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        疫情期間PM2.5下降,臭氧上升

        2020-05-21 11:19:39楊凱奇
        南方周末 2020-05-21
        關鍵詞:臭氧濃度氮氧化物臭氧

        南方周末記者 楊凱奇

        2020年4月,哈爾濱持續(xù)出現(xiàn)霧霾天氣,18日當天早晨,哈爾濱市氣象臺發(fā)布大霧黃色預警信號。??人民視覺

        大氣化學中經典的EKMA曲線顯示了NOx和VOCs對于臭氧生成的復雜關系。

        梁淑怡 ? 制圖

        ★如同東北的秸稈焚燒,疫情期間傳統(tǒng)排放活動并未像公眾想象的那樣“消失了”。

        “如果這種(氣象)條件發(fā)生在往年,沒有近幾年減排的努力,以及因疫情減少的污染排放,污染會更嚴重?!?/p>

        2020年2月12日,正是全國防控疫情最吃緊的關頭。北京的大馬路上空空蕩蕩,從中關村的IT企業(yè)到南鑼鼓巷的市井營生,都因防疫需要而暫停經營。也在這一天,北京的天空卻為霧霾所籠罩,當日PM2.5日均濃度高達207微克/立方米。

        許多人據(jù)此懷疑這些年的空氣污染防控措施并沒有對準“病灶”,反而影響了經濟和生活。一篇題為《請環(huán)保專家回答,大氣污染源到底是什么?》的網文流傳甚廣——疫情期間,人們宅在家里,企業(yè)不生產,車子不上路,工地不開工,似乎證明污染與這些活動無關。

        全社會級別的大幅減排,如同天造地設了一個實驗室來驗證這樣的問題:疫情期間的重污染過程是怎么來的?我們還應該堅持減排政策嗎?

        重污染仍然來自重工業(yè)

        “客觀地說,疫情期間全國空氣質量同比還是明顯改善的?!鄙鷳B(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院空氣質量模擬與系統(tǒng)分析中心主任薛文博告訴南方周末記者,觀測數(shù)據(jù)顯示,整個一季度,全國PM2.5濃度同比大概下降了15%左右,其中京津冀及周邊地區(qū)“2+26城市”、長三角、汾渭平原三個重點區(qū)域PM2.5濃度分別下降了16%、26%、19%左右。

        不同區(qū)域的改善幅度并不相同。珠三角、長三角改善較顯著,京津冀改善幅度稍弱,而東北地區(qū)改善有限。

        京津冀地區(qū)在疫情期間發(fā)生了兩次很典型的重污染過程,第一次為春節(jié)期間的1月22日-29日,污染集中于華北平原中南部,對北京影響不大。中國環(huán)境監(jiān)測總站大氣室主任唐桂剛曾解讀,此次污染過程的起因是煙花爆竹燃放,又疊加不利氣象條件。但與2019年元宵節(jié)同期相比,今年的污染程度其實相對減輕——區(qū)域PM2.5、PM10平均濃度分別下降34.9%和40.3%,北京市PM2.5峰值濃度同比降低38%。

        在東北,疫情期間減排也有效果,但不明顯。公眾環(huán)境研究中心創(chuàng)始人馬軍發(fā)現(xiàn),吉林、黑龍江一些地區(qū)PM2.5濃度一度達到極值,哈爾濱甚至在4月18日曾達2357微克/立方米,4倍于“爆表”水平(500微克/立方米)。

        哈爾濱霧霾天氣的一大原因是當?shù)剞r民焚燒秸稈。黑龍江近年來嚴禁冬春季秸稈焚燒,但屢禁不止,4月7日,燒起“春天里第一把火”的黑龍江寧安市被省政府約談。

        “我們跟爆表城市的市領導打電話了解情況,地方反映今年的雨雪比較多,加上疫情的影響,部分秸稈沒有離田,有點滯后。”2020年5月的生態(tài)環(huán)境部例行發(fā)布會上,生態(tài)環(huán)境部大氣環(huán)境司司長劉炳江介紹,東北三個省秸稈焚燒火點比2019年同期增加了八倍。

        如同東北的秸稈焚燒,疫情期間傳統(tǒng)排放活動并未像公眾想象的那樣“消失了”。薛文博分析,疫情期間下降最大的排放活動是機動車以及輕工業(yè),反映在污染物上,PM10和氮氧化物濃度有大幅下降。

        但在PM2.5濃度上,鋼鐵、焦化、玻璃等高污染高能耗的資源型行業(yè)相對發(fā)達的京津冀地區(qū)明顯高于長三角、珠三角,證明“疫情期間的污染仍然主要是重工業(yè)導致的”。

