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拨开迷雾看雾霾 焦超逸 安娜堡沙龙，Aug 30,2014 首先： 就像学计算机专业的不一定会修电脑， 学大气专业的也不一定能预报天气。 题纲 • • • • • • • 雾霾的基本概念：组成，来源 雾霾的形成因素：排放，气象场 历史上著名的雾霾污染事件 关于我国雾霾的分析 空气质量指数是什么 雾霾对健康的危害和一些对应办法 关于消除雾霾的一点看法 雾霾里都有啥？ • 雾是空气中的水汽凝结现象，是自然的天 气现象，和人为污染没有必然联系；霾是 排放到空气中的尘粒、烟粒或盐粒等气溶 胶的集合体，是大气污染所导致。 • 二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)以及可吸 入颗粒物(PM, Particulate matter)这三项是 霾主要组成。 • 气态的这两个先不说(相对比较简单)，先看 看颗粒物。 什么是PM？什么是PM2.5？ • 定义：环境空气中空气动力学等效直径小 于等于 2.5 微米的颗粒物。 • 2.5只是指直径，和成分无关，和毒性无关 • 还有另一个常用的叫PM10，定义就是等效 直径小于10微米的。 • 空气动力学等效直径？ 首先，这些颗粒物的形状非常不规律。 This image shows a magnified view of aerosol particles collected in the industrial city of Port Talbot, England. Photo credit: NASA 空气动力学等效直径？ • 空气动力学直径又称气体动力学当量直径。表 述粒子运动的一种“假想”粒度。斯托伯把它定 义为：单位密度（ρ0=1g/cm3）的球体，在静 止空气中作低雷诺数运动时，达到与实际粒子 相同的最终沉降速度时的直径。也就是将实际 的颗粒粒径换成具有相同空气动力学特性的等 效直径（或等当量直径），不论其形状，大小 和密度如何，如果它在空气中的沉降速度与一 种密度为1g/cm3的球型粒子的沉降速度一样时， 则这种球型粒子的直径即为该种粒子的空气动 力学直径。 颗粒物里有什么？ Dust Soot (Black Carbon) Smoke liquid droplet 这两个比较复杂，会参加化学反应 雾霾形成两大主因： 1 存在雾霾排放源 2 合适的气象条件 形成源有哪些(人为)？ 所有的燃烧活动 （机动车尾气、发电、冶金、 农业废料燃烧，等等） 细颗粒物源 (<2.5) 某些工业活动 矿石开采等 道路和施工工地扬尘 气体等在空气中的再次反应 生成气溶胶 粗颗粒物源 (2.5~10) 形成源有哪些(自然)？ • • • • • • • • 土壤扬尘 海盐 植物花粉 孢子 细菌 火山灰 森林大火 等等。。。 对的，这些都有可能是，但 是一般认为自然排放源的危 害不大（数量上和成分上） 1、 中国这PM2.5浓度。。。 2、 图中大概分析下人为污染源和自然污染源 几个典型排放源 • Soot: Black Carbon consists of pure carbon in several linked forms. It is formed through the incomplete combustion of fossil fuels, biofuel, and biomass. 老式柴油机 未经处理的 燃煤废气 二次有机气溶胶 • 过于复杂，略过。基本概念就是上面讲的很多物质都不是稳定 的，尤其在有阳光的情况下，会发生复杂的化学反应。 • 在模式中如果想模拟二次有机气溶胶，大概需要100~200+ 个 反应。。。 • 很多生成物也是有害的。。。 