超細(xì)顆粒物在靜穩(wěn)（風(fēng)力小于或等于3級）天氣和一定的大氣濕度下，吸水、膨脹、凝結(jié)、積聚，在各種脫硫設(shè)備密集的煤炭燃燒地或靜穩(wěn)天氣較多的河北省太行山沿線城市形成較為嚴(yán)重的霧霾氣團，并得到源源不斷的超細(xì)顆粒物補給。第六，在3級微風(fēng)情況下，霧霾氣團沒有因為風(fēng)吹而脫水、析出和散開，而是24小時內(nèi)從邢臺跑到北京。在這個過程中，北京的PM 2.5濃度大大提高，PM 10基本保持穩(wěn)定。第七，如果風(fēng)再大一些，這些顆粒物也可能脫水后消失在大氣中，相反的話則會不斷積聚，不斷抬升PM 2.5的數(shù)值，直至類似2013年1月的霧霾大爆發(fā)。第八，濕法脫硫取消煙氣再加熱系統(tǒng)和一些燃煤設(shè)施煙囪高度降低后，濕煙氣排放的擴散空間大大壓縮，也是形成霧霾氣團的重要原因。

上述分析只是針對9月1號的一次情況而言。實際上，在京津冀及周邊地區(qū)，這種情況一直持續(xù)發(fā)生，多是因天氣情況多個城市同時大面積發(fā)生，相互影響。只是因為風(fēng)向不同，形成嚴(yán)重霧霾的條件不同，影響的區(qū)域不同而已。

這種由一年四季由燃煤設(shè)施濕法脫硫產(chǎn)生的大氣顆粒物氣團，能夠隨著3級或3級以下的風(fēng)從北京周圍漂移到北京。最嚴(yán)重的當(dāng)然是南面來的三級及以下風(fēng)，南面的河北、山東和河南有大量的煤炭消費，脫硫設(shè)施林立，電廠也眾多（圖6，美國每個州多是一個電廠）。只要是連續(xù)靜穩(wěn)天氣和適合的濕度，必然形成霧霾。持續(xù)一天的靜穩(wěn)天氣，霧霾氣團就能夠運行400 km，到達(dá)北京；如果持續(xù)幾天的靜穩(wěn)天氣，尤其是3級及以下南風(fēng)，北京就會形成輸入型的霧霾天氣。

北京地區(qū)大霧霾時硫酸鹽比重較大時基本屬于外地直接輸入；外地的硫酸鹽也多是從濕法脫硫工藝設(shè)備中通過濕煙氣帶出來的，并非是濕法脫硫后逃逸的SO2在空中形成的。

因此，北京重度霧霾時硫酸鹽較高應(yīng)該是輸入型為主。在冬季，北京城外都是PM 2.5較高的城市時，已經(jīng)不是單一方向的氣團來襲，而是隨風(fēng)向隨時受到各方面影響，蘇南城市也是如此。如果沒有其他PM 2.5濃度高的城市的輸入，蘇南和北京的季節(jié)PM 2.5濃度差還會大幅度下降；而河北省沿太行山的城市，脫硫設(shè)施很多，分季節(jié)PM 2.5濃度差數(shù)值很高（如圖7所示），說明這些地方有采暖季形成霧霾所需的凝結(jié)核、濕度和靜穩(wěn)天氣的條件，進(jìn)而隨風(fēng)向再影響其他地方。

2.3 北京當(dāng)?shù)匾荒晁募径籍a(chǎn)生的大氣顆粒物，除交通來源穩(wěn)定增加外，其他相對穩(wěn)定或減少 北京當(dāng)?shù)氐墓S，像首鋼等重化工業(yè)早已搬離。相對PM 2.5下降程度較多的珠三角，北京自身的相關(guān)污染物排放產(chǎn)業(yè)比珠三角還要少。隨著剩下兩個多月的錯峰生產(chǎn)，北京當(dāng)?shù)仄髽I(yè)產(chǎn)生的污染會下降。對北京采暖季的霧霾減少影響不會很大。至于交通運輸產(chǎn)生的污染物排放，2016年已經(jīng)采取一些措施，2017年最后的兩個月不會有大的下降。

