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【中国科学报】着眼大气环境污染难题 ——记中

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【中国科学报】着眼大气环境污染难题 ——记中

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。

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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

雪地观测

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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。

经过20余年的发展,中国科学院气溶胶化学与物理重点实验室于2014年经中国科学院正式批准成立。该室依托中国科学院地球环境研究所,实验室主任是研究员曹军骥,学术委员会主任是安芷生院士和David Pui教授。

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。

日前,实验室主任曹军骥向《中国科学报》记者表示,实验室瞄准当前国际全球变化研究中气溶胶气候环境影响等科学问题,以及国家面临的空气污染治理和大气灰霾控制技术等紧迫的科技需求,重点开展气溶胶关键物种及其气候、环境效应,先进的气溶胶技术及其应用,气溶胶数值模拟,以及PM2.5来源解析与污染控制等方面的工作,“目前来看,已经取得了一定的成效”。

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。

多年的PM2.5监测

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。

【中国科学报】着眼大气环境污染难题 ——记中科院气溶胶化学与物理重点实验室。2014年3月10日,中科院院长白春礼做客中央台时指出:“从上世纪90年代开始,我们科学院就开始进行大气粉尘和颗粒物污染方面的研究。在本世纪初,我们就开始PM2.5这方面的定位监测和研究工作,比如说我们在西安有一个地球环境研究所,拥有国内唯一的连续监测了十多年的PM2.5的质量及全组分的监测数据,为我国开展PM2.5的历史变化积累了非常重要的资料。”

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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。

而这项工作,目前主要是由曹军骥所负责的这个实验室来完成。

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

“目前,我们建立了不同类型黑碳分离测试方法和有机碳/元素碳稳定同位素源解析方法,为黑碳研究提供新的视角和思路,并应用到不同城市和区域的气溶胶来源分析。”曹军骥介绍,实验室还开发粉尘碳酸盐含量测试新技术,明确高含量碳酸盐的亚洲粉尘对全球降低CO2浓度的作用,定量获取了沙漠粉尘气溶胶硫酸盐的含量;论证了土壤来源的硫酸盐对长距离传输粉尘气溶胶中硫酸盐贡献的重要性,并建立了粉尘源谱(元素/离子/碳/同位素),丰富亚洲粉尘研究。

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。

“我们开展了全国14城市PM2.5冬夏两季的同步观测,获得PM2.5质量浓度和化学全组分的空间分布格局(迄今最全面的数据集),为国家开展PM2.5监测与防治提供背景数据。建立自2003年以来西安PM2.5日均质量浓度和各个物质组成的变化特征(国内唯一的长序列日均变化的连续曲线)。”曹军骥介绍,近年来,实验室为国家和地方提交近10份政府咨询报告,为PM2.5污染控制提供对策与建议。

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。

2014年,《自然》发表了由该实验室与瑞士保罗谢勒研究所共同署名的二次气溶胶对重灰霾事件中PM2.5浓度重要贡献的论文。在这个研究中,曹军骥等人以2013年1月发生的重霾污染事件为例,通过对北京、上海、广州和西安四个城市的同步观测,精确解析了重霾期间PM2.5各主要来源的定量贡献,在国际上首次发现我国重霾污染中二次有机气溶胶的定量贡献。这一新发现加深了对我国灰霾成因与来源的科学理解,将为未来制定控制政策和治理措施提高科学依据。该论文也是国内空气污染方面的成果首次在《自然》上以研究通讯的形式报道。

PM2.5的来源都有哪些?

同时,一线大城市应把机动车尾气污染控制放在突出位置。据介绍,机动车尾气排放的氮氧化物、挥发性有机物和一次PM2.5等污染物,对城市大气灰霾和光化学烟雾的形成有重要贡献。发达国家的治理经验表明,机动车尾气导致的光化学烟雾污染将是比灰霾污染更长期、更难治理的顽疾。应加快新车排放标准的提升,加强在用车辆的监控,实行尾气净化装置的定期更换,加快淘汰老旧机动车;发展公共交通,缓解城市交通拥堵;立法控制非道路机动车排放。控制机动车排放污染,可以非线性地为工业源排放创造空间,减少大气污染治理对国民经济的冲击。此外,排放分担率高的重型柴油车排放污染控制应该放在目前重中之重的位置。港口城市应加强船舶排放污染的控制。城郊乡村重点治理“小散乱污”企业,健全法规制度,加大执法力度,落实问责机制。

