根据中国科学院大气物理研究所张仁健与国外研究人员合作在2013年在Atmospheric Chemistry and Physics上发表的论文《Chemical characterization and source apportionment of PM2.5 in Beijing》。针对2009-2010年不同季节在北京城区采集的PM2.5样品进行化学组分的分析,获取了北京四个季节PM2.5的29种元素、9种离子和8个组分有机碳无机碳等资料,研究了北京城区细颗粒物总体污染水平及季节变化特征。
这些空气污染物含量的增加主要是人为因素引起的,这些因素包括经济因素和社会因素。中国自改革开放以来就过度追求经济的发展,并在经济发展目标上唯 GDP 至上,一味的追求 GDP 的快速增长,这就造成了投资结构的不合理,过度地依赖低端产业带动经济发展,忽略了科技的发展。在经济中,高耗能、高污染的产业快速发展,能源过度消耗,并且能源结构以化石燃料为主,造成了空气污染物(二氧化硫 、二氧化氮 、可吸入颗粒物等)含量的增加。
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雾霾的成因及对策分析
今日北方大部分地区,包括北京天津地区雾霾严重,持续时间相当长。各类专家、官员纷纷分析雾霾成因,常挂嘴边的就是天气原因,天气静稳(不知何时发明的这个词汇);或者排放密度大;对策就是一会限制建筑工地啦,限制路上的烤羊肉串啦…。我看着这些怎么就觉得好笑,无知到极点了。
虽然我身处国外,但我的亲人、朋友正在“享受”着雾霾的煎熬,我实在是看不下去了,要一吐胸中的郁闷。雾霾已经危及了每一个人的生命,连央视频道都呼吁了“这严重的雾霾天气到底有没有人管了?”,可是大家怎么就这么沉着稳重,连组织到环保局门口抗议一下的精神都没有了。不知现在的民众是麻木到了如此境地,还是根本就对政府不报希望。反正总的感觉就是全社会都沉浸了“中国梦”中不想醒来。中国的雾霾,已经严重到连拍到一张清晰的照片都已经是奢侈了。
就国内的雾霾成因和对策,我和德国的很多友人,包括教授或者普通老百姓经常聊及。他们对此事的认识几乎是惊人的一致,罪魁祸首是“煤”。德国在1960年代的时候,也经历了严重的雾霾袭扰,莱茵河和国内现在的许多河流一样严重污染。他们走过了和我们一模一样的道路,我开玩笑地说,中国政府应该请你们去当顾问去治理雾霾了。
结合很多朋友的观点及我个人的分析,关于雾霾的成因从重要到次要总结如下。
1) 煤:我认为煤是当今中国雾霾的罪魁祸首。那么什么地方用煤呢?首先是发电。随着我国人民生活水平提高及生产需要,电能消耗越来越大。那么我们的电从哪里来?依我个人的信息总结(可能不准,请电力专家指正),我国电力能源结构60%以上依靠火电,即烧煤;水电只占25%左右,核电5%,其它清洁能源如风电等总和低于10%。也就是说,我们用的电,大部分是依靠烧煤来获得的。其次,如炼钢、水泥厂、城市供暖等高能耗行业也都是依靠煤。我想我国以石油或者天然气做主要能源材料来发电、来取暖,还是微乎其微吧。而德国人认识到燃煤的高污染以后,今天已经几乎没有地方再用煤了,都改用天然气作为主要能源。
