王躍思：解決空氣污染問題唯有掐掉源頭

持續多日的霧霾讓全國大部分地區受到嚴重影響，圖源：中國氣象台

編者按：

今晨，已持續5天的今年京津冀地區的首個霧霾紅色預警解除。

此次霧霾影響範圍大，污染程度嚴重，不僅對多個省市地區產生了極大的影響，也使人們對政府的治理措施提出了質疑。

今年是「大氣十條」實施的第三個年頭。2013年6月14日，國務院召開常務會議，確定了大氣污染防治十條措施，包括減少污染物排放，嚴控高耗能、高污染行業新增耗能等系列措施一併出台，表明了國家治理空氣污染的決心。

然而，一方面政府每年發布的空氣報告顯示了近年來空氣污染治理的卓有成效；另一方面，北京不時而至的四面「霾」伏在感官上卻與政府的結論有些「背道而馳」，民眾時不時就拿「2017年不能實現空氣治理就提頭來見」的舊聞提點著官員們，或有諷刺。

究竟我國的霧霾狀況是否有所好轉？究竟該如何治理？11月26日，中國科學院大氣物理研究所研究員、中國科學院大學崗位教授、博士生導師王躍思在第23期理解未來講座上，以《我國（北京）大氣霾污染現狀、防控辦法和面臨的挑戰》為題，對圍繞霧霾的諸多相關議題和迷思進行了深入淺出的剖析。本文根據王躍思研究員當天演講整理、編輯而成，並經本人審閱。

演講 | 王躍思（中國科學院大氣物理研究所研究員）

責編 | 呂浩然

中國科學院大氣物理研究所研究員王躍思

如今，霾污染一詞對公眾來說已不是一個生疏的辭彙。公眾從什麼時候才注意到這個問題呢？應該是在2010年以後。

北京市在早前是沒有霾的，僅有霧。11月份的北京就會下很大的霧：晨時霧氣很大，中午放晴，到晚上可能又會起一些霧，放學回家的路上看到家冒炊煙，伴著一些小的霧，也可以稱為霾，但卻很輕。

但從2000年以後，我們這些學者感覺到北京已經不僅是霧的問題了，肯定有霾，而公眾可能從2010年左右才注意到霾的問題。我們（學者）注意到（北京霧霾問題）是從2001年，中國成功申辦奧運會舉辦權以後。當時，8月份要在北京舉辦奧運會，北京市政府擬對環境空氣進行治理，最主要的擔心是大氣中的臭氧會影響運動員的呼吸，進而影響運動水平。

針對大氣臭氧，我們做了一系列的實驗。但是2008年以後我們意識到這個顆粒物（PM2.5）必須得研究、治理。從2009年到2011年，我們開始對大氣中的PM2.5進行了更加詳細的研究，到了2011年，美國大使館把PM2.5報出來以後，2012年我們相繼進行了大規模的研究工作，到現在也不過是三四年的歷程。包括中國「大氣十條」的推出，和目前中國大氣專項研究的推出，都與我們的這些研究是分不開的。

霧霾現狀

上圖中紅色部分（圖1）是2013年我國31個省會城市、自治區首府或直轄市PM2.5的濃度，隨後我們把全國74個重點城市，到現在是338個城市，把所有城市觀測站點PM2.5濃度按照省份做一個平均，這是2013年的結果。而藍色部分（圖2）是2015年的平均分布圖，從圖中可以看出，PM2.5下降了很多。

但為什麼民眾的感官與調查數據有所偏差呢？圖2是2015年全國PM2.5各個省市自治區的平均值，北京PM2.5的平均值是80.6，接近81微克每立方米（濃度單位，下文中濃度皆以此單位為準），它是全國省會城市中最高的，其次是河南，也在80左右。

河北也很嚴重，但它的平均值卻比北京要低。為什麼？河北省PM2.5濃度最低的是張家口，年均值僅不到40，保定呢？超過了100，所以河北省的空間霧霾分布不均是非常嚴重的。保定不僅是河北省PM2.5最高值，還是京津冀的最高值，甚至是京津冀魯豫的最高值。

不僅如此，新疆喀什、和田和克城地區污染也非常高，但這是受到了沙塵的影響，並不是人為排放的影響。所以大家要清楚一個問題，從看不見到看得見，城市地區PM2.5問題主要是人為造成的。北京的PM2.5均值還是全國省會城市中最高的。鄭州、保定的濃度都比北京市要高，但它們都是在北京的周邊地區，這樣一個污染集中的區域，所以北京污染濃度很高，也跟它周邊這些高污染的城市是有關係的，相互的輸送關係很大。

