《解放日报》 束炯:解读雾霾密码

作者:     信息来源:     发布时间: 2013-05-20
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    思想者小传

束炯 华东师范大学资源与环境科学学院教授,上海市教学名师。主持过多项国家自然科学基金和科技部973课题。重点关注城市气候的形成与演变规律;将环境磁学、环境化学与数理统计方法组合应用于大气气溶胶的物源解析;气溶胶光学厚度的遥感反演。近年来主要从事大气污染预测方法和气溶胶强迫机制研究,开展全球不同卫星数据的CO2CH4产品比较分析与遥感反演。曾获教育部自然科学一等奖和上海市自然科学二等奖。 

2012年入冬到20131月,我国华北一些地方以及山东、河南、安徽等大部分地区,断断续续发生了20余天大范围雾霾天气,影响大约达130万平方公里。在此期间,天空能见度(即我们正常视力目视所能达到的最远距离)受到了极大的影响。仪器观测表明,在河北、山东西北部、四川东部等许多地区,大概有5-12天的能见度只有不到500米。因为它范围大,而且与人民群众生活密切相关,引起了全社会的极大关注。

总的来说,今年我国冬季的气溶胶(空气中悬浮的固体和液体颗粒物总称)浓度比较高,和往年相比,中东部地区多处于一个稳定天气,冷空气偏弱,风力不强。在华北地区,这样的天气多达60%多,因此污染物非常容易在近地面积聚。反过来,雾霾天气的发生又促使大气更加稳定,所以加剧了这样的污染过程。这就是我国在2012年入冬到20131月发生严重污染事件的基本形势。

在了解这次污染事件之前,我们可以回顾一下,在全球经济发展过程中,有哪些雾霾事件及其治理经验,是值得我们从中吸取教训的。我觉得最为典型的当属伦敦烟雾事件。早在英国工业革命时期,就有过所谓的 “伦敦烟雾”一说。英国化学家霍华德在1818年出版的 《城市气候》一书中,最早对伦敦冬季空气的浑浊和低劣的能见度做了十分细致的描述。从那时起,人们开始逐渐关注由于工业的发展导致污染和呼吸道疾病不断增加的关系。 195258日,在高气压的控制下,气流下沉,容易形成逆温,本来温度应该随高度降低,可这一天近地面温度随高度升高,地面的污染物排不出去,大雾笼罩伦敦城。 4天时间里死亡4000多人。 10年之后类似事件再次发生,又造成了1200人的非正常死亡。从那时起,伦敦市政府下决心进行治理,经过多年的努力,烟雾事件基本没有再发生。

第二个典型案例是美国洛杉矶的光化烟雾事件。洛杉矶的地理位置很有趣,西面临海,三面环山,工业非常发达。太平洋暖空气流到冷的洋面,水面空气会变冷,出现逆温。在每年5-10月,如遇天气晴朗,汽车尾气受到强烈阳光的照射,合适的条件下,会产生一种以臭氧为代表的浅蓝色的光化学烟雾。这种烟雾会刺激人的肺部,引起胸闷,灼伤人的眼睛。 1943年以后,在远离洛杉矶城100公里、海拔2000米的高山上就曾出现大批松树林死亡的现象;上世纪70年代,有75%以上的市民患上了红眼病。西方国家的城市居民对空气污染非常敏感。所以,有时蓝色的天空,乍一看晴朗通透,以为空气质量非常好,实际上并不一定。夏日里强烈阳光照射下的城市,有着良好的光照条件。汽车尾气排放累积的结果,也许潜伏着光化学污染的危机。

英国四面环海,而且冬季盛行的西风气流来自大西洋,吹来的基本是洁净空气,与中国相比,上游的条件更好。中国辽阔的国土和所处的地理位置与之不同,情况要更复杂。

雾和霾并非一回事

如果早晨起床看见天灰蒙蒙的,到午后天变晴朗了,应当说这就是雾。如果到了午后天空仍然是灰蒙蒙的,那就是霾。还有一种情况比较复杂,那就是雾散了霾还在。不利的天气形势和地理位置是形成这种现象的外在条件,我们国家的能源结构也决定了我们还有相当长时间会遭受霾的袭扰。