2) 城市建设:刚刚读到江亿院士的呼吁,中国应该严格控制建筑面积总量。这一点很重要。另外一个很重要的因素就是我们的城市规划模式。方圆几百平方公里,连成一片的城市,上千万人口居住其中,这样的城市想不雾霾也难。大家知道,人类的任何活动,都是消耗氧气排除二氧化碳的过程。排除颗粒物雾霾不说,就连产生的二氧化碳在这样的城市结构中都不知道该往哪里去扩散,更何况雾霾颗粒物呢?大家可能去过很多欧洲的小镇或者乡村。在德国,一个城市方圆几十平方公里都是大城市了。如果开车,常常是一个城市,顶多走个三五公里,十来公里就开到了满眼是农田的乡村,再开十来公里就又是一片小镇或者城市。而且,除了几个大城市外(如慕尼黑、法兰克福、汉堡等),其它大部分城市,看到10层以上的高楼寥寥无几。这样的结构,给我们的城市提供了呼吸的“肺”,同时也没有了拥堵等交通问题。我想,德国的人均面积应该不比中国大,人均汽车占有率更应不比中国小,但是这里没有雾霾和令人恐怖的北京拥堵。因此,我认为,我们的城市规划理念上,过去的十几年,发生了严重的路线错误。现在纠正虽有些晚,但是在接下来的城镇化建设中,希望能够汲取一些教训。
3) 其次才是汽车尾气。这一点,可能确实我们国家的油品品质需要大大改善了。
4) 政府官员、专家经常挂在嘴边的建筑工地扬尘啦(这些扬尘都不可能是2.5微米的尺寸,远远大于此),烤羊肉串啦,我个人认为这都是胡扯,贡献微乎其微。
说了这么多原因,那么对策呢?
1) 燃煤:我敢肯定地说,如果北京、河北连着停上3天电,将炼钢厂、水泥厂停产,保证全部的雾霾都散去。当然,这严重影响了百姓生活,不可能执行。但是可以减量啊。比如降低电厂的发电量,降低钢厂、水泥厂的产量等等。不要再急速追求你的GDP。同样呢,老百姓都养成节约习惯,降低能耗。因此,针对燃煤这一块,从长远来讲,政府应该下大力气改变我国能源高度依赖煤的特点,而转向其他清洁能源,如天然气等;从短期来讲,在不可能快速减小燃煤消耗的情况下,政府应该强制性的要求电厂、钢厂、水泥厂的烟囱增加过滤装置,使其排放气体达到一定的标准。我觉得这是最快速见效的办法。应该也不难,就是不知道为何政府总是环顾左右而言它。
2) 城市结构:如上分析,当务之急就是在下一步的城镇化建设中,汲取教训,多建设小城镇,减小、减少大城市;在大城市中,兴建农田、果园、森林等可以给城市“呼吸”的“肺”。改变大城市人们的居住出行、就业习惯,减小每天的人流量或者人流动距离。
3) 对于汽车:严格控制城市汽车保有量,提高油品质及汽车尾气过滤技术。
4) 老百姓养成节约、降低每个人能耗的习惯。
5) 其它什么建筑工地、烧烤串等,适当控制就像,这些不是主要的。
如果仅仅能够做到我提到的第一条,我敢肯定雾霾将大大改善。为什么国家宁愿让百姓人人都戴上口罩,也不愿意给工厂烟囱戴上口罩?我们这样发展GDP,还有何用?