Upper Fig: Formation of Secondary Organic Aerosols Through Photooxidation of Isoprene Claeys et al., 2004 颗粒物的传输 从西风带这个角度讲，日本韩国提出的受中国污染物影响 不是没有道理，当然在定量上，还有很大分歧。不过可以 确定的是他们受到的影响肯定比我们小的多的多。 雾霾形成两大主因： 1 存在雾霾排放源 2 合适的气象条件 气象系统对雾霾的影响 • 如果气象场对污染物扩散有利，在排放源 不变的情况下，雾霾会减轻很多。 • • • • 有利于形成雾霾的气象场： 水平方向静风现象增多 垂直方向上出现逆温 缺少降水（雨雪） 水平方向静风现象增多 城市里大楼越建越高，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。 垂直方向上出现逆温 为什么说早晨的空气质量不一定好？ 逆温层导致夜间 污染物浓度上升 早高峰的尾气排 放信号 臭氧主要是光化学反应，比较特殊 缺少降水（雨雪） • 雾霾中的大部分成分是亲水性(hydrophilic) 的。即使是不亲水的dust, soot也会在空气 中被亲水基团coating，转化为亲水的。 • 比如拿soot (black carbon)来讲，大致正常 情况下空气中90%以上的都是亲水的。 • 所以说一场大雨或者大雪对于缓解污染很 有效。 历史上的雾霾 1930年，比利时发生马斯河谷烟雾事件。马斯河谷是比利时重要的 工业区，该地处于狭窄的盆地中。当年的12月1日至15日，马斯河 谷上空出现了很强的逆温层，在其持续作用下，马斯河谷工业区排 放的大量烟雾弥漫在河谷上空无法扩散，越积越厚。第3天开始，河 谷工业区有上千人发生呼吸道疾病，一周内就有60多人死亡。 1948年，美国的多诺拉出现类似事件。多诺拉是美国宾夕法尼亚州 山谷中的一个小镇，是硫酸厂、钢铁厂、炼锌厂的集中地。 历史上的雾霾 1952年，英国出现骇人听闻的“伦敦烟雾事件”。12月5日至8日， 伦敦上空维持逆温层，高压中心控制下一连数日无风，大雾笼罩 城市，燃煤排放的煤烟粉尘等污染物在无风状态下蓄积不散，呼 吸道疾病患者剧增。仅4天时间死亡人数就达4000多人，之后的 两个多月又有8000多人陆续丧生。 让我们回顾下去年的情况 我国能见度逐年下降，从上世纪60年代为近26公里，下降至近十年为平均22公里 左右。 2013年1月，在全国2400余个气象观测站中，能见度小于等于1000米、500米、 200米的站次数分别达到8233站次、5218站次和3374站次，分别为近7年平均值 的2.7倍、2.6倍和2.5倍。 第一批实施环境空气质量新标准的74个城市监测结果表明，1月份总体超标天数达 68.4%，其中严重污染占10.0%，重度污染20.2%，中度污染13.5%，轻度污染 24.7%；PM2.5的平均超标率为68.9%，月均浓度为130微克/立方米（表示每立方 米空气中可吸入颗粒物的含量，值越高代表空气污染越严重），最大日均值达766 微克/立方米。 2013雾霾原因分析 • 2013年我国出现多次大范围的雾霾天气过 程，是有利于雾霾产生的气象条件和由于 人类活动造成的不断增加的污染物排放共 同作用的结果。 • 接下来分析一下国家气象局的一个报告： 2013年1月我国中东部大部地区稳定类天气出现的频率较常年明 显偏多，其中华东地区为56.5%、华南57.3%、西南63.7%，而 华北地区高达64.5%，与2006年并列为近10年最高。加之南方暖 湿气流相对较强，上述地区近地面空气湿度大，因此出现大范围 持续雾霾天气。 冬季北方地区燃煤采暖、春秋季农村地区秸秆焚烧都会造成碳 气溶胶的浓度明显增加；春季，西部地区受沙尘天气影响，以 沙尘气溶胶为主。我国华北地区工业相对比较发达，排放的二 氧化硫较多。。。Terra卫星遥感数据反演得到全球PM2.5浓度 分布，结果表明全球大部分地区年均PM2.5浓度 <10微克/立方 米，而在我国中东部地区则达到60-90微克/立方米，部分地区甚 至 >100微克/立方米。。。