下面,我们看看什么是霾,什么是雾霾,什么是PM2.5,能不能预测,如何治理。

首先,我们说雾原本是一种自然现象,是指悬浮于近地面空气中的大量水滴或冰晶,使水平能见度小于1000米的物理现象,如果能见度在1000米到10000米范围内,则称为轻雾。因此,空气中充沛的水汽和凝结核的存在是雾形成的重要条件。当空气中水汽含量达到或接近饱和而发生凝结形成雾时,相对湿度一般在90%以上。那么霾呢?气象观测很早就有这项纪录,原本也是一种自然现象,主要是空中悬浮着大量肉眼无法分辨的微小颗粒物,使空气混浊,由于小颗粒物散射蓝光,使天空呈现灰白色,水平能见度降至10000米以下。霾发生时,空气相对湿度一般小于等于90%。现在由于人类活动的加剧,相对湿度在90%95%之间也可能生成霾。由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快,这样一种导致能见度下降的颗粒物逐渐增加,使我国区域性霾天气现象日益严重,大气中经常呈现灰蒙蒙的一片,严重的会影响人们的身心健康。

霾的频繁出现标志空气质量的下降。显然雾和霾是以空气是否饱和来区别的,只是近年来,由于雾形成的凝结核许多也来自于污染的排放,所以这种自然现象被赋予了环境污染的烙印。尤其是在人类高强度活动的城市,有时人们就将两者混为一谈,叫做雾霾。事实上,有时这两者确实同时出现,混合在一起,让你很难区别。去年冬季以来出现的就是这种现象。早先的雾和霾都是自然现象,并不很厉害,凝结核也都是来自于自然源。现在城市地区的雾尽管也叫雾,但是凝结核往往是一种有害物质,纯粹的雾越来越少。大家以后看天气预报,相对湿度95%以上就表明水汽接近饱和了,那种情况主要是雾。有时我们早晨起床看见天灰蒙蒙的,到午后散去,天变晴朗了,应当说这就是雾,当然其中的凝结核很多可能还是来自污染物。如果到了午后天空仍然是灰蒙蒙的,那就是霾。第三种现象,早晨灰蒙蒙的,相对湿度也很高,到中午前后,天空短暂变清或者干脆不变,还是灰蒙蒙的,那就是雾和霾的混合物。雾散了霾还在,所以这个情况就比较复杂。

因此,如何评价和认识我国霾的频发就显得比较重要了。首先,地理背景决定了中国是世界上大气颗粒物背景浓度很高的地区。仅就自然过程而言,众所周知的地球中纬度西风带,气流是自西向东吹。看看欧亚大陆地图就知道,如果上游地区污染物排放,包括工业燃烧、裸地和沙漠化地表的起尘、由战争导致的污染扩散等,都是从西边经过中国大陆出海。当然还有就是东部沿海气流带来的物质中,由风卷海水飞溅起来的细小颗粒,沿海地区的细颗粒物含有钠离子,这可能就是海水飞沫引起的。但我国的外来颗粒,大多是来自西风带。这些都属于自然原因引起的所谓灰霾天气。而相比我国,包括英国、法国和德国等地的西欧这一带就很幸运了,它们西边是大西洋,大西洋的风吹过来,如没有特殊情况,上风方向的来源还是比较干净的。

有一次我去美国,顺道去科罗拉多大峡谷。就能见度而言,在前后一两个小时里,峡谷就有很大的变化,一下子从碧空万里变成灰蒙蒙一片,真可谓“一山时呈清与浊,十里常有不同天”。那里实际上没有多少工厂和人类活动的排放,亚利桑那州西北与犹他州、内华达州交界处的凯巴布高原,一些裸露的地表可能是霾发生的重要原因。

很多人在讨论我国去岁今冬的雾霾天气到底是什么原因引起的,众说纷纭。首先应当肯定的是,不利的天气形势和地理位置是形成这种现象的外在条件。此外,我根据2010年中国统计年鉴做了个统计,以折合成标准煤的煤炭消费量计算, 2010年煤燃烧超过20亿吨,所产生的污染物质是个很惊人的数字,而石油燃烧包括工厂和汽车一年是5亿多吨。除了城市地区不断增长的车辆尾气排放外,在更大的范围内,燃煤是细小颗粒物产生的重要来源,这是一个不争的事实。我们国家的能源结构决定了我们还有相当长时间会遭受霾的袭扰。大家都知道,很多城市车辆增加十分迅猛,汽车尾气的影响有增无减。但是如果上风方向有对煤炭需求巨大的发电厂或其他重工业,外来污染物输送的影响同样不可忽视。因此我国的污染形势要引起大家的关注和警惕。即使今后雾霾的治理取得了成效,也还会出现其他污染的影响,比如以臭氧为代表的光化学烟雾。因此,在发展经济的同时,改变能源消费结构、改变粗放的能源消费方式,以及坚持污染治理,积极整治环境,造福子孙后代,是大国崛起进程中历史赋予我们这代人的必然使命。

