2019年4月15日,以中科院地球环境研究所安芷生院士领衔的研究团队,在美国科学院院刊在线发表了我国北方重霾形成机制的重要综述论文,这也是安芷生院士2016年入选美国科学院外籍院士的就职文章。

在来北京开会的高速公路上,王建国看到一张广告牌,上面写着:岚县土豆,来自没有雾霾的地方。这位中科院山西煤炭化学研究所所长感到哭笑不得:岚县属山西吕梁辖县,地处高寒山区,灰霾并不严重;土豆是长在土里的,原本与灰霾也没啥关系,但“没有雾霾”却成了土豆的卖点。

2016年冬,席卷全国多地的几轮霾天气令人印象深刻。霾怎么形成的,又如何有效防治始终是公众关注的热点。3月1日,中国科学院召开大气灰霾研究媒体发布会,集中介绍中科院在大气灰霾追因溯源、数值模拟、预警预报、监测技术等方面取得的研究进展,为公众认识和了解我国的霾治理提供了最新参考。

重霾污染在我国北方冬季时有发生,且持续时间长、覆盖范围大,对空气质量和人体健康均有重要影响。重霾污染因其成因复杂,涉及学科领域广,目前对其成因尚存争议。这一论文在全面总结大气化学与物理、气象、气候等领域灰霾研究最新进展基础上,从排放源、灰霾形成、发展和消散过程中的化学物理机制、以及与气象和气候的相互作用角度,率先指出人为排放与大气过程之间的相互协同效应是重霾形成和发展的关键,初步厘清了我国北方重霾成因研究思路和今后研究重点。

今天的中国科学院大气灰霾研究媒体通报会上,王建国讲了上述经历。“可见人们对灰霾既恐惧、痛恨,又无奈。”前不久,环保部公布了2017年1月份全国空气质量状况,其中显示:京津冀区域13个城市PM2.5浓度同比上升43.8%。“雾霾”警钟再次敲响。

污染排放和气象条件是霾形成的内外因

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“灰霾是病,得治!”王建国在今天的通报会上说。当天,包括他在内的6位科学家,分别从追因溯源、数值模拟、预警预报、监测技术、控制技术、低阶煤清洁高效利用的角度,集中发布了中科院在大气灰霾领域的研究进展,其中既谈了雾霾“病因”,又讲了如何“治病”。

在媒体通报会上,中科院区域大气环境研究卓越创新中心首席科学家贺泓研究员指出,2013年以来,全国空气质量总体向好,重度及以上污染天数占比逐步降低,优良天数比例明显上升。然而面对这样的天气改善,公众并没有明显感受,对此,贺泓研究员指出,这是由于在很多大气污染事件中颗粒物浓度降低还远未达到能见度显著改善的拐点,因此公众感受不明显。此外,我国中东部的部分地区秋冬季节大气污染防控的形势依然严峻,观测结果显示2016年北京冬季PM2.5浓度与前三年相比没有显著降低。

WRF-Chem模式模拟农业氨排放所产生二次气溶胶对PM2.5贡献:A-D分别代表25%,50%,75%和100%氨的模拟结果。

空气质量总体向好,但在冬季差了

对于霾形成的主要原因,贺泓指出,污染排放是灰霾形成的内因。据介绍,PM2.5来源包括直接排放和二次生成。PM2.5的二次生成是指排放到大气中的气态污染物通过多种化学物理过程被转化为硫酸盐、硝酸盐、铵盐和二次有机气溶胶等细颗粒物。一些污染源比如汽油车,虽然其尾气中一次颗粒物浓度不高,但在大气中反应后产生大量二次颗粒物,成为城市PM2.5的重要来源之一。

该文系统阐述了我国北方冬季重霾的几项关键成因:一是冬季燃煤和生物质燃烧等居民取暖导致的污染物排放增强;二是PM2.5化学形成与转化,特别是排放到大气中的活性气态物质(包括挥发性有机物、二氧化硫、氮氧化物、氨气)通过大气化学反应和物理过程转化为二次有机气溶胶与二次无机气溶胶对重霾的重要贡献,其中农业氨排放对PM2.5的贡献最高可达30%;三是气象和气候条件变差,包括气溶胶?辐射?云相互作用引起的大气边界层变薄、大气稳定度增加、相对湿度增加等,北极海冰融化、青藏高原地形地貌、厄尔尼诺等因素也通过改变东亚冬季风及中高层西风环流等气候背景影响重霾事件发生。同时文章也对当前灰霾研究的难点、不确定性及气象气候贡献等热点问题进行了述评,并展望了未来研究重点,特别强调了需要重视重霾演化过程中二次污染物形成的关键化学物理机制以及灰霾污染与气象气候条件的互馈机制。

有统计显示,北京市2016年PM2.5的平均值是73微克每立方米,无论是从地面观测数据,还是从卫星遥感观测结果来看,从2014年开始,这一区域的空气质量在逐年好转,但公众的感受却不明显,为什么会这样?