广泛的学术交流

金沙澳门官网4166,根据贺泓所在团队的研究结果,PM2.5来源包括直接排放和二次生成,即一次来源和二次来源。其中,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。

此外,加大我国北方秋冬季大气污染防治力度,大力防控农村和城乡结合部散煤和秸秆燃烧导致的季节性霾污染。冬季北方农村地区的采暖散煤燃烧严重影响空气质量,受地形影响在华北地区尤为明显。研究和示范表明采用新型清洁炉具能显著提高燃烧效率,降低污染物排放,在没有条件煤改气、煤改电的农村地区应加大力度推广应用。有条件的地方应大力提倡利用地热采暖。建议大力研发和推广秸秆综合利用技术,严控农业区特别是城郊区无序的秸秆焚烧。氨气排放对于污染物气粒转化及颗粒物吸湿增长致霾具有极大的促进作用,农业源氨气排放主要来自农业施肥和畜牧业,建议研究采取综合治理措施。

目前,该实验室的研究成果已经在《科学》《自然》《美国科学院院刊》等国际高水平杂志上发表气溶胶相关SCI论文约400篇,被引用率达到了10000余次,在国内外具有重要的学术影响。出版《PM2.5与环境》专著一部、译著《洛杉矶雾霾》一部,在国内外气溶胶学术界产生重要影响。其中,粉尘和碳相关成果还获得2012年度国家自然科学奖二等奖。

贺泓说,一些污染源比如汽油车,虽然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。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。

实现技术突破 加大低阶煤清洁高效梯级利用

“在具体的研究中,我们还广泛开展国内外实质性合作与交流。”曹军骥表示,实验室与美国沙漠研究所、明尼苏达大学等20余个国外及北京大学、西安交通大学等10余所国内高校和研究机构开展了实质性的合作研究。

贺泓还提到,目前,科技界对二次颗粒物生成的机制还有很多不清楚的地方。例如,氮氧化物和挥发性有机物发生光化学反应,除了产生二次有机气溶胶以外,还会产生臭氧和羟基自由基等氧化剂,氧化剂可以进一步氧化二氧化硫、氮氧化物和挥发性有机物,分别生成硫酸盐、硝酸盐和有机气溶胶,造成二次颗粒物爆发增长。

有效治霾离不开能源结构的优化升级,从长远来说,减少煤炭使用是一个不争的事实。我国的能源形势尤为严峻,石油、天然气资源匮乏,煤炭储量相对丰富,在我国能源结构中占比近70%,居主导地位。随着核能、风能和太阳能等新能源的发展,煤炭的比例会逐步下降,但在未来相当长的时间内其基础地位不会发生根本性改变。

曹军骥介绍,目前实验室已经形成了以年轻科技人员为主、具有合理梯队层次和学科结构的研究队伍,包括1名国家“千人计划”、2名基金委杰青、1名中组织青千、5名院百人计划等高水平人才组成的合理梯队,其中2名人员入选ISI全球高被引科学家名录,拥有开展气溶胶理化性质、实验室模拟、数值模拟及污染控制等系统研究的团队。有固定人员35人,平均年龄36岁,45岁以下青年科技人员占90%,35岁以下科技人员占60%。

农业、畜牧业等排放使华北地区形成氨超量的大气环境。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转变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中要低得多,相差1~2个数量级,但产生的细颗粒物却相当。

对此,中科院山西煤炭化学研究所所长王建国指出,占我国已探明煤炭储量55%以上的低阶煤煤化程度低,蕴藏其中的挥发分相当于1000亿吨的油气资源。但由于低阶煤水含量高,直接燃烧或气化效率低、且现有技术无法充分利用其资源价值,导致了煤炭资源的巨大浪费。为此,开展低阶煤的清洁高效梯级利用,意义十分重大。

目前,对于青年科技人员,实验室设立了“启动基金”和“前沿项目”等计划,重点支持35岁以下的青年人员,实验室鼓励年轻人申请获得这些计划资助,使他们很快转变角色,独当一面。