PM2.5及其影响

作为霾主要成分的PM2.5,是大气中最令人关注的物质,它可以深入人的肺泡,刺激呼吸道,引起咳嗽、哮喘和呼吸道受损,影响心血管健康。从目前的观测看,中国PM2.5污染水平不容乐观,尤其表现在东部人口较为密集、经济发展较为快速的城市里。

下面我们再来了解一下PM2.5。作为霾主要成分的PM2.5,是大气中最令人关注的物质。一般定义, PM2.5是指大气中动力直径小于或等于2.5微米的颗粒物,也称细颗粒物,其直径不到人头发丝的二十分之一。它可以深入人的肺泡,刺激呼吸道,引起咳嗽、哮喘和呼吸道受损,影响心血管健康。据文献报道,其中含有的无机物和有机物,在经过数十年或更长的时间,可能成为癌症发病的潜在原因。长期受雾霾袭扰的人,会产生许多健康问题。假如我们对这些颗粒物作一个大概的粒径分类,一般厨房的油烟、黑炭和稻草的粒径约在0.1微米到1.0微米,水泥尘和雾滴在10微米左右。当这些物质进入环境空气中,它们可在环境空气中随风漂流,维持数日甚至更长的时间。

多年前,我曾带着学生,扫过上海上百条马路的灰尘。扫完后把马路上的灰用极细的筛子筛了一遍,放入颗粒物分类机器中,而后获得粒径的分布和风吹起尘的经验参数。我们发现,上海马路上的细颗粒物很多,尤其是30微米以下的颗粒,其中1.0微米的也不少。这说明,城市地面的扬尘对环境空气质量的贡献很大,同时也说明我们在城市建设和环境保护方面,还有许多工作可做。

研究表明,首先,这些细颗粒物长期悬浮在空中,对太阳辐射有不同程度的削弱。第一个作用是辐射的影响,空气中弥漫着颗粒物以后,太阳辐射到地表的吸收、散射和反射作用,减小了大气透明度和日照时数。如果此时风力微弱,细颗粒物易于集聚在低空,太阳辐射被削弱,对流混合发展慢,阻断了空气中向下的动量输送,则风力继续微弱,高浓度污染继续维持。这就成了一种恶性循环。其次,作为一种凝结核的来源,超细颗粒物还会影响成云和降雨,当然目前还鲜有明确的结论,但无论如何,这也许是间接影响气候变化的一条重要途径。

从目前的观测看,中国PM2.5污染水平不容乐观,尤其表现在东部地区的城市里。这主要是因为,东部城市人口较为密集,城市化及相应的经济发展较为快速。从近几年的卫星图片上看,反映颗粒物污染的气溶胶光学厚度高值区主要集中在华中、华北、环渤海区域以及四川盆地、长三角和珠三角地区,这种态势客观地反映了人口的聚集程度和相应的能源消费分布。

上海的环境监测机构在方方面面的配合下,经过多年努力,对本地排放的污染物进行了分析,估算了目前上海市不同行业对于PM2.5来源的贡献。其中25%是来自机动车辆船舶飞机的排放,21%来自电厂锅炉和工业的炉窑,15%来自钢铁工业工艺过程和石油化工,10%来自建筑工地和道路扬尘,4%来自秸秆燃烧、化肥使用和畜禽养殖,5%来自餐饮业和民用涂料,剩下的20%来自区域源的影响。这个数据不一定百分之百准确,但说明了影响上海细颗粒污染物的各个行业所应该承担的责任。与此相对应的是,在上海发生雾霾的日子里,可以很明显地监测出细颗粒污染物中,由煤燃烧排放的二氧化硫转化而成的硫酸盐粒子、由汽车尾气排放的二氧化氮转化而成的硝酸盐粒子、由氨转化而来的铵盐粒子。这些物质在雾霾天发生时的PM2.5颗粒中都可以检测到,当然还有其他一些化学成分的物质。

