大气污染解析

一、何谓雾霾

雾霾是漂浮大气中的PM2．5等尺寸微粒、粉尘、气溶胶等粒子，在一定的温湿度等天气条件相对稳定状态下产生的天气现象。雾和霾的区别很大，雾和霾相同之处都是视程障碍物，使能见度恶化，但雾和霾的形成原因和条件大不相同（表1-3）。

表1-3 雾和霾的区别

续表

颗粒物，英文单词为Particulate Matters，简称PM。大气污染中涉及的颗粒物，一般指粒径为0．01～100微米的粒子。PM2．5是指空气动力学直径小于或者等于2．5微米的大气颗粒物（气溶胶）的总称，也称为可入肺颗粒物，它的直径达不到人的头发丝粗细的1／20。北京监测PM10，也就是直径小于10微米的污染物颗粒，这种颗粒本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体。

雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。高密度人口的经济及社会活动必然会排放大量细微颗粒物，一旦排放超过大气循环能力和承载度，细微颗粒物浓度将持续积聚，此时如果受静稳天气等影响，极易出现大范围雾霾。

雾霾常见于城市，中国不少地区将雾并入霾一起作为灾害性天气现象进行预警预报，统称为“雾霾天气”。譬如，北京市空气污染预警级别及相应的应急措施（图1-54）。

二、追本溯源

（一）大气污染物

1．大气污染物的种类

导致空气质量下降的污染物很多，目前量多且危害严重的大气污染物主要有硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳和可吸入颗粒物等（表1-4）。

图1-54 北京市空气污染预警级别及应急措施

表1-4 大气污染物及主要来源

造成大气污染的原因，除了火山爆发、森林火灾、岩石圈风蚀、海啸、地震等自然因素外，主要为燃烧、工业生产、交通的各种排放物等人为原因所致。

按照污染源存在的形式，可分为固定污染源和流动性污染源两类。所谓固定污染源就是位置和地点固定不变的污染源，主要指工矿企业在生产中排放的大量污染物。冶金、钢铁、建材等工业企业都是对大气环境污染严重的固定源。此类污染源由于不同工矿企业的生产性质和流程工艺的不同，其所排放的污染物种类和数量大不相同，但有一个共同的特点是，排放源集中、浓度高、局地污染强度高。流动污染源是指由汽车、飞机、火车和轮船等交通运输工具运行时向大气中排放的有害气体而形成的污染源。这类污染源主要污染物是烟尘、碳氢化合物、NOx、金属尘埃等，是城市大气环境恶化的主要原因之一。

按人类社会活动功能可划分为工业污染源、农业污染源、交通运输污染源和生活污染源等。大气污染与室内空气污染内涵有所不同。室内空气污染是指由于各种原因导致的室内空气中有害物质超标，进而影响人体健康的室内环境污染，有害物质包括甲醛、苯、氨、放射性物质等。

2．大气污染物的主要来源

一般而言，PM2．5主要来自化石燃料的燃烧（燃煤、机动车尾气）、挥发性有机物等，而粒径较粗的PM10颗粒物则主要来自道路扬尘等。对京津冀地区PM2．5排放源分析发现，机动车、燃煤和工业生产为雾霾主要来源。

（1）来自汽车尾气 汽车、轮船、飞机、火车是当代的主要交通工具，它们燃煤或石油产生的废气也是重要的污染源。特别是城市中的汽车，量大而集中，成为城市空气的主要污染源之一。汽车造成的污染除了交通扬尘，主要还有尾气排放（图1-55）。

图1-55 汽车尾气排放示意图

发动机燃烧后，排放的主要污染物包括碳氢化合物、氮氧化物、二氧化硫、一氧化碳和细微颗粒物。汽车尾气更接近地面，也更接近经常在市区活动的人群，因此对我们的健康有更大的危害。