這是影響越來越大的因素，但還沒有得力的措施降低這種影響。

建筑施工方面，本來影響也沒有多大，即使都停工，對PM 2.5的下降作用也不會很大。換言之，如果把北京放到珠三角或美國的洛杉磯，以現(xiàn)在的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、基建規(guī)模和交通狀況，應(yīng)該也不會有多高的PM 2.5.在沒有靜穩(wěn)天氣的情況下，現(xiàn)在北京的藍(lán)天越來越多，比周邊許多城市都好。因為能源和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的大幅度快速調(diào)整，北京一年四季都產(chǎn)生的PM 2.5已經(jīng)相對較低。洛杉磯港的柴油車排放當(dāng)年足以引起光化學(xué)污染型霧霾。北京周邊的柴油車排放，市內(nèi)其他車輛排放，天然氣燃燒煙囪高度較低的水汽和氮氧化物排放，其他非燃煤型排放，加上北京冬季過去多霧現(xiàn)在多霾的氣候地理特點，在靜穩(wěn)天氣下，形成硝酸鹽含量較高的重度霧霾的條件足夠。而相對電廠密布的蘇南，北京采暖季與非采暖季的PM 2.5濃度季節(jié)差更小，說明北京天然氣采暖沒有非常明顯的增加PM 2.5濃度，這和燃煤集中供暖城市的表現(xiàn)迥然不同，說明“氣代煤”方向正確。

2.4 北京當(dāng)?shù)夭膳a(chǎn)生的PM 2.5相對蘇南地區(qū)已經(jīng)沒有季節(jié)特征，說明天然氣采暖產(chǎn)生的大氣顆粒物相對很少前面2.1中對比蘇南地區(qū)和北京采暖時間段與非采暖時間段的PM 2.5季節(jié)差異，顯示北京更像沒有冬季采暖的城市。這說明北京當(dāng)?shù)夭膳a(chǎn)生的PM 2.5因為采用了燃?xì)夥绞蕉蟠笙陆怠２膳井?dāng)?shù)禺a(chǎn)生的PM 2.5已經(jīng)很小，雖然在北京部分山區(qū)存在零散散煤燃燒，但對霧霾的形成。但是，北京冬季氮氧化物濃度平均比非采暖季高30%（見清華大學(xué)姚強教授節(jié)能有道2017年4月26日在線講座），應(yīng)該是天然氣采暖部分的貢獻(xiàn)，北京冬季霧霾硝酸鹽比重較大與此相關(guān)。進(jìn)一步降低這部分的影響，北京PM2.5濃度季節(jié)差比蘇南還會低。

3 濕法脫硫產(chǎn)生的超細(xì)顆粒物不具有沉降特性，能夠在京津冀及周邊地區(qū)隨風(fēng)漂浮，形成霧霾氣團或連片霧霾，進(jìn)而隨風(fēng)影響北京

2017年9月19號在中電聯(lián)的新聞發(fā)布研討會上，清華大學(xué)賀克斌院士說9月1號北京霧霾中40%是硫酸鹽，衛(wèi)星反演氣團運行軌跡顯示來自邢臺、大同方向。這一說法肯定了本研究早先通過大數(shù)據(jù)，驗證濟南市電廠和鋼鐵廠周圍監(jiān)測點PM 2.5是濟南東西南北中多個監(jiān)測點中最低，進(jìn)而推出濕法脫硫次生PM 2.5不具備沉降特點，能夠漂浮甚遠(yuǎn)的結(jié)論。通過賀院士提供的線索，可以進(jìn)一步推定所謂氣團實際上是硫酸鹽為主的大氣顆粒物。在三級微風(fēng)的動力作用下，一天內(nèi)峰值從邢臺移動400 km到北京。而且，PM 2.5在運動過程中峰值還大大強化，這從前面的圖中可以看到。濟南數(shù)據(jù)的驗證如下。

采用濟南市2014年5月13號到2017年7月29號多個國控監(jiān)測點的全部數(shù)據(jù)，以及采暖季、非采暖季的PM 2.5比較，證明散煤燃燒及一般性的散亂污企業(yè)產(chǎn)生的PM 2.5不具有遠(yuǎn)距離傳播的特點，而電廠和鋼鐵廠周邊的超細(xì)顆粒物不具有沉降特點，能夠遠(yuǎn)途輸送。