        生態(tài)環(huán)境部曾發(fā)布一篇對疫情期間空氣污染的解讀。中國工程院院士賀克斌在文中表示,資源型行業(yè)生產工序往往不可中斷,需要常年運轉。春節(jié)期間,全國鋼鐵產量較春節(jié)前小幅下降,但總體產量仍比2019年同期高0.6%。從污染物在線監(jiān)測數(shù)據(jù)看,正月初一到十五期間,火電和鋼鐵行業(yè)污染物排放量較節(jié)前下降約10%,焦化、石化、玻璃、有色等行業(yè)無明顯變化趨勢。

        公眾環(huán)境研究中心的“蔚藍地圖”App上,也能顯示出京津冀地區(qū)重點工業(yè)排放源在疫情期間的排放變化趨勢:2月重工業(yè)排放并沒有太多下降,反而是全國復工復產的3月有所下降。3月全球疫情蔓延,導致需求減少,工廠在2月的產品有了庫存壓力,生產步伐不得不放緩。

        通過疫情期間京津冀排放活動的觀察,“我們或許可以得出結論,機動車對于PM2.5的貢獻是遠遠小于工業(yè)源的?!瘪R軍表示。

        這種氣象條件發(fā)生在往年,污染會更嚴重

        《2019年北京市生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示,2019年,北京空氣質量達標天數(shù)為240天,空氣重污染天數(shù)為4天。

        薛文博記得,北京已經好幾年沒有發(fā)生過連續(xù)三天的重污染天氣。2月8日-13日的重污染天氣不僅持續(xù)了5天,且空氣質量指數(shù)(AQI)達到255,為嚴重污染。這令很多北京人想不通:排放已經如此之低,為什么還會有霧霾?

        薛文博將疫情期間兩次重污染天氣與2016-2017年跨年霾、2015年圣誕節(jié)前后的重污染過程做對比,發(fā)現(xiàn)疫情期間2月那次重污染過程的氣象條件是近年來最差的——當時,污染物順著南風堆積到北京的燕山山脈前,而西面有太行山脈阻擋,北面亦有氣流阻滯,造成污染物在京津冀及周邊地區(qū)北部聚集。

        對環(huán)境容量的一個經典比喻是,當一個房間的房頂降低、容積縮小,那么即便在房間里吸煙的人沒有變多,房間里的空氣也會變得更嗆。氣象條件就起到改變“屋頂高度”的作用,因而遇到很差的氣象條件,即便污染減少,也可能超過環(huán)境容量。

        “如果這種(氣象)條件發(fā)生在往年,沒有近幾年減排的努力,以及因疫情減少的污染排放,污染會更嚴重?!毖ξ牟┱f。

        他從中有了收獲——運用“底線思維”,把2020年一季度重污染天氣的氣象條件作為極端不利條件的標準,可以測算出北京要基本消除重污染天氣所需的最低環(huán)境容量,從而進一步推導出要削減多少排放量。

        此處的環(huán)境容量不僅僅對應北京本地,還要通盤考慮京津冀乃至“2+26”通道城市區(qū)域的環(huán)境容量——疫情期間,北京機動車排放大大減少,說明單純靠區(qū)域污染傳輸就足以造成北京的重污染天氣。

        經過推演,北京要在疫情期間已經大大削減的排放清單基礎上,再削減20%以上,才可以基本消除區(qū)域性的嚴重污染。而要完全消除重污染天氣,則要削減50%。

        “這個目標在各方面共同努力下基本可達,當然難度是很大的。現(xiàn)在末端治理的手段基本都使用了,要進一步減排達到發(fā)達國家水平,可能涉及產業(yè)結構升級,百姓也需要改變生活方式?!备鶕?jù)近幾年來的減排力度,薛文博提出,到2030年,爭取基本消除區(qū)域性的重污染天氣。

        臭氧上升,按下葫蘆浮起瓢

        另一個現(xiàn)象引起了科學家們的警惕。4月17日,在由中國清潔空氣政策伙伴關系(CCAPP)主辦,生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院承辦的“新冠肺炎疫情期間的空氣質量”線上學術沙龍上,南京大學大氣科學學院院長丁愛軍介紹,疫情期間隨著全國范圍內氮氧化物同比大幅度下降,臭氧等二次污染物濃度和比重反而有上升趨勢。

        復旦大學環(huán)境科學與工程系教授張宏亮也發(fā)現(xiàn),疫情期間,上海車流量減少、污染排放降低,某些時刻,區(qū)域臭氧反而有明顯升高的趨勢。薛文博也表示,全國許多大城市在疫情期間,都有臭氧濃度升高的現(xiàn)象。