我們再來看一下PM10的情況（上圖）。對比來看，2015年較2013年有所減少，藍色向下的都是減少的，但有些城市仍是增加的，如西北的一些城市，京津冀地區的河南和內蒙古也是上升的。

為什麼不降反升？原因很簡單，這些地方肯定是開展了土木基建工程，並採用粗放式管理。這些會造成PM10的升高，城市PM10的升高最主要的原因也是人為造成的，自然界造成PM10的變化是基本均衡的，如果它短期發生了大變化，一定是由於人為的活動加了進來。這就是PM10的情況，這個圖形跟PM2.5的有些相似，為什麼有些相似？因為PM10包括PM2.5，PM2.5包括PM1，PM1包括PM0.5。北京PM2.5約佔PM10的70%，今天可能要佔到80%，甚至更高，為什麼？因為在靜穩天氣、重霧霾天氣過程中，氣態物質跟顆粒物要發生反應，發生反應生成的這些物質，都是小的顆粒，都在PM2.5中，所以PM2.5會更高。

這個狀況清楚了，那我們按照「大氣十條」的規定，京津冀地區PM2.5要下降25%以上，其他地區要降20%以上，其中三大區：京津冀、長三角要降25%，珠三角要降15%。目前北京還未達標。另外，北京還有一個很重要的指標：到2020年北京PM2.5要達到56微克每立方米，能否完成仍是個未知數，這也是個很難達到的數字。

其它省市的承諾存在這個風險嗎？是否也規定一個明確的限定數值？目前環保部沒有定論，因為基線值尚未確定。按照「大氣十條」的規定，基線值是2012年的年均值，但大多數城市目前拿不出來2012年確切的PM2.5年度平均值，PM10的數據也具有很大的不確定性。

臭氧等其它污染物的情況

臭氧，我們現在對這個詞也不陌生。全國PM2.5的整體情況是下降的，北京下降最低，下降了9.9%，最高的下降了35%以上，全國平均下降了25%。但另一個污染物——臭氧的濃度卻上升了。

臭氧是什麼？它的分子容易辨認，就是一個氧氣又加一個氧原子（O3），它聞起來是臭的，所以叫臭氧。它還對人的呼吸道有影響，可以造成人呼吸道疾病和心血管疾病。與PM2.5相比，臭氧對人體的危害只是相當於PM2.5的1/20，這是根據流行病學統計調查出來的。

從全國的臭氧形勢來看，上圖（下半部分）是2013年與2015年臭氧濃度的變化，紅色的證明它是上升了，可以看出全國整體在上升。當一個自然系統形成以後，你要對它進行干預的時候，它有一種行為是反干預：當我們試圖把PM2.5從空氣中「拿掉」的時候，另一種污染物必然要顯現出來，這就是PM2.5下降、臭氧上升過程中一個自然的控制，也是一種不好的自然控制論。

我們要打破這種自然的控制，就必須大幅度拿掉污染物到一定的程度，將反饋機制抑制住。目前我們還沒有拿掉這個「負反饋」，所以臭氧濃度上升了。從2017年開始，國家要啟動關於大氣臭氧研究的項目，公眾也不必過於擔心，臭氧只在北京夏季的時候污染比較嚴重，但從現在開始就要研究對策。

再說說二氧化氮。二氧化氮是什麼？它是汽車排放出來的所謂氮氧化物中的高價態。我舉一個例子，大氣中污染是怎麼形成的，大氣就好像一個燃燒的大爐子，它在產生污染物，誰是燃料？不是氮氧化物，而是揮發性有機物VOC，而氮氧化物則是助燃劑。

大氣環境中若僅有純的氮氣和氧氣是沒有問題的，如今氮氧化物加入進來，助燃劑、氧化劑、還原劑、揮發性有機物相互反應，就變成了燃燒的爐子，產生污染物。我們現在經常聽到一個詞叫SOA（二次有機氣溶膠），實際上就是氮氧化物作用到這個有機物上產生的一類污染物，所以二氧化氮很重要，它相當於污染物反應中的助燃劑或氧化劑。

上圖為我國近兩年二氧化氮的變化幅度。40微克每立方米我國的標準，北京是多少？50微克每立方米，又超標了。美國跟歐洲氮氧化物大氣中的濃度是個位數，中國現在是40微克每立方米，所以現在我們的污染物在好轉，氮氧化物跟二氧化硫雖然都下降了，但我國目前的污染水平還是發達國家幾倍到十幾倍。這也致使我國的大氣光化學污染反應跟其它國家不一樣，因此中國如果套用其它國家的理論來治理污染，這本身要打個問號，其中需要做一些改進。

