京津冀霧霾成因與治理

劉樹華　繆育聰

區(qū)域輸送對京津冀地區(qū)霧霾的形成和維持有不可忽視的影響，大氣邊界層內氣象要素的變化對重污染有著顯著貢獻，京津冀地區(qū)的污染控制和治理需要城市群的聯(lián)動

進入冬季采暖期后，特別是2016年12月以來，京津冀地區(qū)已經(jīng)歷了三次大氣重污染過程，分別是12月2-4日橙色預警，12月16-24日紅色預警，12月30日-2017年1月7日橙色預警。其中，從2016年12月23日持續(xù)到2017年1月7日跨年度的重度大氣污染是京津冀地區(qū)經(jīng)歷時間最長的重度污染過程。京津冀地區(qū)頻現(xiàn)大范圍重度霧霾，不時啟動的空氣重污染預警，給京津冀及周邊地區(qū)人們的生活、生產(chǎn)及交通等帶來嚴重影響，已經(jīng)成為影響區(qū)域環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。

霧、霾概念及其特征

霧和霾是自然界中的兩種天氣現(xiàn)象，在形成機制及其本質上有很大區(qū)別。霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成，是近地面層空氣中水汽凝結（或凝華）的產(chǎn)物。常呈乳白色，水平能見度一般小于1千米。霧一般有兩種，一種是地表輻射冷卻，大氣中水汽凝結形成霧，稱為輻射冷卻霧；另一種是暖濕空氣流經(jīng)較冷區(qū)域時，大氣中水汽凝結形成的霧，稱為平流霧。由于液態(tài)水或冰晶組成的霧散射的光與波長關系不大，因而霧看起來呈乳白色或青白色。霧天時，如大氣沒有污染存在，一般不會對人體健康造成直接危害。

霾是由大量的細顆粒物均勻地漂浮在空氣中，使水平能見度小于10千米的大氣渾濁視程現(xiàn)象，這些細顆粒物主要來自于自然界和人類活動的排放。當空氣中水汽較多時，某些吸濕性強的干顆粒物會吸水、變大，并最終活化成云霧的凝結核，產(chǎn)生更多、更小的云霧滴，使能見度進一步降低。當相對濕度較低時，光化學反應形成的半揮發(fā)性有機污染物通過氣固相分配進入顆粒物相，形成二次有機氣溶膠；而相對濕度升高、溫度降低時，顆粒物吸濕增長，吸收可溶性無機組分和有機組分，發(fā)生液相二次過程，產(chǎn)生二次有機氣溶膠、硫酸鹽、硝酸鹽等。霾由灰塵、硫酸、硝酸等細顆粒物組成，其散射波長較長，因而霾看起來常呈現(xiàn)黃色或橙灰色。由于霾中含有很多對人體有害的化學物質和微小顆粒，所以霾天氣對人體健康會造成直接危害。

霧和霾的主要區(qū)別有以下4點：（1）出現(xiàn)的垂直高度不同，霧一般出現(xiàn)在幾十米至幾百米的高度，而霾天氣過程高度可達3千米。（2）出現(xiàn)時的相對濕度不同，霧出現(xiàn)時相對濕度達到90%以上，而霾出現(xiàn)時相對濕度較低。（3）出現(xiàn)的時間不同，霧一般傍晚、午夜至凌晨最易出現(xiàn)，霾的日變化特征不明顯。（4）霧容易散去，而霾卻不容易散去。這是因為霧的相對濕度大，受天氣變化影響比較大，太陽一出來，地表增溫，蒸散迅速加大，或遇到干燥空氣，霧很容易散去。所以，霧一般在日出后不久即消散，但霾則不然。