        這種現(xiàn)象不只是發(fā)生在中國。印度首都新德里在疫情前是全球空氣質量最差的城市之一,張宏亮和印度合作者的研究顯示,新德里因疫情“封城”之后空氣質量大幅好轉,但有些地區(qū)臭氧取代了PM2.5,成為主要污染物。

        臭氧被稱為“在天是佛,下地成魔”。大氣中距離地面20-25公里的臭氧層能阻止紫外線,到地面上則成了有害物質。臭氧本身具有較強的氧化性,可加速人體衰老。它亦會刺激人的呼吸道,引發(fā)哮喘等疾病,并對人體神經產生影響,造成視力下降、記憶力衰退等問題。

        大部分臭氧是由人為排放的“NOx(氮氧化物)”和“VOCs(揮發(fā)性有機物)”,在高溫光照條件下二次轉化形成。NOx主要來自機動車、發(fā)電廠、燃煤鍋爐和水泥爐窯等排放,VOCs主要來自機動車、石化工業(yè)排放和有機溶劑的揮發(fā)等。

        疫情期間PM2.5濃度下降,臭氧濃度上升,其中的原理并不是學界的新發(fā)現(xiàn)。

        疫情期間,從NASA(美國國家航空航天局)公布的數(shù)據(jù)來看,中國二氧化氮濃度下降明顯。氮氧化物是主要的大氣污染物,能夠破壞呼吸系統(tǒng)。除了自己是“壞物質”之外,氮氧化物還對其他大氣過程產生重要影響。比如它能生成顆粒物中的硝酸鹽,還能參與到臭氧的生成過程中。

        “一般污染物排放量和大氣濃度中的關系是單調的,排放量降低,污染物的濃度就會降低。但是光化學產物,由于光化學反應的‘鏈式反應非線性的特點,其濃度會經常跟排放變化相反?!睆埡炅料蚰戏街苣┯浾呓榻B,“這個過程就像按下葫蘆浮起瓢?!?/p>

        如果把臭氧生成比做一團熊熊燃燒的火焰,NOx即是下面的干柴,VOCs即是促使火焰燃燒的燃料。

        VOCs可以產生OH自由基和HO2自由基,當?shù)趸锵鄬^量時,可以和大氣中的這些自由基反應,起到消耗自由基的作用,也就間接減少了臭氧的生成??梢咔槠陂g,大家守在家里,避免開車出門,空氣中的氮氧化物濃度下降過快,自由基就如掙脫了鎖鏈,濃度反而升高。這些自由基迫切需要找到其他污染物“小伙伴”發(fā)生反應,于是在光的作用下反而促進了臭氧、硝酸鹽、硫酸鹽等二次污染物的生成,部分抵消了排放降低的效果。

        大氣化學中經典的EKMA曲線顯示了NOx和VOCs對于臭氧生成的復雜關系。在NOx和VOCs分別為縱軸和橫軸的坐標圖上,臭氧等值曲線是一條條近似等高線的“L”型曲線,連接不同臭氧等值線的拐點可以形成一條“脊線”,在脊線上方,NOx相對VOCs過量,稱為VOCs控制區(qū)——臭氧防控以控制VOCs排放為主;在脊線下方,VOCs相對NOx過量,稱為NOx控制區(qū)——臭氧防控以控制NOx為主。

        例如在NOx控制區(qū),VOCs濃度保持不變,NOx濃度下降時,臭氧濃度反而上升。疫情讓這項經典理論在現(xiàn)實中呈現(xiàn)。

        因而要真正降低臭氧濃度,要協(xié)同減排NOx和VOCs這兩種污染物。NOx的排放較為集中,可以對機動車、工業(yè)源排放進行針對性的治理,但VOCs排放則很多處于開放環(huán)境,如裝修房屋、汽車噴漆,連城市里的植物也會排放大量VOCs,治理較難。此外,氮氧化物多產生于生產環(huán)節(jié),而VOCs排放則產生于生產、運輸、消費等各個環(huán)節(jié),治理難度大于氮氧化物。

        “我們國家現(xiàn)在這兩種污染物的排放量還是居高不下。通過這些年治理,(像工廠煙囪這樣的)高架源的氮氧化物治理有一定成效,但移動源和大量工業(yè)爐窯下降不顯著,而VOCs排放源多,治理基礎薄弱,成效不是很明顯,點多、分散,尚未得到有效控制?!眲⒈诎l(fā)布會上介紹,會積極推進VOCs和NOx協(xié)同減排,針對臭氧污染,2020年開展的VOCs攻堅行動文件即將下發(fā)。

