标题: 雾霾十问 学术圈的思考与认识
九峰





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发表于 2015-3-4 08:50 PM  资料  个人空间  短消息  加为好友 
雾霾十问 学术圈的思考与认识

蒋大和、王跃思:雾霾十问两会前,雾霾问题再度成为舆论焦点,虽然绝大多数中国人都认同治理雾霾的大方向,但对各种术语、数据争论不休,更遑论具体的治理政策。针对舆论场上流传的各种说法,本文摘取同济大学环境科学与工程学院教授、博士生导师蒋大和教授与中国科学院大气物理研究所研究员、博士生导师王跃思的观点,向读者展现学术圈的思考与认识。
PM2.5等于雾霾吗?
蒋大和:雾霾中的主要污染物是细颗粒物(PM2.5)没错,但主要成分是硫酸盐、硝酸盐和可溶性有机碳。专业上称之为“二次颗粒物”,即不是直接从污染源排放的,而是从污染源排放的二氧化硫、氮氧化物和低分子碳氢,通过化学转化而形成。
PM2.5是更加广泛的概念:包括雾霾中的细颗粒物,更包括其他类型的细颗粒物,例如香烟烟气、烹调油气和汽车尾气(特别是柴油车)里的细颗粒物。
雾霾究竟是什么?
蒋大和:我一直认为,灰霾或雾霾是一种新型的空气污染,应当是指以前没注意到、2011年因为北京美国使馆报告和北京环保局报道的API值差别大、市民感觉污染严重、引起轩然大波的那种:铺天盖地,首先是能见度受损,其次对呼吸道有影响的细粒子污染。实际上学术界有不同认识。
灰霾一词是2002年张小曳研究员在气象科学会议上,根据英文词翻译的,区别于大城市可能发生光化学烟雾时,有时偏浅蓝色的轻霾;也区别于东南亚航测可能发现的棕色云团。
王跃思:秸秆燃烧,包括其他生物质燃烧,南亚地区尤其严重,形成了大气棕色云团(所谓的ABC)。
伦敦与洛杉矶当年的污染是现在我们所说的“雾霾”
蒋大和:我不赞成“雾霾”是伦敦烟雾和洛杉矶烟雾的复合,也不赞成“伦敦雾霾”和“洛杉矶雾霾”的说法。因为某些原因,我国的专业人士能读到的国外原版书相当有限,所以说法就会出差错。例如,我专门请人从美国买来原版的:The Big Smoke - A history of air pollution in London since medieval times,可见伦敦的空气污染从中世纪就开始了,但我们的媒体要用“伦敦雾霾”来描述它?
某位专业人士,把英文原版书书名:SMOGTOWN - The Lung Burning History of Pollution in Los Angeles翻译成中文时,书名定为《洛杉矶雾霾启示录》。但洛杉矶的是光化学烟雾,不是雾霾。尽管这位专业人士解释,书名是应出版商要求改的(媒体的影响?),书里面并没有雾霾一说。
赞成我这一说的,也有不少人。如张小曳和吴兑研究员。张小曳是最早在学术界提出“灰霾”,而吴兑则定义雾霾要有很高的相对湿度。媒体用语不对的话,会对大众很大误导。
(观察者网注:伦敦烟雾源于工厂烟囱和民用取暖直接排放的黑烟,主要是一次污染物,如二氧化硫等气体和烟尘,遇地面逆温等恶劣的扩散条件和阴湿气象条件,形成严重污染和烟雾,直接损害人体健康。1952年曾在5天内造成超过4000人死亡,后续研究甚至认为因此死亡的人数达12,000人!
光化学烟雾则是大量碳氢化合物在阳光作用下,与空气中其他成分起化学作用而产生的。烟雾中含有臭氧、氧化氮、乙醛和其他氧化剂,对人体呼吸系统有直接影响:呛人、眼睛刺激等。最著名的事件发生在1950年代的洛杉矶,一般认为,当时在短短数天内就有几百个老人因呼吸系统衰竭而死亡。国内外许多大城市后来也发生过光化学污染事件。
现在我们面对的“雾霾”已经与伦敦、洛杉矶的污染不同,对健康的直接危害也小了许多,这些都是吸取西方发达国家经验教训后的进步。而要解决新的问题还有待中国全社会的努力。)
气候和地形条件对雾霾的影响有多大?能直观展现吗?
王跃思:以2014年2月19日~28日的北京地区为例,19日白天,北京地区在西北风控制下,PM2.5浓度在30微克/立方米左右,到当天傍晚,风向从东北风开始转变为西南风,污染水平就开始上升了。PM2.5浓度在1小时内从30增长到150微克/立方米,急速增长了4倍!继而在24小时内从150升至350微克/立方米。