汽车尾气中细小的颗粒物可进入呼吸道，附着在肺壁上能引起呼吸系统疾病，损坏肺部，使已有的呼吸及心血管问题恶化；当颗粒有毒时，可能导致癌症；还可刺激皮肤和眼睛，造成皮炎、眼结膜炎。汽车尾气在夏秋时节一定的温湿度条件下，经过强烈的阳光照射，还可形成光化学烟雾，可以对人眼、鼻、气管、肺黏膜造成伤害，甚至引发支气管炎、肺癌等。

（2）来自燃煤 城市中大量民用生活灶炉和采暖锅炉需要消耗大量煤炭，煤炭在燃烧过程中要释放大量的灰尘、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳等有害物质污染大气。特别在冬季采暖时，往往使污染地区烟雾弥漫，呛得人咳嗽，这也是一种不容忽视的污染源。

京津冀地区近几次重霾源解析表明，2015年入冬后的几次重污染过程中，燃煤散烧排放是造成重污染天气的重要原因之一（图1-56）。中国北方城市某些时段散（原）煤燃烧产生的污染甚至超过机动车、工业排放源成为首要污染物。

专家测算，1吨散煤燃烧排放的污染物总量是1吨工业燃煤排放量的好几倍。据不完全统计，京津冀目前每年散煤燃烧量超过3600万吨，占京津冀燃煤用量的1／10，污染排放量却十分巨大。2014年中国煤炭产量达38．7亿吨，约占全球一半，集中利用率却不足50％，而全球平均煤炭能源集中利用率超过60％，欧、美、日等发达国家已达到90％以上。

图1-56 散（原）煤燃烧排放

由于煤炭所含元素有C、H、N、S、O等几种，所以煤燃烧时会排放出二氧化硫、氮的氧化物等。当煤未充分燃烧时，会产生一氧化碳。煤在燃烧时会扩散固体小颗粒（未燃烧的碳粒），造成对空气的粉尘污染。

中国面临的现实情况：一方面，大量分散供热的小锅炉以及农村居民采暖用煤，基本上没有采取任何污染控制措施；另一方面，很多供应给老百姓的散煤品质较差，污染严重。以北京为例，居住在城乡接合部的老百姓大都有过这样的经历，早晚时会闻到煤燃烧后的刺鼻气味。

在环保部门看来，散煤产生的污染或许是未来大气治理中最困难的环节之一。散煤与老百姓的采暖做饭等日常生活息息相关，不可能在雾霾天像工业企业那样限制减停产，而且小锅炉散布在千家万户，也不可能安装治理设施。

根据《中国能源统计年鉴》的数据计算得出，2014年中国煤电行业排放的二氧化碳已经占到全国排放量的35％，超过中国排放量的1／3。空气污染按照2013年中国环境统计年报的数据，火电厂（包括独立火电厂和自备电厂）排放的大气污染物、烟粉尘占到17％，超过1／3的二氧化硫和将近一半的氮氧化物的排放都是来自中国煤电行业（图1-57）。

图1-57 煤电行业排放

统计数据显示，煤炭燃烧产生的二氧化硫、氮氧化物、烟尘排放，分别占全国总量的86％、56％、74％左右。PM2．5中的50％～60％源自燃煤。其中，直燃煤的二氧化硫排放量与电煤的排放相当，烟尘排放量接近电煤的3倍，是大气污染的最主要来源。发电用煤虽然比直燃煤能效高、污染少，但由于耗煤总量大，在东中部地区分布集中，也是大气污染的重要来源。

据了解，我国东中部地区雾霾问题突出，当地大规模集中建设煤电且脱硫、脱硝和除尘项目监管失效是重要原因之一。雾霾严重的京津冀鲁、长三角地区，煤电装机分别超过1．3亿千瓦、1．4亿千瓦，单位国土面积煤电装机分别是西北地区的13倍、26倍，单位面积的大气污染排放都在全国平均水平的5倍以上。

（3）来自工业生产 工业生产，尤其是一些老旧产能的钢铁厂、焦化厂等是大气污染的一个重要来源（图1-58）。工业生产排放到大气中的污染物种类繁多，有烟尘、硫的氧化物、氮的氧化物、有机化合物、碳化合物等，其中，有的是烟尘，有的是气体。