以上愚见,抛出供大家讨论。如有不妥,请指正。
本问题分为以下部分。
1、数据分析
首先咱们看看空气污染物的几大来源一一讨论:
- 机动车:尾气排放
- 燃煤发电:硫硝化物
- 工业:化工厂、钢厂
- 城市建设:扬尘
根据中国科学院大气物理研究所张仁健与国外研究人员合作在2013年在Atmospheric Chemistry and Physics上发表的论文《Chemical characterization and source apportionment of PM2.5 in Beijing》。针对2009-2010年不同季节在北京城区采集的PM2.5样品进行化学组分的分析,获取了北京四个季节PM2.5的29种元素、9种离子和8个组分有机碳无机碳等资料,研究了北京城区细颗粒物总体污染水平及季节变化特征。下面咱们来一个个看:
- 火力发电。第一幅图:2011年中国与欧盟发电结构对比。感谢雾霾是天气现象还是纯粹的污染?其成因是什么?若是纯粹的污染,为什么电视里反复暗示这个是天气?哎哟不错提供的数据图。
再据分析2010年欧洲风电装机统计---国家能源局 2010年,欧盟新增电力装机达到55400兆瓦,天然气发电装机达到28000兆瓦(51%),太阳能光伏发电12000兆瓦(21.7%)、风电9300兆瓦(16.8%)、煤电4056兆瓦(7.3%),生物质能发电573兆瓦(1%)、集光型太阳能405兆瓦(0.7%)、大型水电208兆瓦(0.4%)、泥煤发电200兆瓦(0.4%)、垃圾发电149兆瓦(0.3%)、核电145兆瓦(0.3%)。可见主要的区别是煤炭发电。第二幅图:中国煤炭消耗量和全球煤炭消耗量(不包括中国)的增幅
上图是美国能源情报署(EIA)公布,中国2011年的煤炭消费量达到34.5亿吨,接近全球总消费量的一半。世界煤炭协会2011年数据显示中国近80%的电厂依靠的是煤炭发电,而美国是40%。
第三幅图:2000 年-2010 年火电占我国装机总量的比例(单位:百分比)
上图可以看出至2010 年,火力发电占我国电力装机总量的比例长期稳定在70%以上。
第四幅图:2000 年-2010 年国内火电装机总量(单位:亿千瓦)
上图可以看出至2010 年,国内火电装机总量的复合增长率为11.79%,“以煤炭为主”的能源结构特点决定了火力发电占国内电力装机总量的比例长期保持较高水平。在我国煤电在中长期内仍会保持主力电源地位。
综上所述:尾气污染、火力发电、钢铁厂是目前北京雾霾的三大祸首。城市建设也有贡献。
参考文献:
Zhang, R., Jing, J., Tao, J., Hsu, S. C., Wang, G., Cao, J., Lee, C. S. L., Zhu, L., Chen, Z., Zhao, Y., and Shen, Z.: Chemical characterization and source apportionment of PM2.5 in Beijing: seasonal perspective, Atmos. Chem. Phys., 13, 7053–7074, 2013, doi:10.5194/acp-13-7053-2013.(IF=5.6)
湖南统计信息网
2014年2月74个城市空气质量状况报告--PM2.5监测网
2014年1月74个城市空气质量状况报告--PM2.5监测网
2013年全国主要城市空气质量状况--PM2.5监测网
我前年10月份去北京,西三环附近,感觉天空真蓝,比乌鲁木齐好多了。
让我原来认为天子脚下的人虽然收入高,福利好等的优势被空气差拉低档次的阿Q精神覆没了。