一个重要原因就是,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,促使灰霾爆发。“这些仅仅是对大气复合污染条件下导致环境容量下降的初步认识,类似这样二次颗粒物爆发增长致霾的机制还有很多认识不清楚的地方。”贺泓说。

据介绍,中科院2012年2月启动战略性先导科技专项“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”,依据低阶煤的组成与结构特征,形成低阶煤清洁高效梯级利用的整体解决方案和“热解-油气提质-半焦燃烧-发电”、“热解-气化-合成”和“热解-气化-费托合成-油品共处理”三条技术路线,经过近5年的努力,许多关键技术已具备示范或产业化的条件,部分技术已同企业建设示范,实现了预定目标,为推进产业化奠定了良好的基础。

2013年6月,在美国芝加哥市举行的国际空气与废物管理学会第106届年会上,曹军骥荣获“2013年国际空气与废物管理学会空气污染控制杰出成就奖”,他也是亚洲第一位获此殊荣的学者,体现了实验室的国际影响力。

不过有一点是贺泓可以确定的,即污染排放是雾霾形成的内因。

建设国际气溶胶研究中心

气象条件是外因:40年来京津冀风速减小37%

实验室目前有什么研究目标呢?“近期,我们瞄准大气污染控制等紧迫的科技需求,在环境大气PM2.5控制中,提出‘主动式’大型太阳能城市空气清洁系统,采用太阳能作初始能源,基于光催化、过滤、热流利用等新技术于一体,去除PM2.5粒子及其重要气态前体物,开辟适合我国国情的能源—环境结合的全新途径,并带动相关产业发展。”曹军骥说。

以低风速和逆温为特征的不利气象条件,是科学家眼中雾霾形成的外因。

展望未来,曹军骥表示,实验室未来的发展设想是,瞄准国家面临的空气污染治理和大气灰霾控制技术等紧迫科技需求,将气溶胶科学和理论与国家气候、环境外交及污染控制紧密结合,以当前国家战略发展需求为指导,综合野外观测、实验室测试分析、计算机模拟及气溶胶关键技术开发等多种手段,查明我国气溶胶化学及物理变化过程及其气候与环境效应,辨明气溶胶在区域与全球环境变化过程中的地位与作用,探索气溶胶污染控制、过滤、捕集等新技术及其工业应用,为国家气候谈判、环境外交提供科学支持,为区域与城市环境治理、PM2.5达标、灰霾污染控制等提供技术储备与示范。“希望通过10余年的努力,将该实验室建设成为国际气溶胶研究的著名研究中心。”曹军骥最后表示。

贺泓出示了一份气象资料统计,其中提到,近40年来京津冀年平均风速逐年减小,减小幅度达37%,尤其是对京津冀污染物扩散有利的北风频次和风速都显著下降。

(原载于《中国科学报》 2016-02-22 第6版 院所)

不仅如此,内因和外因之间也存在正反馈机制。

贺泓说,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,进一步加剧污染状况。

“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。”贺泓说。

通过分析英国伦敦烟雾事件、美国洛杉矶光化学烟雾事件、日本四日市哮喘事件,贺泓团队发现,这些地方的做法是采取严格立法和执法、污染控制技术升级、产业结构和能源结构调整等“组合拳”,经过20~40年的努力,使空气质量得以改善。

至于我国,面临的灰霾问题更加复杂,能源禀赋、地区差异等更加不利。仅以能源来看,王建国说,我国的石油、天然气资源匮乏,煤炭储量相对丰富,在能源结构中占比近70%,居主导地位。随着核能、风能和太阳能等新能源发展,煤炭的比例会逐步下降,但在未来相当长的时间内其基础地位不会发生根本性改变。

此外,近年来,机动车、工业、农业以及生活排放的强度显著增加,导致各种复合污染加剧。

贺泓说,全国空气质量总体在向好发展,但要从根本上解决灰霾污染,还涉及到产业结构调整、能源结构优化和普及控制技术与社会经济成本等诸多问题,势必需要经过一个长期的不断优化调整的阶段。

对此,中科院也开出一个治霾的药方:力争精准治霾。贺泓举了个例子,在二氧化硫和一次颗粒物排放总量已经开始下降的基础上,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。

(原载于《中国青年报》 2017-03-02 03版)

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