京津冀地區(qū)污染源排放對霧霾形成的影響

局地霧霾天氣形成有三個條件：一是污染源排放，二是地理環(huán)境，三是天氣條件。PM2.5如今已經(jīng)成為家喻戶曉的名詞，它是指直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱細顆粒物，是由直接排入空氣中的微粒和空氣中的氣態(tài)污染物通過化學轉化生成的二次微粒共同組成的。直接排入空氣中的微粒主要由塵土性微粒、植物和礦物燃料燃燒產(chǎn)生的碳黑粒子組成。二次微粒主要由硫酸銨和硝酸銨組成，這兩種微粒是由大氣中的SO2和NOx（氮氧化物）轉化生成的。對此，中國科學院大氣物理研究所王躍思課題組利用多臺雷達組網(wǎng)實時監(jiān)測京津冀區(qū)域大氣混合層高度和顆粒物后向散射演變，結合顆粒物化學成分在線解析技術，對區(qū)域大氣重霾污染成因和演變特征進行了卓有成效的研究。他們給出的京津冀地區(qū)形成重霾污染的機理如圖1所示。

京津冀地區(qū)重霾污染形成于周邊以燃煤工業(yè)排放為主的污染物輸送，而加強于本地以機動車排放為主的污染物疊加。主要有：工業(yè)污染源排放、機動車尾氣排放、散煤燃燒等。其中，京津冀三地自身的排放量大是最主要的因素，對PM2.5污染的貢獻率約為70%。京津冀區(qū)域國土面積雖然只占全國的2%，但單位面積SO2、NOx、煙粉塵排放量分別為全國平均水平的3倍、4倍和5倍。

北京、天津、河北、河南、山西、山東6省市占全國面積7.2%，卻消耗了全國33%的煤炭，排放強度是全國平均水平的4倍左右。其中，京津冀地區(qū)鋼產(chǎn)量占全國的43%、焦炭產(chǎn)量占全國的47%、電解鋁產(chǎn)量占全國的38%、平板玻璃產(chǎn)量占全國的33%、水泥產(chǎn)量占全國的19%。此外，京津冀區(qū)域還有大量排放揮發(fā)性有機物的化工產(chǎn)業(yè)。京津冀的煤電機組占全國的27%，機動車保有量占全國的28%，特別是重型車保有量占比近30%。冬季采暖期間京津冀本地污染物排放強度大，是重污染天氣高發(fā)的根本原因，一旦氣象條件不利，就可能形成重污染。

京津冀地理環(huán)境對霧霾的影響

大氣污染顆粒物是造成嚴重霧霾天氣的內因，天氣條件則是外因。京津冀地區(qū)的地理環(huán)境為北、西方向高，東、南方向低，地形為簸箕形狀，京津冀地區(qū)地理環(huán)境和地形條件不利于污染物的擴散。這種復雜的地理環(huán)境作用形成的海陸風環(huán)流、山谷風環(huán)流對區(qū)域污染物的擴散和大氣環(huán)境容量具有重要影響（見圖2）。

首先，一定程度上靠風把污染物吹走，天氣起到了重要作用。

其次，京津冀城市化區(qū)域西臨太行山山脈，北靠燕山山脈，東臨渤海，構成復雜的山地、平原、城市和海陸地理環(huán)境。白天京津冀地區(qū)的污染物受山谷風和城市熱島環(huán)流的影響較大，山區(qū)受太陽輻射，溫度遠高于平原地區(qū)，而形成山谷風大氣環(huán)流，污染物就會輸送到山區(qū)。晚上山區(qū)冷卻降溫，京津冀地區(qū)由于城市熱島作用，空氣比山區(qū)冷卻得慢，導致溫度高、氣壓低，在山谷風大氣環(huán)流作用下，白天送到山區(qū)的污染物晚上又送回到京津冀區(qū)域。

再次，京津冀地區(qū)還存在海陸風。秋季，京津冀地區(qū)地表熱力較強，存在海風和陸風的轉換。白天，地表加熱比海面快，陸地溫度比海面高，導致陸地空氣上升，大氣壓力減小，形成海風。晚上陸地冷卻比海面快，導致陸地溫度比海面低，海面空氣上升而陸地空氣下沉，形成陸風。白天污染物從海上送回來，晚上又送到海上，形成循環(huán)污染（見圖3）。

此外，除了天氣和地理環(huán)境條件作用外，還有一個污染源作用——京津冀地區(qū)周邊的東南風、西南風、南風都會把污染物送到北京來。這種地理環(huán)境、天氣條件、污染源分布作用，正是導致京津冀地區(qū)秋冬季嚴重霧霾天氣頻發(fā)的原因。