從3年來不同站點全部PM 2.5濃度數(shù)據(jù)的比較看，最特殊的兩個監(jiān)測點是高新區(qū)和輕騎老廠。高新區(qū)監(jiān)測點PM 2.5濃度最低，也很顯著；而輕騎廠監(jiān)測點PM 2.5 濃度，全部數(shù)據(jù)中最高，非采暖季最高，采暖季次高。這兩個監(jiān)測點位相距10多km，但PM 2.5濃度差異達(dá)19 μg/m3，可見一般性的PM 2.5局地特征強，傳播距離并不遠(yuǎn)。

從表4中顯見，濟南市的高新區(qū)季節(jié)差異最小，主要原因是其周圍散亂污企業(yè)和冬季散煤取暖很少。

濟南西部的火車西站、

動物園等附近采暖季與非采暖季PM 2.5濃度季節(jié)差異值與高新區(qū)相比差12～13.7 μg/m3.這幾個地區(qū)散煤燃燒相對多，相聚高新區(qū)25 km左右，可見散煤燃燒造成的PM 2.5傳播距離不遠(yuǎn)。

值得關(guān)注的是，高新區(qū)是離濟南市電力和工業(yè)煤炭消費最集中的地區(qū)很近。到濟鋼8 km，到黃臺電廠7 km，到煉油廠4 km，在過去所說的200 m高電廠煙囪煙氣最大落地濃度6.7 km附近。濟南的煤炭大部分在這周圍被消費，理應(yīng)是PM 2.5濃度較高的區(qū)域，濟南東部房價在濟鋼決定停產(chǎn)之前，相對不高，也是人們對其周圍工廠多、污染嚴(yán)重有所顧忌。

高新區(qū)的監(jiān)測點PM 2.5濃度，基本上是最低或次低，說明周圍沒有散亂污企業(yè)，沒有居民冬季采暖很重要。高新區(qū)的PM 2.5濃度長期保持最低，至少也說明附近的耗煤大戶污染物排放沒有在附近形成聚集和沉降，這應(yīng)該是排放達(dá)標(biāo)或超低排放的功勞。這說明較大直徑的顆粒物沒有排放，形不成周圍的沉降，而超細(xì)顆粒物不再具有沉降的特點，能夠長距離隨風(fēng)傳播，三級及以下風(fēng)力時可能在駐留區(qū)域形成霧霾的凝結(jié)核，一年四季對大面積的地區(qū)產(chǎn)生影響。濕法脫硫排放的PM 0.38或PM 0.07為主的顆粒物，常年彌漫在京津冀及周邊地區(qū)，影響北京是必然的。這也能夠解釋北京采暖與非采暖季的季節(jié)差并不大，而一般性PM 2.5傳播并不遠(yuǎn)，從而北京鐵腕治霾下PM 2.5濃度并不低的現(xiàn)象。

4 霧霾天數(shù)中霾天數(shù)的歷史變化與2004—2013年濕法脫硫普及程度和數(shù)量變化具有唯一的高度相關(guān)性以及大量技術(shù)方面的證據(jù)，說明濕法脫硫產(chǎn)生的次生PM 2.5導(dǎo)致2013年的霧霾大爆發(fā)，也是導(dǎo)致北京霧霾程度下降慢與國家巨大的治霾努力不匹配的根本原因根據(jù)山東氣象學(xué)會所承擔(dān)的山東省科協(xié)課題報告，其對60年代至2013年的霧霾、霧、霾每年發(fā)生天數(shù)的重新梳理統(tǒng)計如圖10所示。2004年之前，霾的天數(shù)基本上是線性增長，2004—2013年進(jìn)入指數(shù)增長通道，2013年霾的天數(shù)是2004年的8倍。2013年1月連續(xù)多天的靜穩(wěn)或逆溫天氣，終于發(fā)生霧霾大爆發(fā)；2013年霾的天數(shù)比上一年增加接近1.5倍，顯然是突變。