上圖為二氧化硫的情況，全國形勢一片大好，全都下降了，但一看我們的絕對值，60微克每立方米，這就超標了，只有極少數的地方沒有超標，為什麼？因為標準限值就很高，如果參照西方國家的情況，我們規定標準為20微克每立方米，那麼大部分地區基本上都會超標。發達國家二氧化硫的濃度是多少？只有10微克每立方米以下，都是5、8微克每立方米，所以我們國家二氧化硫雖然有所好轉，但離清潔空氣質量的目標還很遠。

一氧化碳，上圖是全國變化的情況。2015年減2013年，京津冀地區跟長三角並沒有減少很多，有些地方還在上升。再看看它的絕對量，絕對量是多少？這是1個ppm（毫克每立方米，下同），這是4個ppm，是1到4個ppm之間，而自然界如果沒有污染的排放，一氧化碳的濃度僅有200多個ppb（微克每立方米），現在是4個ppm，達到了5毫克級的量級，所以這個污染雖然在下降，但仍然很嚴重。

一氧化碳的污染嚴重了，隨之臭氧也就嚴重了，所以一氧化碳變化的圖形跟臭氧是一樣的。一氧化碳反應的東西是什麼？是揮發性有機物的反應，它的變化跟臭氧是相關的，雖然我們國家業務部門沒對揮發性有機物進行觀測，但是我們科學院對它觀測的結果就是這樣一個變化過程。

所以，PM2.5總體雖然下降了，但治理的過程仍非常艱難。PM2.5的前體物雖然在下降，但它的濃度仍是發達國家的幾倍到十幾倍。治理污染並不能打攻堅戰，正確的科學說法是這既是一場攻堅戰，也是一場持久戰，前者表達了獲得勝利的決心，而後者則是說從現在開始至少需要二十年的時間中國才可能達到發達國家的水平，這還是有希望的。

北京空氣污染的治理

北京的污染為什麼降不下去？通過分析和對比我們的詳細研究結果發現，北京秋季重霾污染天數非常多，打贏霧霾戰首先要把嚴重污染天數減少，但現在卻減不下來。如果把重霧霾污染天數去掉會怎樣？北京如果把40多天重霧霾天數去掉，PM2.5年均值就會降到60微克每立方米。因此，我們要努力將重污染天數下降下來，平均值就能下降，達到治理目標要求，目前這是一個達標途徑。

怎麼減？我們建議提前發布霧霾預警，提前採取措施，提前將污染源控制住。這是一個嘗試，未來霧霾黃色預警、紅色預警都應提前發布，目的就是將污染源排放提前降下來。不僅如此，霧霾預警的提前發布還對公眾起到了一定的引導作用，引導公眾規避一些諸如開車出行等產生霧霾的舉動，這點在英國、日本等國都發揮過作用。

除去秋季，重霧霾污染也相對集中在冬季，如果按四季PM2.5對年均值貢獻皆為25%計算，我國冬季PM2.5佔比都要高出這個比例，達到33%，部分地區甚至達到40%。北方城市冬季需要供暖，因此污染程度高，而南方城市雖然沒有供暖，但冬季污染物卻擴散遲緩。所以造成我國冬季污染嚴重的兩個原因，一個是冬季自然條件不利於污染物的擴散，第二個是排放的污染物較其他季節更多。

從衛星觀測來看，京津冀地區和長三角地區的二氧化硫濃度皆有所下降。實際上長三角煤炭燃燒量比京津冀地區還要多，但北京污染受燃煤影響要高於長三角，為什麼會出現這種反常情況？一個基本的實例是京津冀地區燃煤的煙囪要比長三角地區的低，在京津冀區域的煙囪建得再高也無益於污染物的擴散，而河北省的煙囪越高，對北京的影響就越大，所以我們要求京津冀地區的煙囪不能過高。

而在長三角地區，高聳的煙囪有利於排放物擴散到海上。沙塵排放到海洋里不是完全沒有用，它給海洋帶來了養分，促進漁業大發展。日本《朝日新聞》在八十年代有一篇報道，叫《中國的沙塵養活了日本人民》，中國的沙塵掉到東海里，浮游生物、海藻就會增長，養活更多的魚。沙塵實際上對海洋是一種營養的輸送，尤其是二價鐵和沙塵里的硅，有利於海藻生長。但是，污染物有一部分對海洋生物有益，但更多的是有害的。比如人類向海洋排放大量的硫酸鹽，它會轉化成一種稱為二甲基硫（DMS）物質，一種氣態污染物。