近年来，由于煤炭消耗量和机动车数 量增长等因素，我国气溶胶浓度不断上升，1995年到2012年， 二氧化硫排放总量已由1.89×107t 增加到2.12×107t。 雾霾中污染物的加入显著改变了气溶胶浓度，可促进水汽凝结，形成 更多的云雾滴，水汽凝结时释放的潜热又有利于雾区的抬升和扩展； 另一方面，云雾滴和气溶胶的增加将更多的太阳辐射反射、散射回大 气中，使到达地面的辐射减少，地面气温下降，大气层结稳定度增加， 造成每日正常排放和转化的气溶胶粒子更易在近地层大气中集聚，能 见度进一步降低。由此可见，气溶胶的增多通过影响近地面层动力和 热力场，对雾霾的发展起正反馈作用。 人类活动产生的污染源排入大气中，其中二氧化硫、碳氢化合物、氮 氧化合物等一次气溶胶通过化学反应和气粒转化过程，形成硫酸盐、 硝酸盐和氯化物等新的比较稳定的颗粒，即二次气溶胶。大量观测数 据表明，大气中二次气溶胶对PM2.5浓度的贡献很大，大气污染物中 有近5成的颗粒物来自于二次反应。 接下来讲讲生活中会接触 的一些概念 空气质量指数 • 首先，这个不是简单地污染物浓度，各国的计算 方法也不完全一致。 • 对我国施行的标准，污染物浓度和单项污染物污 染指数不是线性关系，和最终的空气质量指数也 不是线性关系，和对健康的危害也不是线性关系。 • 如果这个指数处于对身体有害的区间的话，应该 减少户外运动。 中国的空气质量指数标准 中国的空气质量指数标准 美国的空气质量指数标准 雾霾对健康的危害 • 一般而言，小于10微米的颗粒物可以危害到上呼吸系统， 而小于2.5微米的颗粒物则更危险，可以通过呼吸渗入到 支气管，肺的深部和血液中，而其上面附着的很多化学物 质则可能对呼吸道和肺等器官造成伤害。 • SO2, NOx和O3等气态污染物对呼吸系统等也有很大危害。 雾霾对健康的危害 仅利用现有技术对Soot和CH4减排后的收益效果。 Shindell et al., 2012 雾霾天气该怎么办？ • 我觉得，空气净化器和口罩(注意下能过滤颗 粒物的直径)都是好选择。还有避免雾天锻炼。 可以选择中午阳光较充足、污染物较少的时候 短时间开窗换气等也是有根据的。 • 关于百度百科或者知乎上的其他的预防措施 （比如“补钙、补维D，多吃水果”。。。）， 其实我也不太懂。。。 • 其实这个研究医学或者public health的可能会 比较了解。。。 关于排放源和可再生能源 • • 中国煤炭工业协会统计数据显示，2013年全国煤炭产量完成37亿吨左右，煤炭 消费量36.1亿吨左右，煤炭产量增幅由前十年年均增加两亿多吨，降到5000万 吨左右，煤炭消费增幅也由前十年年均增长9%左右，下降到2.6%左右。 煤炭在一次能源生产结构中的比重接近80%. 关于排放源和可再生能源 1990到2011年间，美国煤电装机比重从36.9%下降到30.3%，油 电装机比重从7.6%下降到4.9%，核电比重从13.6%下降到9.6%； 与此同时，气电比重从4.6%大幅增加到39.3%，风电等非水可再 生能源装机比重从0.7%增加到5.1%。 我觉得风能，太阳能，水能，地热能等配合天然气（也许还得有 核能），同时如果智能电网+环保廉价的储能设备的技术成熟，那 么很多能源问题和与其相对应的环境问题是可以解决的。甚至现 在已有的某些技术已经足够成熟了。 一个关于可再生能源与核能的Ted，有兴趣的可以看下： http://www.ted.com/talks/debate_does_the_world_need_nuclear_energy?language= en#t-470796 总结 • 雾霾的成分：多且复杂，同时伴随着很多光化学 反应。其中气态污染物和直径小于2.5微米的颗粒 物对健康危害最大。 • 雾霾的形成：排放源和气象条件都要满足。 • 尽量减少在雾霾天气下的活动。 • 雾霾其实没有太好的防治办法，从数量级上讲， 改变能源消费结构才是根本。 Thanks!