研究表明,在我国中东部地区二次颗粒物对PM2.5的贡献率常常高达60%,在成霾时二次颗粒物所占比例往往更高。然而,目前对二次颗粒物生成的机制还有很多不清楚的地方。实验室研究发现,氨气改变大气化学平衡,在气态污染物向颗粒物过程中发挥重要作用。其结果是,和伦敦烟雾事件相比,我国京津冀地区强霾事件中二氧化硫的浓度比伦敦烟雾事件要低得多,有1-2个数量级的差别,但产生的细颗粒物却相当。一个重要的原因就是大量的氮氧化物和氨气排放增加会非线性地降低大气对二氧化硫的环境容量,促进灰霾的爆发。

该文还指出开展灰霾形成机制的基础研究对制定有效合理公共政策的重要性,这对改善灰霾污染预警预测,制定合理有效的减排政策,提高公众环境保护意识均有重要意义。

面对这一疑问,中科院区域大气环境研究卓越创新中心首席科学家贺泓说,2013年以来,全国空气质量总体向好,重度及以上污染天数占比逐步降低,优良天数比例明显上升。2013年~2016年,全国平均改善幅度在30%左右,污染更重的京津冀地区改善幅度更大。但与此同时,我国中东部的部分地区秋冬季节大气污染防控的形势依然严峻。

同时,出现以低风速和逆温为特征的不利气象条件是雾霾形成的外因。气象资料统计表明,近40年来京津冀年平均风速逐年减小,减小幅度达37%,尤其对京津冀污染物扩散有利的北风频次和风速都显著下降。

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中科院遥感与数字地球研究所研究员程天海的一组研究数据,可以作为佐证:“PM2.5月平均低值出现在4月至9月,而高值出现在11月至3月。”

另外,贺泓指出,内因和外因之间也存在正反馈机制。排放到大气中的PM2.5一定程度上会削弱到达地表的太阳光强度,导致地表温度下降,而上层颗粒物中的吸光性物质会提高该层大气的温度,从而形成下冷上热的稳定大气结构,空气对流减弱,边界层高度下降,进一步加剧污染形成。正是这种内外因交织、特别是二次颗粒物生成的机制不明大大增加了灰霾问题的复杂性和治理的艰巨性。

东亚冬季风和中高层西风环流气候背景影响我国北方重霾污染的示意图:包括北极海冰融化、西伯利亚高压、青藏高原地形地貌、厄尔尼诺等影响因素。

根据灰霾卫星遥感监测成果,从灰霾问题相对严重的京津冀地区来看,PM2.5年平均浓度从2013年开始呈明显下降趋势。与2013年相比,2016年京津冀PM2.5浓度年平均值下降了26.5微克每立方米,下降幅度为29.7%。但在2014年至2016年间,北京市冬季供暖季的PM2.5浓度呈逐年上升趋势,2016年冬季的PM2.5浓度高于前两年。

大气灰霾治理需要加强针对性 力争精准治霾

该研究得到大气重污染成因与治理攻关项目(DQGG0104和DQGG0105)、国家自然科学基金委、黄土与第四纪地质国家重点实验室项目(SKLLQGZD1701)和Robert
A. Welch基金的资助。

贺泓认为,可以说总体上好了,但在冬季差了,这也印证了群众对空气污染的强烈感受。从某种程度来说,在很多大气污染事件中颗粒物浓度降低还远未达到能见度显著改善的拐点,这是公众还没有明显感受到大气质量改善的主要原因。

知道了霾的成因,如何治霾?对此,贺泓研究员指出,由于灰霾治理的复杂性和艰巨性,实现空气质量根本好转将是一个政府领导、科技支撑、企业实施、市场调节、全民参与的渐进过程,要加强针对性,力争精准治霾,以最小的经济代价获得最大的空气质量改善效果。

文章链接:“Severe haze in Northern China: a synergy of anthropogenic
emissions and atmospheric processes,” by Zhisheng An et al., PNAS, 2019,
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1900125116.

污染排放是内因:二次颗粒物是PM2.5最大来源

首先,发挥科技支撑作用,加强多污染物的协同减排。在二氧化硫和一次颗粒物排放总量已经开始下降基础上,加强氮氧化物控制,加快实施区域挥发性有机物总量控制,同时积极推进氨排放控制,着力打破大气复合污染导致的环境容量下降的不利局面。

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