雾霾的来生今世

作为非大气方向的环境科学专业博士生,我经常被亲朋好友问到一些关于雾,霾及PM2.5的问题,本着严谨的态度一般就呵呵了,然后就得到了这样的评价:还读博士呢,都学傻了。思来想去,本科毕业设计倒是大气方向,当年大气的东西学得比水多些,今天恰巧听了四场关于雾霾的报告,感觉听起来倒也没什么障碍,结果后来提问环节让我真切明白其实媒体记者是真没听明白,或者说没跟这几个专家思路在一条线上,我就做个二道贩子,转述下一些问题的实质回答,也算是知识的总结和回顾。

雾,霾及PM2.5是什么东西?

霾,大量细微干尘粒均匀浮游在空中,能见度小于10km的空气普遍浑浊的现象。关键词是干尘粒与能见度,实际测定上首先观察能见度,10km是阈值,按照我之前估计的经验公式计算,大概就是你站在三楼向远处看地平线(如果不被遮挡的话)处物体,如果没有沙尘暴,雨暴及雪暴的话看的清楚,那么这天就没有霾,也没有雾。

看不清楚时引入另一个指标:空气湿度。当空气湿度小于80%为霾,大于90%为雾,介于80~90%时要看PM2.5,超过75ppm或者PM1超过65ppm;或者气溶胶散射吸收系数之和超过480Mm^-1为霾。(参照 QX/T 113-2010.霾的观测和预报等级)

其实定义上区别雾与霾没多少现实意义,目前大家关注的城市雾霾随气象条件不断变化,单纯的雾或霾都不常见,只要你感觉看不清楚10km外的东西,那就可以说雾霾了。

从定义上看,PM2.5可做为识别霾的一个指标,而PM2.5通指空气动力学当量直径小于2.5微米的颗粒物。换言之,衡量指标只有一个:空气动力学当量直径。所以PM2.5不特指一种纯污染物(区别于臭氧,一氧化碳,类似于硫氧化物,氮氧化物),其组成与来源及形成过程等都有关系且不唯一,事实上,技术上的污染物源解析多通过其某些组成成分来区别。所以,单纯说PM2.5会导致疾病什么的都是刷流氓,应该说PM2.5中的某种成分与某些疾病的流行有相关性,这个问题后面会谈到。

雾霾的来源是什么?

技术上是通过源解析来回答来源问题的,毕竟污染物进了大气就开始扩散,所以不论从管理角度还是研究角度,来源控制都是很关键的,所谓节能减排的关键就针对来源起作用的,科学上不认为直接处理大气是个好主意,但水污染上我们确实可以通过城市污水处理厂来处理已经排放到水体的污染物。

就北京而言,不论技术上的不确定度,独立的源解析工作汇总都显示燃煤、机动车及工业生产是多次雾霾事件背后的污染物三大输送来源。说白了就是生物质能源燃烧,京津唐乃至华北五省的能源消耗在全世界去看也是可观的,就是个世界大烟囱,扩散或沉降不及时,自然导致雾霾。什么?停了?不说别的,扔掉你手边所有电子设备一天试试。用清洁能源?也就核能能满足对电力的稳定需求,但也有热污染等问题,更不要说绿色和平等NGO不遗余力的阻挠了。既然享受现代社会技术进步的成果就不要对环境问题有太多怨言,天下没有免费的午餐。什么?没享受到成果?呵呵,大多数都没真正享受到,但你的后代有没有怨言看你现在的表现(其实你的表现也没多大用)。

具体而言,燃煤是因为要发电,目前煤电有竞争优势,所以市场不会主动抛弃煤电。机动车我就不多说了,现在北京市城市规划根本赶不上需求,所以会有私家车限号与摇号政策,这样也挡不住天天堵车,要知道PM2.5很重要的来源是燃料的不完全燃烧,不堵车20分钟到家,堵车40分钟,这是一个典型的双输,你浪费了时间,城市PM2.5增加了来源,所以城市规划要为雾霾负责的。此外,油品也很关键,北京城市PM2.5很大的贡献是柴油车而不是私家车,而柴油车白天限行只能晚上跑,结果一大清早伴随逆温与早高峰,浑浑噩噩的一天就开始了,这里只是一个演绎,后面会详细解释一次雾霾的形成。再看工业,北京很早就开始把重工业外迁到郊区,但实际上治标不治本,因为北京的污染来源可不只北京,河南、河北、山东都可能是来源,这个尺度上你去迁移工厂就是个很复杂的政治问题了。

污染物的源解析技术的原理是什么?