最上面的箭头表示风向,RH表示相对湿度,T表示温度

在后续的重霾污染持续的过程中,静风为主,高湿逆温,混合层高度很低,只有800 米左右,这些都为重霾污染的发展和保持形成了极有利的条件。在这次重霾污染的最后阶段(2 月27 日)出现了一次降水,刮着北风,风速突然加大,有效地消除了空气中的颗粒物。可惜,在重霾结束后不久的几个小时之内,又刮来一阵东风,使这一区域的细颗粒物浓度再次上升。
从图中可以看出,在重霾污染发生之前和之后,都刮着北风,污染物水平才会下降。风向和风力完全控制住了京津冀地区的大气污染物水平。

雾霾垂直扩散图:上图为2014年2月19日中午,天空晴朗,混合层高度可达到3500米以上;下图为20日以后,混合层高度只有800米左右,严重时只有300-400米,相当于地面排放的污染物被压缩了10倍

基于天气图我们发现,北京地区中东部大气处于静稳状态(气压梯度力低),不利于污染物的扩散。周边区域的污染物从平原地区向北京山前地区聚拢,三面环山的地形使北京本地的污染又扩散不出去,就会在这里进一步发生化学反应,进一步增加污染物的浓度,所以北京的空气污染水平就会迅速上升。

2014年2月21日卫星图片

蒋大和:雾霾和气象条件密切相关:风向风速、混合层厚度和扩散条件。因此现在“霾污染”基本上可以由气象方面来预报,还相当准确。
汽车尾气是雾霾形成的主因吗?
蒋大和:重霾污染中PM2.5 的主要成分都是硫酸盐、硝酸盐和可溶性有机碳。根据我国环保部门2012年开始的关于PM2.5监测和源解析成果,造成重霾的主要污染源是燃煤、工业和汽车尾气。
HEI(美国健康影响研究所)2010年有一个关于汽车尾气健康影响的文献综述,结论是尾气有影响,但因为研究成果不够多,所以不能得出结论。但为什么细颗粒物的人体影响的报告就很多很多呢?据说HEI相当部分研究经费来自汽车商!而HEI还是2013年3月31日在北京发布研究成果(《柳叶刀》杂志大文章)的领头研究单位。
王跃思:其实,在科学界,京津冀地区的污染来源没有太大争议。工业及取暖燃煤、机动车及相关产业、重化工和扬尘是前四大污染源,其他还有农牧业的氨气排放、季节性秸秆燃烧、大城市的餐饮业和居民餐饮面源、建筑尘和装修溶剂挥发等。
我国人口超过一千万的超大城市,机动车及相关过程造成的大气污染份额很高。以北京为例,机动车对PM2.5 的贡献20-50%。道路拥堵,使机动车排放污染物的数量呈5-10 倍上升。目前我们的研究已经证实,大量机动车排放的氮氧化物促进了燃煤排放二氧化硫向PM2.5 的转化。这在发达国家的历史上几乎是没有过的。
那么能根据污染物中硝酸根(或氮)的含量,直接得出汽车尾气的“贡献”比例吗?
蒋大和:我看到一些最新的SCI文章,数据无可怀疑,但问题在分析和评论上。例如,“源解析”做出硝酸根略多于硫酸根,因此就认为汽车贡献为主,但做大气污染大环境研究的专家常常不了解大气污染控制工程里的知识。
例如,氮氧化物的产生有三个机制:高温时空气中的N和O反应;有HC(碳氢化物)活性分子时空气中N和O的反应;以及燃料本身含N……其中高温(热机制)是很重要的一种,因此烧煤也排放很多氮氧化物……
我国燃煤除排放二氧化硫和烟尘外,排放的氮氧化物超过机动车尾气。石化和炼焦等工业过程还排放大量碳氢化物。

