近年来,京津冀地区重霾事件频发,呈现污染程度重,范围广,持续时间长的特点,引发公众的广泛关注及讨论。有机气溶胶是PM2.5重要的组成成分,质量可占PM2.5的20%-90%。冬季重霾期间臭氧浓度低,大气氧化能力弱。臭氧会光解生成氢氧自由基
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传统认为OH氧化挥发性有机气体是二次有机气溶胶的主要来源,重霾期间低的臭氧浓度不利于二次有机气溶胶的生成。然而实际观测结果显示重霾期间二次有机气溶胶浓度对有机气溶胶浓度贡献可达44%-71%,这结果说明可能有其他途径促进重霾期间二次有机气溶胶的生成。

揭开北京雾霾“真身”雾霾什么味儿?曾经,雾霾高发的季节,细心的网友“品味”雾霾的味道,并晒各个城市雾霾味道的不同,北京霾被网友奉为最“醇厚”“经典”。这其实跟雾霾背后不同的化学成分有关。王跃思带领的中国科学院大气物理研究所中国生态环境研究网络大气分中心团队,一直在研究北京雾霾的“配方”,以帮助全社会有针对性地从源头治理雾霾。

中科院大气物理所研究员 廖宏:立治霾“军令状”要有科学认知

地球环境研究所李国辉研究团队利用区域气象化学耦合模式,模拟了2014年1月一次重霾事件过程中二次有机气溶胶的生成,模拟结果显示亚硝酸的非均相生成过程极大地促进了二次有机气溶胶的生成。考虑HONO的非均相过程使得模拟的HONO平均浓度提高0.7ppb,与观测值更接近,模拟的二次有机气溶胶的平均浓度提高了3.3μg
m-3,与观测的差异缩小到0.4μg m-3。

王跃思;氮氧化物;臭氧;颗粒物;雾霾

■本报记者 李瑜

研究团队进一步发现由乙二醛和甲基乙二醛气体的液相不可逆吸收过程生成的二次有机气溶胶对有机气溶胶的浓度贡献可从非雾霾期间的8.5%上升到雾霾期间的30.2%,显示其也是重霾期间二次有机气溶胶的重要生成途径之一。乙二醛和甲基乙二醛气体的来源主要由一次居民燃烧直接排放和其他有机气体氧化生成。模拟结果显示一次居民燃烧直接排放的乙二醛和甲基乙二醛是HSOA的主要来源,占总有机气溶胶的25.5%,而由其他有机气体氧化生成的乙二醛和甲基乙二醛对有机气溶胶的贡献仅有2.1%。

雾霾什么味儿?曾经,雾霾高发的季节,细心的网友“品味”雾霾的味道,并晒各个城市雾霾味道的不同,北京霾被网友奉为最“醇厚”“经典”。这其实跟雾霾背后不同的化学成分有关。

在治理大气污染的过程中,为体现治霾的决心与力度,不少地方官员甚至纷纷与中央政府签署“军令状”。然而,在中科院大气物理所研究员廖宏看来,这些“军令状”的设立缺乏对霾变化规律的科学认知,甚至有几分“自套紧箍咒”的意味。

研究揭示了冬季京津冀地区HONO的非均相生成过程及由居民燃烧直接排放的乙二醛和甲基乙二醛对重霾期间二次有机气溶胶生成的重要贡献。该成果近期发表于《Atmospheric
Chemistry and Physics》期刊上。

王跃思带领的中国科学院大气物理研究所中国生态环境研究网络大气分中心团队,一直在研究北京雾霾的“配方”,以帮助全社会有针对性地从源头治理雾霾。

“立军令状的初衷完全可以理解,能看到官员们的雄心壮志,但这绝不是一种科学的做法。”在日前举行的“应对气候变化的碳收支认证及相关问题研究”媒体见面会上,廖宏告诉《中国科学报》记者,局地范围内,污染物可在一两天的时间里从一个城市扩散到另一个城市。“所以,即便某地污染物排放大幅削减,但若邻近区域污染物的浓度很高,立军令状的城市PM2.5还是有超标的可能。”

论文链接:

在“北京及周边区域大气复合污染形成机制及防控措施研究示范”课题中,团队提出的“氮氧化物中心说”可谓识破了北京雾霾的本质。治理燃煤、严控机动车、控制扬尘……北京一项项大气治理措施、一年年PM2.5浓度的下降,正让这一研究成果变成环境治理的实践。

令廖宏感到不解的是,新闻报道中经常出现这样的内容:某地环保部门称,本年度PM2.5浓度指标平均降低了多少个百分点,大气污染治理效果显著。

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最早提出“氮氧化物中心说”