周邊輸送等對北京的影響

北京污染的爆發，受周邊地區的影響也很大。北京市2014年給出的PM2.5年平均源解析結果為，區域傳輸貢獻約佔28-36%，本地污染排放貢獻佔64-72%。在本地污染貢獻中，機動車、燃煤、工業生產、揚塵為主要來源，分別佔31.1%、22.4%、18.1%和14.3%，餐飲、汽車修理、畜禽養殖、建築塗裝等其他排放約佔PM2.5的14.1%。但這個結果只是一個靜態的年平均值，對於某一個重污染過程，源解析的結果都有所不同，對於冬季重霾污染的預警指導意義有限，我們亟待開展動態源解析的科研工作。但是從科普的角度只需記住一句話，北京甚至整個京津冀污染形成於區域輸送，而加強於自身排放。

為什麼說形成於周邊區域輸送？北京的風向一轉成偏南風，污染就會相對嚴重，原因是周邊高架源一排放污染物、天空布滿顆粒物的時候，此時大氣邊界層結構就會發生變化，混合層高度會下降。通俗一些的說法是此時北京地區的「房頂」就會下壓，可以想像一下，如果在一個縱高10米的屋內，三兩個人抽煙或許影響不大，但若在家裡抽煙，房屋高度僅不到3米，短時間內污染就會很嚴重。

所以，北京周邊污染物的初始排放會使北京的天空有一個「蓋子」，且這個「蓋子」會不斷的下降。北京夏季天氣好的時候「屋頂」可以達到兩三公里的高度，而冬季空氣質量差的時候僅有兩三百米，下降了10倍。

今天來看京津冀地區的污染，另一個污染源是什麼？答案是汽車。不僅如此，私家車在這其中的責任其實並不大。北京市發布的污染源分析報告顯示，從北京過境的大型柴油車所排放的氮氧化物和PM2.5占所有機動車排放總量的70%以上，私家車雖然有幾百萬輛，但排放總量所佔比例只有不到30%。

當然，限制私家車出行也有一定的作用，不失為解決燃眉之急的一種辦法，但它不是解決城市空氣質量問題的長遠之計。因此，解決空氣污染問題要「長短結合」，「長」是要徹底解決所有污染源，包括燃煤、柴油車、工業排放等，「短」就是要有一些應急措施，減少開車出行也是方法之一。

北京地區的空氣污染還存在一個「北輕南重」的情況，特別是「2+4地區」，「2」是指保定和廊坊地區，「4」則是大興、通州、丰台、房山四區。這種「北輕南重」的情況與周邊焚燒秸稈有一定的關係，也與秋季的氣候有關。我們亦可通過觀察由焚燒秸稈所產生的鉀離子的變化趨勢來理解整個污染擴散的過程，它的作用原理與前面提到的「屋頂」下降是一致的，都是破壞了大氣正常擴散污染物，而使其更容易堆積。

源頭減排 源頭治理

最後總結一下北京的霧霾問題。

霾從無到有，首要原因是燃煤過多。現在整個京津冀地區一年的燃煤總量是3.43億噸，如果加上山東的3.81億噸就是7.24億噸，什麼概念？佔全國煤炭消耗總量的20%以上，與長三角地區的6.02億噸相當。京津冀生產的鋼鐵總量也是全世界第一，橡膠輪胎和平板玻璃亦是如此，生產的藥品、其它化工用品也在世界名列前茅。所以，燃煤是一個大的污染源。

在燃煤問題沒有得到解決的情況下，機動車尾氣的污染問題進一步惡化，隨之產生複合污染。西方一些發達國家在這兩者污染治理之間存在著幾年或十幾年的空檔期，但我國的交叉污染卻已相伴三十年，所以霾的污染70%是人為排放造成的，這兩大污染源仍是最主要的原因。

當然，這其中也存在一些客觀原因，但追根溯源也會歸結到主觀原因上。客觀原因有二，一是全球變暖導致的水平風速減小。冬季南北溫差的減小導致空氣密度差、壓力差在減小，水平風速也就自然變小了，導致污染物很難擴散；二是縱向風速也在變小：過去太陽照射使地面溫度上升很快，進而使得空氣受熱膨脹上升，再由別處的空氣補充，如此循環形成了風，這是對流風形成機制的形象說法。而現在大氣中的顆粒物將太陽光散射掉了一部分，地面溫度變得相對較低，空氣停滯，而上空的空氣因受到太陽的照射以及散射吸收耗散，溫度相對較高。就這樣，上空空氣又輕又熱，地面空氣又冷又沉，形成了一個穩定結構，對流風就無法形成（逆溫形成的一種方式）。

綜上所述，北京的霧霾實際上就是污染物排放過大，而自然過程又使我們水平風跟自然風都減少造成的。所以，解決這個問題只有「源頭減排、源頭治理」這八個字，大氣是開放的超級流體，其他的所有末端治理大氣的方法都於事無補，唯有掐掉源頭一個辦法。

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