京津冀氣象條件對霧霾形成的影響

污染物排放和靜穩(wěn)天氣（小風和靜風）是霧霾形成和維持的重要因素，這是人為因素和自然因素共同作用的結果。國家氣候中心的檢測結果顯示，自2016年11月以來，京津冀地區(qū)冷空氣過程次數(shù)減少，強度總體偏弱，平均風速減小，小風和靜風日數(shù)較常年同期偏多，導致近期京津冀地區(qū)風流擴散能力減弱，大氣環(huán)境容量降低，霾天氣過程多發(fā)。這是因為：（1）京津冀城市群發(fā)展，阻擋和摩擦作用使水平風速明顯減弱，小風和靜風現(xiàn)象增多，不利于大氣中懸浮的細顆粒物擴散稀釋，從而積累形成霧霾天氣。

（2）逆溫層加劇霧霾天氣的形成。逆溫是一種典型的大氣層結穩(wěn)定現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在秋冬季尤其常見。當出現(xiàn)“逆溫層”時，它就像在大氣層中蓋了一個鍋蓋，阻礙空氣的垂直對流運動，導致污染物的垂直擴散受到抑制。逆溫層形成大氣污染，大氣污染加劇逆溫層的發(fā)展，形成惡性循環(huán)，污染物越積越多，必須要有一個天氣過程帶來的冷空氣，才能破壞這種循環(huán)。

（3）區(qū)域大氣環(huán)境容量是在國家大氣環(huán)境等級指標控制下的區(qū)域大氣環(huán)境可容納的大氣污染物的總量。它反映了區(qū)域大氣對污染物的通風擴散、降水清洗能力等綜合指標。區(qū)域大氣環(huán)境容量低，表示該區(qū)域大氣對污染物的擴散能力、自凈能力弱，大氣邊界層高度低。與常年同期相比，京津冀地區(qū)2016年11月以來，大氣環(huán)境容量偏低6%，大氣自凈能力偏低15%，靜穩(wěn)天氣日數(shù)占比達63%。

（4）空氣中懸浮細顆粒物的增溫效應。大氣中的懸浮細顆粒物吸收太陽輻射，加熱大氣邊界層溫度，增加大氣邊界層的穩(wěn)定度，不利于大氣污染物的擴散。加劇大氣中污染物的積累，增強霧霾天氣的形成過程。

治理京津冀地區(qū)霧霾的關鍵

區(qū)域霧霾污染天氣的發(fā)生，主要是由工業(yè)、燃煤、機動車等的排放和不利的氣象條件等因素造成的。持續(xù)的霧霾污染天氣主要與靜穩(wěn)天氣系統(tǒng)、大氣垂直結構、水平輸送密切相關。京津冀地區(qū)的霧霾污染與大氣環(huán)流及周邊省市的污染源排放有直接關系，地區(qū)霧霾治理必須與周邊區(qū)域協(xié)同，這才是解決京津冀地區(qū)霧霾污染問題的關鍵所在。從中長期而言，治理霧霾，需要摸清京津冀區(qū)域及周邊省市各類污染源對京津冀地區(qū)霧霾污染形成的貢獻，大力優(yōu)化能源結構、產(chǎn)業(yè)結構。從短期而言，制定各類不利氣象條件下的協(xié)同應急減排方案，是有效控制京津冀霧霾污染的有力措施。

京津冀周邊省市的區(qū)域傳輸對京津冀PM2.5污染的貢獻率約占30%，其中影響最大的是山東、河南兩省的污染排放。治理京津冀區(qū)域大氣污染，有必要對京津冀及周邊地區(qū)進行污染源排放的聯(lián)防聯(lián)控。雖然京津冀地區(qū)霧霾的治理，天氣條件很重要，但不能全靠風來吹，想要根本解決還是要靠區(qū)域減排，關鍵是要減少污染源的排放。

（作者分別為北京大學物理學院大氣科學系教授、中國氣象科學研究院助理研究員）