既然PM2.5对我们的健康影响较大,对气候变化影响如此重要,每个国家制定的浓度标准又如何呢?目前我国的24小时日均值标准 (每立方米0.075毫克)与世界卫生组织制定的过渡目标1相当,低于发达国家,也低于泰国、印度、孟加拉国等发展中国家;而年均值标准(0.035毫克)也远低于欧盟、美国和澳大利亚等发达国家。因此,要达到世界卫生组织制定的过渡目标3 (日均值0.035毫克,年均值0.015毫克),也许还要20-30年左右的时间。之所以这么说,是类比了西方发达国家在完成这一目标所走过的艰难路程。而作为世界人口第一大国,也许更为艰辛,把困难想得更充分一点是有好处的。

如何准确预报和治理霾

根据目前工作进展,提前2448小时甚至更长时间预报霾的发生,是有可能的,但要完全准确还有待解决一系列难题:要提高天气预报的准确率,要能较为准确地刻画各种不同的化学过程,要有完整的近地面污染排放的数据等。

既然霾对人们的生活带来这么大的影响,那么能否及时准确地预报,未雨绸缪,做出相应的对策就显得极为重要了。霾能不能预报?回答当然是肯定的,只不过可能要比一般的天气预报来得更为复杂。须知污染预报是在天气预报的基础上作出的,也就是说,准确的天气预报是霾预报的基础。其次,还要能够正确地认识在这样的天气背景下,为何这么多直接排放的颗粒物可以聚集于此,同时还要发生化学反应,进一步生成所谓的二次颗粒物。天气预报的本质是物理学问题,而后者就是化学问题了。预报时要能够认识这两个过程的相互作用和规律,加上经验,才能准确地作出预报。这是一个有难度的工作。现在有关部门都在研究这方面的问题。根据目前的工作进展,基本可以认为,提前2448小时甚至更长一点的时间,都是有可能的。一般可以做到60%80%的成功率,当然完全准确目前是做不到的,有些疑难问题还有待解决。

首先要提高天气预报的准确率,其次要能较为准确地刻画各种不同的化学过程,再者要有完整的近地面污染排放的数据。困难的是,有些污染过程不断在变,旧的污染源消灭了,新的又在不断地生成。到处是新建的工地和开挖的道路,每天都有新买的汽车开上道路,如遇堵车,拥堵路段的排放几乎无法估算,数据库始终处于更新的过程。更为困难的是,外来污染的长距离输送是一个不确定因素。如此种种,不一而足,其难度可想而知。

最后要谈一下霾的治理。先看中美提出实施颗粒物标准的时间进程。美国从1971年发布实施总悬浮颗粒物的标准,到1987年发布实施PM10的标准,到1997年发布PM2.5日均浓度为0.065毫克的标准,以后在2006年又将这一标准提高到日均浓度为0.035毫克,美国走过了36年的时间。而中国在1982年提出了实施总悬浮颗粒物的标准,到1996年的PM10,以及2012年的PM2.5日均浓度为0.075毫克的标准,前后用了31年的时间,当然标准有所不同。显见的是,中国在治理方面的步伐正在逐步加快。问题在于,中国的人口基数太大,所遇到的困难更多。

2000年以来,上海市的环境保护投入占GDP的比重一直维持在3%左右,就上海市在环保领域的投入而言,截至2011年底总投入达3780亿元,其中2011年环保投入为558亿元。大家可以看到,市区的工厂已经全部搬迁,消灭了黑烟的排放,许多污染排放大户关停并转,一些长期以来脏乱差的工业区得到了很大的改善,空气质量正在逐步好转。

但是新的环境问题正在不断产生,比如前面谈到的不同行业对于PM2.5的贡献,在短期之内要得到解决还存在着相当的难度。尤其是作为污染细颗粒主要来源的机动车尾气排放、道路扬尘、建筑扬尘等问题,已经成为城市的顽疾。众多的人口,鳞次栉比的高楼,拥堵的道路,追求大排量名车的虚荣心以及不良的生活习惯,时时在困扰着这座城市和人们的健康。需要我们深入思考的是,城市的规模是不是越大越好,建筑物是不是越高越好,怎样的城市才能反映现代化的特征?浦东陆家嘴和纽约曼哈顿、伦敦金融城、东京新宿的比较和竞争,可能不在于楼有多高多密。按我的计算和理解,排放的污染物进了高楼密布的街区,恐怕很难扩散。我们的城市规划理念应该融入科学的精神,对现代化的理解,应该有一个正确的认识。

(根据2013423日演讲录音整理,经作者审阅;这是 “中智杯”上海青年人文经典读书工程人文经典论坛系列讲座之一)

《解放日报》 日期:2013518日 版次:09 作者:束炯

链接:http://newspaper.jfdaily.com/jfrb/html/2013-05/18/content_1026532.htm

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