“这些降低的数值究竟是减排措施带来的,还是本年度气象条件贡献的,比如大风给刮掉的?”廖宏强调,如果不能对治霾过程中的人为排放和气象因素加以区分,实际上并没有科学地回答治理效果的问题,同时也隐含着很大的“危险性”。比如,某地2015年PM2.5浓度平均降低了10%,那么该地区很可能在下一年度提高治霾指标。“若下一年已经尽很大努力减排,但气象条件不利,结果有可能是PM2.5不达标。”廖宏表示。

图1北京遥感所观测的HONO和二次有机气溶胶浓度与模式模拟考虑HONO的非均相生成过程和不考虑HONO非均相过程的对比。

2013年,北京市正式对公众发布PM2.5监测结果,也是在这一年,北京市治理PM2.5的大幕拉开。

“在影响PM2.5浓度的机制方面,人为排放的确是霾污染的主因,减排是必须的。但PM2.5浓度的逐年变化,在很大程度上也受到气象场逐年变化的影响。”廖宏说。

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污染来势汹汹。监测的头一个月,北京就遭遇五次空气重污染,首尾两次时间各长达5天。整个1月份,雾霾天气多达23天!

廖宏团队通过数值模式模拟发现,假设人为排放量不变,气象场导致的华北平原PM2.5浓度逐年变化的平均幅度为18%左右,而“国十条”中2012~2017年给出的京津冀PM2.5年均值的减排目标为25%。“这意味着在‘国十条’框架下评估减排效果,需要相关部门区分治理中减排和气象场的分别贡献。”

图2模式模拟的一次和二次HSOA浓度及对有机气溶胶质量贡献的空间分布。

北京的雾霾是什么来头?我国自上世纪70年代开始,为防治酸雨和光化学污染,相继提出了控制二氧化硫、氮氧化物的减排措施。在近年来大气霾污染频发的背景下,硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物等是高浓度气溶胶的主要成分,但对这些成分前体物的控制方向一直不是十分明确。这次污染发生后,王跃思团队着手研究这个问题。

在分析了几十年来的风速变化后,廖宏发现,近年来风速平均值的确在减弱。“气象场的因素是绝对不能忽略的。我们不仅要加大减排力度,更要明白治霾的机理。”

“高浓度氮氧化物的存在,可以激发二氧化硫向硫酸盐的快速转化。”2014年,王跃思团队提出了“氮氧化物中心说”这一科学假说。

此外,对于近期公众普遍关心的臭氧污染问题,廖宏指出,臭氧浓度与雾霾浓度之间是一种此消彼长的关系。中国的臭氧污染之所以不是很严重,是雾霾浓度较高带来的结果:一些臭氧的前体物会吸附在气溶胶颗粒表面,从而使臭氧浓度大大降低。

王跃思和团队成员发现,北京当时的污染状况,其实是上世纪50年代前后英国伦敦和美国洛杉矶的加和体。“英国伦敦,大量使用蒸汽机,烧煤产生的二氧化硫形成酸雾,对人体造成伤害;美国洛杉矶,工业和汽车尾气排放大量的氮氧化物,形成的包括臭氧在内的污染物,对城市环境危害很大。而我们,这两个问题都有。”

未来随着PM2.5得到控制,臭氧问题也将最终出现在公众面前。“欧美现在的臭氧浓度是高于中国的。”据廖宏介绍,臭氧本身也是一种污染物,是光化学烟雾的主要成分,对呼吸道健康有害。

“真没想到,我们也惊呆了。”成员们研究发现,在京津冀地区,大量燃煤燃烧排放二氧化硫,而工业和汽车尾气排放的氮氧化物,二者在沙尘的媒介下,又触发了二氧化硫向硫酸盐的快速转化,这样一来,气体就变成了颗粒物,重霾污染就来了。

与PM2.5不同,臭氧具有长距离输送的能力。因此,很多欧美国家的学者认为,中国的大气污染对其臭氧问题有影响。对此,廖宏解释说:“事实并非如此,由于我国的气溶胶浓度很高,所以大幅降低了臭氧浓度,中国目前对欧美臭氧的贡献有限。”

这就是王跃思团队提出的“氮氧化物中心说”。在北京重霾期间,高浓度氮氧化物的存在,极大地推进气态二氧化硫向颗粒态硫酸盐的转化,氮氧化物在大气污染形成中有着独特的重要作用。可单凭外场观测,只能知道反应物和产物,内部过程像黑盒子,无从得知。烟雾箱实验模拟,必不可少。

《中国科学报》 (2016-02-01 第4版 综合)

“怎么没有反应?真是奇怪!”团队成员开始做烟雾箱实验,可是他们把氮氧化物和二氧化硫两类气体放一起时,竟然没有一点反应,“跟我们想象的完全不一样,我们以为肯定会反应成硫酸盐。”

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