2017年9月19號中電聯(lián)新聞發(fā)布會提供的資料顯示，2003年脫硫的新標(biāo)準(zhǔn)制定，2004年開始大規(guī)模推進(jìn)濕法脫硫，直到環(huán)保部下文要求2012年底實行在線監(jiān)測等一系列政策以及企業(yè)采取相應(yīng)的對策。

這一時間段恰好對應(yīng)霧霾天數(shù)從原來的直線緩慢增長轉(zhuǎn)換成指數(shù)型爆發(fā)式增長，直到2013年霧霾大爆發(fā)。而經(jīng)濟社會中的其他任何因素，沒有一個呈現(xiàn)這種模式的爆發(fā)式增長，唯有濕法脫硫的普及和總量的增長。

采用歐洲煙氣監(jiān)測方法，濕法脫硫后導(dǎo)致的粒數(shù)濃度比鍋爐口成倍、比濕法脫硫入口成百倍增加，盡管其質(zhì)量濃度增加不多；硫酸行業(yè)從2016年開始采用新的監(jiān)測方法后，顆粒物大大超過排放標(biāo)準(zhǔn)；從國內(nèi)著名高校霧霾成因團隊發(fā)現(xiàn)霧霾天大量的氯離子和硫酸根，初步判定也是來自濕法脫硫等佐證了上述根據(jù)大數(shù)據(jù)得到的結(jié)論[3].

雖然說煤炭消費快速增長是脫硫設(shè)備增長的原因，但濟南煤炭峰值是2007年，山東省至今還沒有達(dá)到峰值，說明煤炭消費高峰并非一定是霧霾的高峰。另外，2013年全國煤耗達(dá)到峰值（京津冀也達(dá)到峰值），到2016年下降10.9%左右。同期京津冀地區(qū)煤炭下降比例應(yīng)該是大大高于全國這一平均水平，這也是2013年之后京津冀及周邊地區(qū)霧霾嚴(yán)重程度下降的一個重要原因；其他方面采取鐵腕治霾也起到重要作用，而并不主要是2013年之后濕法脫硫超低排放的功勞。

5 結(jié) 語

1）2017年北京實現(xiàn)PM 2.5濃度達(dá)標(biāo)的任務(wù)比較艱巨。期望京津冀及周邊地區(qū)通過散煤治理和散亂污治理來降低北京PM 2.5濃度有一定難度，因為本來這些很分散的排放源的排放地域性強，難以單獨形成強霧霾氣團，遠(yuǎn)途侵襲北京。

2）采暖季散煤燃燒和小散亂污企業(yè)排放會很顯著地提高當(dāng)?shù)爻鞘蠵M 2.5濃度，進(jìn)而擴散、彌漫并提高京津冀大氣整體的PM 2.5峰值，能夠隨風(fēng)向影響北京，也影響蘇南，尤其是霧霾連片情況下。但相對當(dāng)?shù)赜写罅可翰膳图泄┡某鞘校本┗蛱K南冬季的PM 2.5濃度與非采暖季的差已經(jīng)大大降低。相對蘇南，北京更像沒有冬季采暖的城市，說明北京“氣代煤”采暖效果較好，PM 2.5濃度下降的空間也小。

3）一年四季對北京形成霧霾天氣影響較大的因素，是能夠在靜穩(wěn)或三級左右微風(fēng)推動下漂移幾百公里到達(dá)北京的大氣顆粒物氣團。這些大氣顆粒物氣團主要由濕法脫硫后產(chǎn)生，而且不是SO2氣團。如果是SO2氣團，那霧霾應(yīng)該在2006年火電SO2排放量峰值1 350萬噸時爆發(fā)，而不是總量下降一半的2013年爆發(fā)，或者總量下降87%后的2016年仍很嚴(yán)重，而這期間其他行業(yè)SO2的排放總量也基本上是下降的趨勢。這些大氣顆粒物氣團在靜穩(wěn)天氣或3級左右的風(fēng)向推動漂移過程中，沿途能繼續(xù)進(jìn)一步凝結(jié)和吸附，使PM 2.5濃度不斷強化。除非遇到雨或較大的風(fēng)，或者大氣高低空對流改善，排放空間增大。