技术上了解一个污染物的来源,可以参考我之前的回答质谱直接测量法“在线源解析技术”是怎么实时、快速弄清PM 2.5污染物来源的? 用专家的话说就是三个方法,污染源清单,空气质量模型与受体模型。

污染源清单就是我去对工厂做普查,得到排放量数据结合气象地形条件去估计某地受污染情况,按照贺克斌教授的说法,08奥运就是通过污染源清单来暂时关了排放量较大的工厂使那年的空气质量好转的。这个做法欧盟用过,跟搞人口普查差不多,搞清楚了来源就好控制,但中国一直在发展,这个清单管不了太长时间的事,所以科学家就要去搞动态模型。

空气质量模型的本质就是质量守恒,这个方法还是需要污染源给出的数据或特征数据,例如煤场特征数是5,机动车尾气特征数是1,我测到了3,如果考虑贡献率,那么两者各50%。当然,对数学敏感的同学别抓狂,实际计算过程没这么简单,要考虑扩散与传播过程,这里只是举个例子。

受体模型有两条路,一条路本质跟空气质量模型差不多,可看做加强版,这里有个很久前写的科普科学网—CMB模型延拓 ;另一条路是因子分析,拆出正交成分计算贡献率,但悲剧在于正交成分的物理意义是说不清楚的,所以实际上使用受体模型就是各种简单模型的组合或耦合。

雾霾最终去向哪里?

前面说了,本地不考虑大尺度气象条件就是干湿沉降,干沉降就是靠地面吸附,这个量面对现在的排放可以忽略;湿沉降就是雨雪霜雾的凝结,这个冲刷效果很明显,这个周在北京的都知道我说的什么意思。这个过程其实不好研究,因为城市地表完全就是研究上的bug,复杂度高的离谱。干湿沉降的污染物要么留在土里,要么经过城市雨水收集系统排放到自然水体或污水处理厂(没有雨污分流的话),那就成了水处理问题了,按下不表。

如果考虑气象条件,那就很简单三个字——等风来。北京现在的主风向还是西北相对干洁的气流,一阵风吹过,帝都人民喜洋洋,东南各省灰太郎。而且相对悲剧的东南各省是主风向的来源就是脏的,下次更脏的不来,这次脏的就不走,加上湿气重,不易原地扩散,那就真的是暗无天日了。等到吹得再远些,邻国就该罗嗦了。不过也不知道算好消息还是坏消息,这两年北风强度减弱了。

雾霾形成机理是什么?

从今年年初北京的几次雾霾事件去考虑,科学家给出的初步结论是雾霾来源于北京郊区的燃煤工业的污染物输送,这是诱因,形成雾霾后,燃煤工业源的比例就迅速下降,PM2.5的主要贡献让位于机动车,长期雾霾延续的动因就是机动车。而长期雾霾中其主要作用的并不是从源头产生的一次污染物,其中超过一半的比例为污染物间相互作用产生的二次污染物,或者说PM2.5的生成主要由大气中一次污染物发生的大气环境化学过程主导。如果用贺泓研究员的话说,则是空气中氧化性增强,气态污染物迅速向颗粒态污染物转化,呈现爆发性增长,因此雾霾延绵不绝,甚至能见度下降,机动车跑不起来,反而加重污染过程,形成恶性循环。那么空气中氧化物质是什么?一般认为是硫氧化物与氮氧化物,这算是雾霾的催化剂。有意思的是,自20多年前的酸雨整治后,硫氧化物浓度在国内实际上一致在下降,真正上升的是氮氧化物,哪来的?机动车。下面我给大家勾画一次典型雾霾事件:

入夜,京郊工厂得到柴油车送来的原料开始生产,产生的含碳细颗粒慢慢在局地气流或城市热岛环流推送下向城市进军,清晨在逆温作用下积聚并吸附为大颗粒,结合吸水性较强的硫酸盐颗粒继续生长并开始影响能见度,此时,氮氧化物在机动车早高峰中大量排放,为颗粒物进一步的生长提供了氧化剂,发生复杂的大气化学过程,生成二次PM2.5,雾霾影响了光照,保护了PM2.5中有机组分不被快速光解,只要熬过第一天,没有外来强气流与干湿沉降,雾霾就算是安家落户了。简单说外因是气象,内因是排放。

事实上,近期国内的雾霾事件与历史上硫酸烟雾事件或光化学烟雾事件的成因并不相同,科学家正在追踪每一次的指标变化,以期了解这个中国特色的雾霾事件。历史上,发达国家会经过一个硫酸烟雾到氮氧化物导致的光化学烟雾再到臭氧烟雾这几个阶段,中国比较特殊,因为发展较快,这几个相对独立的阶段可能在中国集中爆发,呈现前所未有的大气烟雾污染事件,不得不说除了经济腾飞,我们的环境质量也可能因为迅速超越了环境承载量而急剧恶化。

当然,上面说的也都是假说与推测,机理上科学家还没彻底搞清楚,只能说撞上这样一个时期,有活干了。

为什么这两年雾霾这么重?