她认为防护林(其实防护林也有很多种,貌似她说的是三北防护林)。挡住了沙尘也挡住了风。
我只想说,所谓防风林,防风固沙林,是不会阻挡冷空气团的运动的,跟雾霾没关系。
防风林的作用在于减缓风对地表的剥蚀、降温、蒸发等作用。
对流层有两公里厚(应该是十几公里,两公里是对流层下层。这里记错了。顺便一提,地面摩擦,包括植被,影响的极限应该仅限于此层。),而树只能影响一百米一下的近地表。
只有在防风林中和防风林背风侧几百米的范围内的近地表有降低风速的作用。随后由于高空和两侧的补充,风速会恢复。更遑论三北防护林距北京
就像河底有一排小石子,只能让石子附近的水流流速降低,而不能阻挡河流。
真正阻挡河流需要大坝一样的存在,比如秦岭、祁连山、青藏高原。
这几位朋友的交流基本上是一个意思
哦
另外我想要补充一下气候方面的。关于雾霾的发生。不仅仅是因为有污染源,与气候和地理条件也是有很大关系的。环保专业环境化学课程都会提到伦敦雾霾和洛杉矶雾霾事件的发生原因,不仅仅是因为有污染源的存在,另外一个比较重要的原因是在大气流动较差的稳定气候或地理因素的条件下。污染物不能及时扩散,导致了污染物累积效应的产生。
1月份的时候那个气象条件很明显。冬转春开始回暖,大的气候条件是由北边来推动气流的南下的冷空气减弱。区域气候是城市热岛效应导致地面风由周边吹像城市。完完全全导致北京的空气成了一个黑箱,稳在那里不动。污染物也不动。累积形成雾霾。
现在9月份则是。北上的暖空气逐渐渐弱,南下的冷空气还没有形成,山西河北所属的这一气候带刚好又形成了气候稳定的特点,在北京的上空,大的气流南北等于几乎没有。空气又稳定在那里。然后这时候秋收的季节,南上北下的气流都带过来一些秸秆焚烧的污染,然后在北京上空相遇并停留在那里,这也是有可能的。并不完全是来自北京的污染。
所以,以北京现在的污染源状况(我认为城区里的主要空气污染还是交通拥堵产生的尾气),只要有稳定的气候条件,就一定会导致污染物累积效应开始发生。非常确定的一个原因就是,一旦有风雨气候条件,无论多大的霾,北京第二天就蓝天晴空万里。但是一旦又变到稳定的气候条件下,再蓝的天,不出三天就又灰霾了。
在管理污染源的问题上,如果政府能结合气候方面的变化就好了。比如说根据气象学家的预测,根据即将发生的稳定气候条件进行预测,这并不是什么难事,同时根据气象预测采取相应的限行措施
实际上每年这个时候,一定重污染
就是因为农村秋收完毕,开始烧秸秆
前两天雾霾没那么严重的时候,飞机回来,看见平原上全都是火点子,一平方公里可能有上百个
这比烧柴油褐煤可厉害多了
强烈要求农大啥的研究个办法,既能处理秸秆也能保持土壤肥力
北京雾霾天气形成原因很多的,至于为什么这么严重,那就说来话长了,结论在最后。
雾霾,是由水汽和粉尘混合而成的。雾我们把它称之为水汽,霾,被称为粉尘。当粉尘和水汽同时出现时(多数情况),就是我们通常所说的雾霾。
概括来说是由于大气中的空气污染物和气象方面的原因。那么从这两方面入手分析一下北京雾霾现象:
1.为什么雾霾通常见于秋冬季?(冬季能源消耗的影响后面会提到)
逆温现象:一般情况下,大气温度随着高度增加而下降,即是说在数千米以下,总是低层大气温度高,高层大气温度低,显得“头重脚轻”。这种大气层结构容易发生上下翻滚,即“对流”运动,可将近地面层的污染物向高空乃至远方输散,从而使城市空气污染程度减轻。对人体健康影响不大。可是在某些天气条件下,地面上空的大气结构会出现气温随高度增加而升高的反常现象,“头轻脚重”从而导致大气层结(层次结构)稳定,气象学家称之为“逆温”,发生逆温现象的大气层称为“逆温层”。