图1-58 工业生产排放

根据京津冀地区战略环评项目组初步研究结果，2014年京津冀地区以不足全国2．25％的国土面积，创造了6．6万亿元的国民生产总值，占全国GDP总量的10．4％，单位国土面积的国民生产总值产出是全国平均水平的4．64倍。

令人忧心的是，支撑高强度增长主要是高污染、高排放的重化工业。京津冀地区战略环评项目组研究表明，近10多年，京津冀区域能源重化工业的比重大幅度提高，几乎占到整个工业部门产值的半壁江山。2013年京津冀地区能源重化工行业的产值总计4．4万亿元，占全国的11．8％，其中煤炭、钢铁、煤电产值在全国的占比分别达12％、23％和13％。

作为京津冀地区重要的工业城市，河北唐山市最具代表性。以冶金、煤矿、建材、化工等高能耗、高排污的重工业为主的产业结构，以及以煤炭为主的能源结构，使得唐山的大气污染较为严重，仅冶金行业对唐山市PM2．5全年的平均产生率就达到20％。

英国利兹大学研究报告认为，过度依赖煤炭的能源供应结构对京津冀地区的PM2．5污染影响巨大。特别是钢铁等高耗能行业集中分布的河北省，至2013年，河北生铁、粗钢和钢材产量连续12年全国第一，煤炭在能源消耗总量中的比重居高不下。据报道，河北省2014年能源消费总量高达3．02亿吨标准煤，其中煤炭消费2．71亿吨，占能源消费总量的89．6％，高于全国平均水平近20个百分点。全省去年由此带来的氮氧化物、二氧化硫排放量，高达176．1万吨和134．1万吨，分别居全国第一位和第三位。

“工业围城”“一钢独大”现象在华北地区比较普遍，比如唐山、邯郸“钢铁围城”现象比较突出，邢台重化工四面布局。重化产业是华北地区很多城市的支柱产业，也是造成环境污染的重要因素之一。它们既影响了城市的可持续发展，也给环境治理带来了巨大困难。

（二）中国不同地区雾霾源各有侧重

根据近期环保部对9个大气污染防治重点城市的雾霾源解析数据表明，中国不同地区雾霾源各有侧重。其中北京、杭州、广州、深圳的首要污染来源是机动车，石家庄、南京是燃煤，天津、上海、宁波分别是扬尘、流动源和工业生产（图1-59）。

应当注意的是，北京地区此次红色预警启动后虽然采取工厂停产、工地停工、机动车限行等应急措施，但燃煤导致的二氧化硫削减效果却并不理想。根据中国环境科学研究院大气污染物实时源解析结果显示，燃煤污染来自小锅炉以及散（原）煤燃烧等低矮面源污染，这部分污染削减确实存在一定难度。

图1-59 中国九大城市首要污染源解析结果

（三）雾霾成因

雾霾天气自古有之，刀耕火种和火山喷发等人类活动或自然现象都可能导致雾霾天气。不过，在人类进入化石燃料时代后，雾霾天气才真正威胁到人类的生存环境和身体健康。急剧扩张的工业化和城市化进程导致能源迅猛消耗、人口高度聚集、生态环境破坏，都为雾霾天气的形成埋下伏笔。

实验研究表明，雾霾的形成主要是空气中悬浮的大量微粒和气象条件共同作用的结果，其成因有三。

1．水平方向静风现象增多

雾霾的形成既有污染“源头”，也有气象“帮凶”，即不利于污染物扩散的气象条件。一旦污染物在长期处于静态的气象条件下积聚，就容易形成雾霾天气。城市大楼越建越高，阻挡和摩擦作用使风流经城区时明显减弱。静风现象增多，不利于大气中悬浮微粒的扩散稀释，容易在城区和近郊区周边积累。2015年11—12月，京津冀等地区平均风速小，平均风速1．8米／秒，为1961年以来历史同期第五小；小风（风速≤2米／秒）日数多，小风日数有44天，为历史同期第四多。其中，北京平均风速1．7米／秒，为历史同期最小；小风日数47天，为历史同期最多。