另外,下图中未标出的民用燃煤采暖等面源和低矮污染源,也是碳氢化物的重要来源。

还有汽车扬尘呢?
蒋大和:我认为汽车扬尘影响范围较小,在发生雾霾时,汽车扬尘的贡献相当小,所以不提起。
但在一些干旱地区,道路路面条件又不好(土路),又近建筑工地,汽车扬尘可能很严重,但也是局部地区的。一方面,发生雾霾时,都说“静稳”天气,风小扩散能力较差,扬起的尘土飞不起来的。有些地方有“浮尘”,例如沙尘暴过后,但也不是雾霾铺天盖地那一种,性质不同。
(观察者网注:中科院博士后、微博名“大脸撑在小胸”的观察者网专栏作者李汀,在评论文章中引用某项研究,表示PM2.5还有一个贡献,“土壤尘”,占15%。“土壤尘一般包括道路上的扬尘扬沙和建筑工地上的扬尘扬沙。在北京这样的城市里,道路扬尘扬沙几乎全是因为机动车行驶,大概占一半左右。”在此特呈现不同专家的观点,以资读者参考,但请注意,蒋大和教授指的是“雾霾”,而李汀指的是PM2.5,请阅读前文,比较两者的区别。)
“做饭导致雾霾”靠谱吗?
王跃思:“做饭导致雾霾”是以偏概全的解释。这里的“做饭”应泛指“整个餐饮业和居民餐饮活动的排放”。我们根据长时间对霾成分的分析后发现,“餐饮”还真是城市的一个污染源。你不能小看它,根据我们的分析,它对PM2.5的贡献比例在重霾时段也能达到10%左右。每天会出现两次污染高峰,一次是中午,一次是晚上。做饭时段餐饮的标志性污染物比平时高3-4 倍,甚至到5倍。
雾霾和水真有关系吗?
蒋大和:香烟、油气、尾气里的颗粒物因为是直接排放,被称为是“一次污染物”。“雾霾”两个词都带“雨”字头,因为它们会吸湿增长,从不可见变为可见,不仅增强了散射能力,也增强了吸收能力,因此呈灰色。雾也散射,但基本是透射和反射,少吸收,因此呈白色。
(观察者网注:人大重阳金融研究院贾晋京研究员此前评论说,雾霾最重要的成分其实是水蒸气。是水蒸气导致几百种各类成分结合成气溶胶,成为观感很差的雾霾。减少水蒸气会带来蓝天,美国之所以有蓝天就是这个原因。但这并没有减轻环境中的可吸入颗粒物,只是水溶胶少了罢了。减少工业排放,会有利于健康,但不会减少雾霾,不会带来蓝天。)
雾霾对健康的影响有多大?
蒋大和: 污染物健康影响的重要研究方法是研究其相关性。雾霾中的细颗粒物肯定对人体健康有影响,特别是呼吸道,因此重霾期间呼吸道、心血管系统发病率高是可以理解的。但现在还不能证明硫酸盐、硝酸盐等“二次细颗粒物”对健康的影响,较香烟、油烟和汽车尾气里的“一次细颗粒物”更加严重。
真正有重霾污染的,一年有多少天?但我们可是天天要下厨房,天天要过马路吸入汽车尾气。而且汽车尾气里不仅有黑碳和高分子碳氢一类的细颗粒物,还有抱怨油品不好时的依据:添加剂!在没有雾霾时,又要吸入多少?
我认为,对于雾霾,烧煤不脱硫(其实应加上脱硝)是主凶,汽车尾气和油品是次凶;对人体健康,汽车尾气和油品是最大凶手,雾霾居于次要地位。
因为考虑香烟烟气、烹调油气和汽车尾气的生成、组分,以及和离人体的距离更近,接触机会更多,更加有毒,更容易导致慢性疾患如肺癌。即使北京空气质量好的时候,那些交警、那些路人、那些餐馆厨师,那些属于特殊工种必须暴露在细颗粒物下的人员,呼吸PM2.5是不是更容易致病?如果担心健康,首先要戒烟,少油炸,少开车。
(本文摘编自蒋大和教授博客及其发表于《现代物理知识》第26卷第2期的文章《图说‘雾霾’和PM2.5》,以及王跃思研究员发表于《科学世界
》2014年第4期的文章《霾从哪里来》,欢迎作者与观察者网联系。
蒋大和是同济大学环境科学与工程学院教授、博士生导师,研究方向为湍流扩散理论、空气质量模式、酸雨模式、环境信息及决策支持系统、有毒有害物质事故排放应急管理、复杂地形风场模拟等。王跃思是中国科学院大气物理研究所研究员、博士生导师,国家杰出青年基金获得者和国务院政府特殊津贴获得者,主持中国科学院战略先导专项B类“大气灰霾溯源”项目,主攻方向为大气气溶胶和霾污染化学。)

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