        華南理工大學環(huán)境與能源學院教授袁自冰認為,需要重視構建VOCs組分清單。目前國家-省-市三級的高分辨率排放源清單的構建力度很大,但大部分清單只給出VOCs排放總量,未考慮不同VOCs組分在生成臭氧時的能力差異。

        薛文博認為,可以優(yōu)先在臭氧污染較重的重點區(qū)域、治理技術成熟的重點行業(yè)加大VOCs治理力度。隨著技術成熟、治理成本下降,就可以在其他地區(qū)、行業(yè)大范圍推廣。

        “一刀切”式的減排政策可能會事倍功半

        對公眾而言,目前還無需太過擔心減排導致臭氧濃度上升。張宏亮介紹,中國對PM2.5的標準參照世衛(wèi)組織過渡期目標一設立,較為寬松;而臭氧濃度標準則基本與國際接軌,較為嚴格。

        中國的空氣污染治理策略,一直隨著科學研究的進展而變化。1990年代后,酸雨問題進入公眾視野,政策開始關注控制煤炭消費。進入21世紀,以奧運會為契機,開始治理二氧化硫、氮氧化物、PM10。2011年后的霧霾,讓PM2.5這一罪魁禍首得到重視。

        隨著“大氣污染防治行動計劃”、打贏“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的推進,PM2.5的濃度已經逐年遞減,新冠肺炎疫情的空氣污染則提醒,一次污染物排放大幅降低之后,防控模式已經進入深水區(qū),要關注二次污染物。

        PM2.5來源復雜,有直接排放的一次PM2.5,如燃燒產生的黑碳;亦有二次反應生成,如前體物二氧化硫和氮氧化物轉化而成的硫酸鹽、硝酸鹽。以PM2.5為代表的復合型大氣污染好似并發(fā)癥,單單治理一種污染物,不一定會藥到病除,甚至會帶來副作用,使得一些污染物濃度上升。

        張宏亮指出,2011年后對PM2.5組分的研究中,科學家對二次無機組分的理解更充分,所以致力于減少SO2和NOx。但由于對二次有機氣溶膠組分理解不夠,所以沒有重視VOCs的減排,在顆粒物中有機組分占比逐漸上升的同時,也造成了目前臭氧濃度上升的情況。

        2019年,全國337個地級及以上城市臭氧濃度同比上升6.5%,以臭氧為首要污染物的超標天數(shù)占總超標天數(shù)的41.8%,導致全國優(yōu)良天數(shù)比率同比損失2.3個百分點。

        2019年,中國環(huán)境科學學會成立了臭氧污染控制專業(yè)委員會。在近期召開的多場學術會議上,賀克斌等學者紛紛指出,PM2.5和臭氧的協(xié)同控制已成為當下持續(xù)改善空氣質量的關鍵。

        袁自冰提醒,在以二次污染為主的深水區(qū)時,“一刀切”式的減排政策可能會事倍功半,甚至產生反效果。“受氣象條件和排放變化的影響,臭氧-前體物的非線性關系并不是一成不變的,而存在明顯的時空變化。在某一時段起作用的防控策略在另一時段可能會起到反效果?!?/p>

        如今,臭氧和PM2.5這兩種呈非線性關系的污染物的綜合控制被擺上臺面?!斑@對現(xiàn)有防控模式提出了很大挑戰(zhàn)。”張宏亮說。他建議可以按照季度,根據(jù)當季臭氧主要受哪種污染物控制,動態(tài)制定相應的減排方案。此外,每年或每幾年,隨著污染情況變化,方案也要及時更新。

        但動態(tài)控制意味著政策將時常調整,實施起來難度較大?!罢叩膭討B(tài)調整可能對(排污)企業(yè)生產和百姓生活產生影響??紤]到可執(zhí)行性,不建議搞得太復雜了。”薛文博表示。

        袁自冰介紹,臭氧不只與前體物間存在非線性關系,在不同區(qū)域間也存在非線性關系。這意味著PM2.5和臭氧協(xié)同控制的未來,每個城市制定自身減排政策時,或許還要考慮“鄰居”的感受,“使某一地區(qū)臭氧降低的防控策略,可能會使其他地區(qū)(尤其是下風向)臭氧上升,因此需要處理區(qū)域一盤棋的觀念,避免單打獨斗,通過科學研究確定區(qū)域內各地區(qū)最佳防控策略,達到區(qū)域整體防控的效果?!?/p>

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