2．垂直方向出现逆温层

通常情况下，气温是随高度的上升而降低的，即气流上升越高，气温越低。但当气候反常时，气温随高度的增加而升高，即低层空气温度比高层空气温度还低，发生“气温的逆转”现象，发生逆温现象的大气层称为逆温层。

逆温层犹如大锅盖罩在天空，大气污染物吹不走，也不能向空中垂直扩散。当大气层结不稳定时，其温度的垂直分布是上低下高。冷空气的密度要比暖空气的大，近地面空气温度高、质量轻，就会向上流动，出现大气的垂直运动和上下交换，对污染物的垂直扩散比较有利。反之，如果大气层结稳定，气温呈现下低上高的状态，即出现“逆温层”的时候，它就像被盖一样覆盖在近地面，阻碍空气的垂直对流运动，使混合层高度降低至几百米甚至几十米，导致污染物的扩散受到抑制。2015年11—12月，京津冀等地大气逆温现象时常出现，尤其是在夜间。

在无恶劣气象条件时，污染物混合层距地面高度一般为1～1．5千米，而在静稳的不良气象条件下，这个污染层高度仅有几百米，形成所谓的贴地逆温层（图1-60）。

此时，污染层就像个大锅盖罩在上空很难移动。在这种情况下，“罩子”下面的污染物无法排出，以致环境容量越来越小，污染物浓度不断攀升。“大罩子”越低，污染越严重。譬如2015年11月底到12月初那次雾霾，贴地逆温层距地面更是只有200米，因此，北京多个PM2．5监测点位出现极端值。

十大公害事件中的马斯河谷烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾事件、多诺拉烟雾事件、伦敦烟雾事件等都是因为逆温层的出现，而使得污染物无法及时扩散到大气层中，从而造成悲剧。

图1-60 雾霾成因解析

3．空气中悬浮颗粒物增多

一是大量机动车排放造成硝酸盐上升。二是周边输送来的燃煤二氧化硫排放造成硫酸盐上升（譬如北京地区发生的重污染，周边区域都会伴有大范围重污染的同步性特征，而在重污染过程中，特别是PM2．5浓度快速爬升阶段，燃煤影响显著，有60％的污染都是燃煤贡献，这不仅包括本地的燃煤污染，也包括周边的燃煤污染传输）。三是光化学产物、局地烹饪、汽车尾气等造成的挥发性有机物转化为二次有机气溶胶。周边附近沙尘区域输送，如京津冀周边附近的沙尘层引发污染，与本地的污染大陆性气溶胶混合，加重污染。

在春季，远程沙尘输送、局地扬尘、城市酸性气体和空气中较多的水分也有利于霾的形成。在夏季，高温、高辐射气候加上高湿天气会促进污染物的光化学反映和吸湿性增长。在秋季，白天强烈辐射和高温会加速光化学气粒转化，而早晚低温和高湿在稳定的天气系统中容易导致霾污染事件。在冬季，北方的采暖加上稳定的大气边界层结构和较低的混合层高度很容易导致雾霾现象。

（四）世界著名大气污染事件解析

1．1930年比利时马斯河谷烟雾事件

原因：以二氧化硫为主的空气污染和逆温的存在。

马斯河谷是比利时境内沿马斯河旁一段长24千米的河谷地段，这一地区中部低洼，两侧有百米的高山对峙，使河谷地带处于狭长的盆地之中。马斯河谷地区是一个重要的工业区，建有3个炼油厂、3个金属冶炼厂、4个玻璃厂和3个炼锌厂，还有电力、硫酸、化肥厂和石灰窑炉。

1930年12月1—5日，整个比利时大雾笼罩，气候反常。由于特殊的地理位置，马斯河谷上空出现了很强的逆温层。由于逆温层低层空气温度比高层空气温度还低，影响空气对流，致使工厂排出的有害气体和煤烟粉尘在地面上大量积累，无法扩散，造成大气污染现象。