4）北京周邊城市濕法脫硫設(shè)施排放的超細(xì)顆粒物，在沒有形成大的霧霾時，也能從各個方向一年四季天天隨風(fēng)飄移流動到北京，遇到靜穩(wěn)天氣和適度的濕度就形成霧霾的凝結(jié)核，成為北京形成霧霾的常備因素。城市熱島效應(yīng)說明大城市上方更容易形成局部靜穩(wěn)天氣，這可能是輸入型PM 2.5在北京進(jìn)一步增強以及許多時候北京市的PM 2.5數(shù)值高于周邊城市的原因。

5）北京能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)很優(yōu)化，交通排放是增加的過程，其他排放成下降趨勢。因此，北京自身的大氣顆粒物排放難以形成硫酸鹽較高的霧霾。但是，北京自然氣候特點過去就是冬季多霧，濕度大，天氣靜穩(wěn)狀態(tài)多，現(xiàn)在當(dāng)?shù)靥烊粴馊紵a(chǎn)生的水氣攜帶的水和氮氧化物（

尤其在冬季，氮氧化物濃度采暖季比非采暖季高30%

），以及周邊柴油車及市內(nèi)其他車輛等排放的氮氧化物轉(zhuǎn)化的硝酸鹽等，天然氣鍋爐的煙囪如果較低，使得排放和擴散空間很小，還有平時周邊隨時都會流動過來的超細(xì)顆粒物，使得北京產(chǎn)生霾的機會大大增加。

導(dǎo)致沒有輸入型霧霾情況下，也常出現(xiàn)以當(dāng)?shù)匚廴疚餅樵搭^的硝酸鹽為主的重霧霾天氣，尤其是采暖季。類似熱島效應(yīng)，有時也能使得北京比周邊PM 2.5濃度高。

6）北京治理輸入型霧霾的首要工作，也是需要確認(rèn)濕法脫硫排出的煙氣帶出大量無機鹽（或者逃逸的SO2在煙囪中形成硫酸霧在煙囪口形成硫酸鹽），進(jìn)入大氣后成為超細(xì)顆粒物，遇到靜穩(wěn)天氣和適度的濕度，成為霧霾的凝結(jié)核；另一方面需要確認(rèn)濕法脫硫后的煙氣排放在去除煙氣再加熱系統(tǒng)，以及一些行業(yè)因為腐蝕問題大大降低煙囪高度，煙氣無法再排放到更高高空，兩者疊加造成煙氣排放空間大大壓縮，擴散條件大幅度變差的問題。至于風(fēng)越來越小，靜穩(wěn)天氣越來越多，風(fēng)道受阻，化肥使用過量等，這些變化是相對漫長的過程，并非是霾的天數(shù)在2004—2013年期間指數(shù)型暴增并爆發(fā)的根本原因。不能讓這些因素喧賓奪主，而遺漏了主要矛盾和矛盾的主要方面。

7）要改善北京的大氣質(zhì)量，減少霧霾發(fā)生，除了減少柴油車的排放，近期需要對京津冀及周邊省份采取應(yīng)急措施，對燃煤設(shè)施脫硫后排放的低溫濕煙氣冷凝、“除濕脫白”，盡快減少大氣顆粒物排放。同時，糾正或彌補使得低溫濕煙氣排放、擴散空間大大壓縮的拆除煙氣再加熱系統(tǒng)（GGH）和降低煙囪高度問題，以此減少輸入型霧霾的影響。一些城市如唐山、天津等已經(jīng)下文要求濕法脫硫后煙囪需要“除濕脫白”，上海和浙江要求對其檢測，并在制定類似治理方案。還要加快其他脫硫方式的研發(fā)和市場化。

8）在大數(shù)據(jù)和多種證據(jù)確認(rèn)濕法脫硫?qū)е蚂F霾爆發(fā)之后，可以進(jìn)一步研究從煙囪出去的硫酸鹽等無機鹽是通過溶解在水中的無機鹽帶出去的，還是水氣機械性的把硫酸鹽（或其他無機鹽）帶出去，或者是逃逸的SO2在煙囪口形成硫酸霧遇到其他物質(zhì)形成硫酸鹽等。也就是說，大氣中大量不明來源硫酸鹽主要是從煙囪口出來的，至于上述哪種形式為主，不影響2013年霧霾爆發(fā)是濕法脫硫引起來的結(jié)論。

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