用数据说话的化,今年的雾霾事件中各污染物指标除了氮氧化物以外都比去年下降了。氮氧化物或这说PM2.5中的硝态氮的上升主要是机动车可少量特殊工业。其实去年的污染治理也好,节能减排也好都有实实在在的效果,只是没降到民众可以感受到的程度而已。

以PM2.5为例,相比去年北京1月份雾霾事件的PM2.5浓度数据,今年2月份的雾霾PM2.5浓度数据下降了,但只有降到100ppm以下人眼才能从能见度上感觉到变好了,目前距离较远。所以你可以记住这个阈值,人眼或者说感觉有时候掺杂了很多东西,不靠谱。

那么缘何这两年这么严重?不得不说气象条件也推波助澜了,前面说过,这两年北风弱了,吹不动了。另一方面,这两年机动车的增长数据大家也都看得到,要不是摇号,可能几年前就开始出现这个现象了。北京这个城市太过巨大,公共资源跟不上城市扩张速度,到今天这样,唯有将一些资源让渡到其他城市,将人口规模控制住才能长期发展。此外,是否与全球气候变化有关也是很有意思但很难研究的课题。

如何治理,我该怎么做?

作为科研工作者其实在治理上起不了多少作用,简单说就四个字:源头控制。科学家可以提供源头控制的清单,后面的就是政府决策的范围了。我很理解很多人强烈的参与感,想来次运动把雾霾干掉,这次的对手不是运动战可以搞定的,或者说,人类最大的对手就是过去的自己。雾霾这件事,如果它不走,你可以考虑走,或者关好门窗,听风吹雨。作为一个社会人,你每一个行为都不断影响着环境,你无法脱离社会或环境,而经济在发展,北京的飞机场与高铁所消耗的能源与产生的污染一直在上升,还是那句话,你享受了技术进步所带来的便捷就要承受相应的损失,科研工作者会尽力开发新技术来降低污染排放,但蓬勃发展的市场自有其导向性,人逐利,仅此而已。再补一句话,统计规律面临个体失灵问题。

口罩有没有用?

首先,口罩会补集主动呼吸压差形成气流中的颗粒物,但对气态污染物作用不大,好的口罩会滤掉70%以上的PM2.5,但你会感觉呼吸困难。很简单的道理,过滤网越细,过滤压力就越大。老年人与儿童及呼吸道有问题的人可能并不适合佩戴口罩,出现雾霾时请不要让他们出门。

然后,我讲个新药的例子:新上市了一种药,声称长期服用可降低某种疾病的20%发病率,这已经很理想了,但这种病的发病率为万分之十,换句话,对于低发病率的疾病,降低20%意味着一万人中会有两个人受益,而另外8个人不论多新的药都无法受益。换言之,存在我们不了解的致病机理导致我们的治疗手段再高明也会遇到一个下限。对于口罩而言,你看到的是口罩,但经过污染的食物可能也会对健康产生危害,只是没人说过你就安心了。不过,从另一方面讲,谁能说自己不是那两个受益者呢?

所以,口罩问题不要问专家,问自己,权衡佩戴与不佩戴的差异,这就像抽烟,即便你不抽烟也可能受二手三手烟的影响,而烟民不抽烟难受同时抽烟却可让你放松,哪种对你适合就选那种,不必执着于最优,最优的那个人会活得很累。这种关乎健康的事可能心理作用强于客观影响。

空气净化器有没有用?

有用,但如同空调一样,不是一劳永逸,你得换滤芯,吸附饱和了就没用了,口罩也一样。同样,买的人都有点希望与信心,这样可能放大其本来的作用。没必要去崇拜洋牌子,这东西技术含量不高,有兴趣都可以自己做一个,但滤芯填料估计一般人做不出来。如果你感觉它好,它对你就有正面影响,疑物不用,用物不疑。

国家对雾霾的监控现状是什么?

中科院最近两年已经在全国布了点,但两年的数据不足以得到可靠的结论,这个急也没用。其实现在监控的指标比你想像的多,这部分数据很宝贵,我很希望大气所提供数据接口供学界共享分析这些数据,毕竟我们身处大数据时代,从里面挖出什么也不一定。

不过目前监控重点在东部,毕竟受害最严重,民众政府都关心。

雾霾与健康的关系如何?

这个问题丁仲礼院士说了,国家刚启动了环境与健康的专项B计划,我所在课题组碰巧也参与这个计划,但我们做的研究很基础,短期无法回答如此简单而宏大的问题。欧美用了30多年才处理了雾霾问题,我们要用多久来解决国内的问题,这个说不准。从预防角度,自然是外源污染物越少,身体越健康,但如何影响,一句两句说不清楚。同样的质量的PM2.5,一个全是重金属,另一个全是有机物,靶点与通路完全不同,得等基础研究与高通量技术都到一定层次才能给答案,十几年前,个人基因组测序还是天方夜谭,现在已经有产品了,科技总能给人惊喜。

在雾霾问题上科研如何为决策服务?

其实科研不完全是应用导向,所以有可能机理没搞清楚国家经济与能源结构就转型了,这时候雾霾问题就不存在了。科研确实面临经费问题,大家都去解决这个问题才有经费做研究,至于结果能不能被采纳,有时真不是数据说了算。至少,科研总会是为决策服务的,科学家不信个人讲故事也不听宣传,数据说是什么就是什么,就这么简单。

来源:知乎



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