事件发生后，虽然有关部门立即进行了调查，但一时不能确证致害物质。有人认为是氟化物，有人认为是硫的氧化物，众说纷纭。后来对当地排入大气的各种气体和烟雾进行了研究分析，排除了氟化物致毒的可能性，认为硫的氧化物——二氧化硫气体和三氧化硫烟雾的混合物是主要致害的物质。据推测，事件发生时工厂排出有害气体在近地表层积累。据费克特博士在1931年对这一事件所写的报告，推测大气中二氧化硫的浓度为25～100毫克／立方米。空气中存在的氧化氮和金属氧化物微粒等污染物会加速二氧化硫向三氧化硫转化，加剧对人体的刺激作用。而且一般认为是具有生理惰性的烟雾，通过把刺激性气体带进肺部深处，也起了一定的致病作用。

在马斯河谷烟雾事件中，地形和气候扮演了重要角色。从地形上看，该地区是一狭窄的盆地；气候反常出现的持续逆温和大雾，使得工业排放的污染物在河谷地区的大气中积累到有毒级的浓度。

2．1943年美国洛杉矶光化学烟雾事件

光化学烟雾是由于汽车尾气和工业废气排放造成的，一般发生在湿度低、气温在24～32℃的夏季晴天的中午或午后。汽车尾气中的烯烃类碳氢化合物和二氧化氮（NO2）被排放到大气中后，在强烈的阳光紫外线照射下，会吸收太阳光所具有的能量。这些物质的分子在吸收了太阳光的能量后，会变得不稳定起来，原有的化学链遭到破坏，形成新的物质。这种化学反应被称为光化学反应，其产物为含剧毒的光化学烟雾。

（1）污染因素 汽车尾气和工业废气的碳氢化合物和氮氧化物。自1936年在洛杉矶开发石油以来，随着飞机制造和军事工业迅速发展，洛杉矶成为美国第三大城市，工商业的发达程度仅次于纽约和芝加哥。随着工业发展和人口剧增，洛杉矶在20世纪40年代就拥有汽车250万辆，每天大约消耗1100吨汽油，排放1000多吨碳氢化合物、300多吨氮氧化合物、700多吨一氧化碳。到20世纪70年代，汽车增加到400多万辆。由于汽车漏油、汽油挥发、不完全燃烧和尾气排放，每天向城市上空排放大量石油烃废气、一氧化碳、氧化氮和铅烟（当时所用汽车为含四乙基铅的汽油），在湿度低、气温24～32℃的夏季晴天的中午或午后，这些排放物在强烈阳光紫外线照射下，发生光化学反应，其产物为含剧毒的淡蓝色光化学烟雾（图1-61）。

图1-61 汽车尾气是洛杉矶光化学烟雾事件的罪魁祸首

（2）环境因素 长期的逆温层。从地形来说，洛杉矶地处太平洋沿岸的一个口袋形地带之中，只有西面临海，其他三面环山，形成一个直径约50千米的盆地，空气在水平方向流动缓慢。虽然在海上有相当强劲的通常都是从西北方吹来的地面风，但此风并不穿过海岸线。在海岸附近和沿着近乎是东西走向的海岸线上吹的是西风或西南风，而且风力弱小。这些风将城市上空的空气推向山岳封锁线。此外，沿着加利福尼亚州海岸向南方和东方流动的是一股大洋流，名叫加利福尼亚潮流，在春季和初夏，这股海水寒冷，来自太平洋上空的比较温暖的空气，越过海岸向洛杉矶地区移动，经过这一寒冷水面上空后变冷，这就出现了接近地面的空气变冷，同时高空的空气由于下沉运动而变暖的态势，于是便形成了洛杉矶上空强大、持久性的逆温层。每年约有300天从西海岸到夏威夷群岛的北太平洋上空出现逆温层，它们犹如帽子一样封盖了地面的空气，并使大气污染物不能上升到越过山脉的高度。