逆温现象的主要原因逆温现象的原因好几种,我主要讲述一下关于秋冬季逆温高发的原因:辐射逆温:对于冬季来说,主要是地面辐射冷却作用而导致近地面层气温迅速下降。当寒流袭击过后,地面受冷气团控制,天晴风小气温低,特别到了晚上,地面热量大量地向高空散发(辐射),使近地面气温迅速下降,而上层大气温度下降较慢,从而出现“逆温”(即温度随高度升高而升高)。
我们看下这张图,污染物和水汽由于逆温层的存在,对流不顺畅,导致污染物不能及时排至上空,而稳定富集。
逆温现象的危害:冬天里“逆温”现象时有发生,在“逆温”造成大雾茫茫或污染严重时,人们应减少晨练及室外活动时间,尽力避免“逆温”带来的危害。历史上也有因为逆温天气而造成的灾害。比如1952年12月5-8日发生的伦敦烟雾事件的罪魁祸首就是伦敦上空出现的异常的逆温层,它就像一个大锅盖一样,深深地盖着这座西方文化名城。它所造成的巨大灾难,也使伦敦烟雾事件成为20世纪十大环境公害事件之一。1952年12月5日~9日,英国发生了震惊全球的伦敦烟雾事件,整个城市笼罩在一片浓烟之中,酿成了10000多人死亡的“世纪悲剧”。1955年美国的洛杉矶发生了严重的光化学烟雾事件,当地65岁以上的老人近400人因污染造成心肺衰竭死亡……科学家发现,这些重大污染事件的发生,除因污染严重外,还与一个重要现象——逆温有关。
在对流层,一般情况下,大气温度表现为上冷下暖。但是,在有些时候、某些地区、在某种条件下会出现大气温度上暖下冷的反常现象,我们称之为“逆温”。此时,大气的对流运动大大减弱,并非常稳定,这样会使得一些大气污染严重的地区污染物不能扩散,而大量聚集在对流层底部,大大加剧了大气污染的程度,危及人们的健康。例如,美国洛杉矶20世纪以来空气污染日益严重的原因,就是由于其地形、气候、洋流等多种因素的影响,使得该地区每年有200多天会出现逆温现象,当地日益增多的汽车排放的尾气又难以扩散,造成了严重的污染事件。
2.大气中的空气污染物对雾霾的影响
改革开放以前,雾霾现象就远没有现在这么严重 。北京雾霾形成的原因是空气中污染物含量的升高,而这些污染物主要是可吸入颗粒物(PM10,包括 PM2.5)、二氧化硫以及二氧化氮等。
这些空气污染物含量的增加主要是人为因素引起的,这些因素包括经济因素和社会因素。中国自改革开放以来就过度追求经济的发展,并在经济发展目标上唯 GDP 至上,一味的追求 GDP 的快速增长,这就造成了投资结构的不合理,过度地依赖低端产业带动经济发展,忽略了科技的发展。在经济中,高耗能、高污染的产业快速发展,能源过度消耗,并且能源结构以化石燃料为主,造成了空气污染物(二氧化硫 、二氧化氮 、可吸入颗粒物等)含量的增加。
机动车因素
私家车的数量自1978数量持续上升,到 2013 年北京地区已将超过了 500万辆,机动车尾气排放量以及地面扬尘也随之增加 。
汽车尾气污染物包括主要有 CO, NO 、NO2, SO2, HC, 颗粒物和臭氧等。
人口因素
北京,相比其他城市拥有更多的就业机会,医疗资源和教育资源,导致北京人口大规模的增加,到 2013 年北京市常住人口已经达到 2 114.8 万人,人口的快速增加,不仅导致对能源等的消费的增加,能源消耗产生的污染物主要有颗粒物、不完全燃烧产生的CO,所含硫燃烧产生的SOx,以及空气中氮气和氧气在高温燃烧中反应,产生的NOx, 从能源消费结构看,北京雾霾天气的大气污染物主要来源于燃煤废气排放、油品燃烧废气排放、天然气燃烧排放等途径。
同时使得房屋价格迅速攀升,许多人不得不居住在较远的郊区,造成人们对交通运输的过度依赖,增加了污染物的排放;随着城市规模的扩大,建筑面积和建筑高度不断增加,对空气流动起了阻碍作用,更加不利于空气污染物的扩散,加重了北京的雾霾现象。
3.污染物排放分析:
燃煤废气排放:
燃煤导致的PM2.5主要有三个方面,一是煤燃烧所形成的烟气中含有细颗粒物,二是烟气中SOX、NOX经光化学作用形成的二次硫酸盐和硝酸盐,三是煤本身含有的挥发性有机物不完全燃烧进入到空气中。
2012年,北京、天津和河北煤炭消费量分别为2 365万吨、4 000万吨、2.7亿吨,三地合计3.34亿吨。煤的含硫量一般为1%~3%,工业锅炉每燃烧1吨标准煤,会产生SOx 8.5千克、NOx 7.4千克,小锅炉和分散使用其排放更高。以此计算,京津冀三地每年燃煤排放SOx高达284万吨,排放NOx达47万吨,其二次反应产生的硫酸盐、硝酸盐也是大气污染物中对人体伤害最大的成分。
京津冀地区煤的使用主要集中在三个方面。一是钢铁生产。2011年京津冀地区钢材年产量在2.47亿吨(见表1),按1吨钢耗煤650千克计,钢铁生产年耗煤大约在1.6亿吨。二是火力发电和热电供应。按每千瓦时电力耗煤300克计,京津冀地区火电装机容量2011年为5513万千瓦,估计年耗煤1.28亿吨。三是水泥生产。按1吨水泥耗煤100千克计,京津冀地区水泥产量1.64亿吨,年耗煤在.16亿吨。以上三项合计耗煤约为3亿吨,占京津冀地区总耗煤量(3.34亿吨)的90%。钢铁、火电和水泥三项每年在京津冀地区产生的SO x为255万吨、NOx为222万吨。
油品燃烧废气排放
从京、津、冀三地主要炼油和乙烯装置分布看,包括燕山、天津、大港、华北石化公司在内的总炼油能力达3 850万吨/年。2005-2010年京津冀三地汽油、柴油消费量分别见图1及图2。三地目前汽车保有量大约1500万辆(北京500余万辆,天津200余万辆,河北700余万辆),成品油年消费大约在2 000多万吨。目前北京实行京Ⅴ标准(相当于欧Ⅴ),天津2013年将实行国Ⅳ标准(相当于欧Ⅳ),河北实行国Ⅲ标准(相当于欧Ⅲ),即
使以硫含量最高的国Ⅲ标准计算,京津冀地区机动车所产生的SOx为6 000余吨,NOx
大约在20万吨左右,远小于煤炭燃烧所贡献的污染总量。一般而言,柴油车的PM2.5要高于汽油车,因内燃机燃烧方式不同,柴油车尾气中不完全燃烧的烃类有机物和细颗粒物高于汽油车;低于国Ⅰ排放标准的所谓“黄标车”尾气排放远高于达到国Ⅳ标准及以上汽车,一辆“黄标车”排放可相当于5~10辆达标车的排放;公共汽车排放可相当于50辆以上达标车的排放,而大型卡车则相当于上百辆以上达标车的排放。
天然气燃烧排放
2010年京津冀三地天然气消费量合计127.2亿立方米。若按热值计算,仅占能源总消费量的
5.41%,而煤炭消费量占83.87%,汽油消费量占4.22%,柴油占6.47%,可见天然气用量占比较
小。天然气不含硫,其燃烧不产生SOx,其NOx产生量也远小于煤炭燃烧。
其他排放
例如汽车喷漆等工业喷涂,有机物挥发进入大气中,可能形成气溶胶,成为雾霾污染物的来源。餐饮烟气、烧烤等也可能形成气溶胶来源,秸秆焚烧则直接产生大气污染。全市有1.5亿平方米的建筑工地,加上道路扬尘,所直接产生的PM2.5也不容小视。
综合来看,PM2.5的产生与能源利用密切相关,能源利用产生的PM2.5估计占PM2.5总量的80%左右,包括直接排放、二次反应产生的硫酸盐和硝酸盐、有机气溶胶等,其余为道路扬尘、建筑扬尘和秸秆焚烧等。
结论:由于经济高速发展,由于气候条件与大气污染物的积累和增加综合因素共同导致了北京雾霾天气的加剧严重。
由于本人知识学术水平有限,有错误、疏漏、不当的地方,欢迎指正。
参考文献:
1. 从能源消费结构分析北京雾霾天气成因及防治措施
2. 雾霾天气气象学定义及预防措施
3. 北京雾霾四大源头的治理措施探讨
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