洛杉矶的光化学烟雾在这种特殊的气象条件下，扩散不开，停留在市内，形成空气污染。在一天里，由上午9—10时开始形成烟雾，氧化亚氮浓度增加，其浓度在10ppm以下就积蓄臭氧，到下午2时左右，臭氧浓度达到高峰，氧化氮浓度减少。然后随太阳西下，烟雾也逐渐消失，这些现象是光化学烟雾在环境中的典型特点。1943年以来，每年5—10月期间经常出现烟雾几天不散的严重污染。前后经过七八年，到20世纪50年代，人们才发现洛杉矶烟雾是由汽车排放物造成的。

光化学烟雾可以说是工业发达、汽车拥挤的大城市的一个隐患。20世纪50年代以来，世界上很多城市都不断发生过光化学烟雾事件。光化学烟雾的形成机理十分复杂，其主要污染物来自汽车尾气。因此，目前人们主要在改善城市交通结构、改进汽车燃料、安装汽车排气系统催化装置等方面作着积极的努力，以防患于未然。

3．1952年英国伦敦烟雾事件

酿成伦敦烟雾事件主要的凶手有两个：冬季取暖燃煤和工业排放的烟雾是元凶，逆温层现象是帮凶。

伦敦工业燃料及居民冬季取暖使用煤炭，煤炭在燃烧时，会生成水、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮和碳氢化合物等物质。这些物质排放到大气中后，会附着在飘尘上，凝聚在雾气上。当时持续几天的“逆温”现象，加上不断排放的烟雾，使伦敦上空大气中烟尘浓度比平时高10倍，二氧化硫的浓度是以往的6倍，整个伦敦城犹如一个令人窒息的毒气室一样。

4．中国北方大范围重度雾霾天气事件

2015年11月以来，随着北方地区陆续进入采暖季，受污染排放和不利气象条件影响，中国北方地区出现影响范围广、污染程度重、持续时间长的空气重污染过程（图1-62）。11月1—14日，东北地区出现持续重污染过程，东北三省共36个地级及以上城市中，34个城市均出现了重度及以上污染过程，沈阳市出现连续5天重度及以上污染，哈尔滨、长春和鞍山等12个城市均出现连续4天重度及以上污染。其中，哈尔滨市PM2．5小时峰值浓度接近1000微克／立方米，长春、沈阳等城市PM2．5小时峰值浓度甚至出现超过1000微克／立方米的极端峰值。

中国北方地区的雾霾情况远比1952年的伦敦雾霾事件、美国1943年洛杉矶光化学烟雾事件复杂和严重。北京地区空气中每立方米中有近20毫克污染物，1952年的伦敦每平方米也只有4毫克，如此算来，北京地区750平方千米，高度300米的大气范围约有4000吨污染物。洛杉矶光化学烟雾中主要是汽车尾气中的烯烃类碳氢化合物和二氧化氮排放到大气中后，在强烈的阳光紫外线照射下，原有的化学链遭到破坏，形成新的含剧毒的光化学烟雾，主要是以臭氧为代表。北京现在具有类似的情况，此外中国还大范围存在沙尘暴，而沙尘的存在又会加剧雾霾过程的化学反应。

图1-62 中国北方大范围重度雾霾天气事件

雾霾天气形成原因中，既有污染排放原因，也有气象原因。不利的天气条件是导致入冬以来雾霾频繁爆发的重要因素之一。根据国家气候中心检测的数据显示，2016年厄尔尼诺现象持续发酵，已达到1986年以来的最大值，成为极强厄尔尼诺事件。受此影响，今年我国冬季的冷空气偏弱，华北、黄淮、长江中下游等地区大气扩散条件很差。气象条件不利于污染物的扩散，而工业废气、汽车尾气、冬季取暖污染物的大量排放，PM2．5等污染物有所积聚，致使能见度以及空气质量变差。尤其在“工业围城”“一钢独大”“一煤独大”的华北地区环境污染相对严重，除北京、天津外，华北地区煤炭在能源消费结构中占比近90％，远超过全国平均水平。由于环境监管机制的不够严密，企业违法偷排（尤其是夜间的偷排、直排）、未按要求采用脱硫、脱硝和除尘等治理设施的现象屡禁不止。