兩位朋友對大氣環境容量問題進行學術探討,這有利于搞清楚霧霾大爆發的根本原因。
從山東省氣象部門霧霾研究課題(并得到其它兩項相互獨立的研究印證)看,山東省全省平均,2013年比前面變化不大的十余年的霧和霾天數之和的平均數翻一番;2014年又翻一番,相當于2012年之前若干年平均的4倍,這相當于大氣環境容量至少縮減3/4(見圖)。
而2015年因為某種原因,霧霾天數連續兩年翻番式上升趨勢得到遏制,實現20%的下降,后面持續下降。2015年還沒有采取實質性的措施,任何單向變化的常規變量都無法解釋這種暴升和兩年后的快速下降。正是由于這種霧霾天數暴升又下降的突變,從大氣環境容量角度研究,應該很容易判斷是什么原因導致這種過山車似的變化,也應該能夠迅速和容易的找到霧霾大爆發的真正原因。各位也可以自己判斷一下,是什么能夠導致這種霧霾天數過山車似的變化。
圖:山東省歷年霧天數和霾天數之和,2013年之后是明顯的突變
老百姓的疑問是:藍天保衛戰的戰果不會只是PM2.5質量濃度指標,或者是治理酸雨的二氧化硫、氮氧化物、煙塵(可過濾顆粒物)等指標的數字上的下降吧?華北地區酸雨早就沒有了,霧霾雖然程度下降但還是依舊不輕;即使在空氣質量優良的日子,看遠處灰蒙蒙的情況更是普遍,難道還需要繼續用治理酸雨的措施,繼續治理霧霾嗎?
導致霧霾大爆發的是PM2.5粒數濃度(數濃度),這是可凝結顆粒物造成的,治理可凝結顆粒物才是對癥下藥。只是因為多年來若干非主要領域的鐵腕治霾,以及摟草打兔子式而并非對癥下藥(可凝結顆粒物)的高成本煙氣治理措施,季節性和臨時性錯峰生產等,使得PM2.5峰值和嚴重程度有所下降。當然,霧霾天數也一直在下降,就是太慢,即使在空氣質量優良的日子,看遠處灰蒙蒙的情況很普遍(北京除外,因為禁煤,北京的PM2.5相當于山東半島的煙臺和青島之間)。
藍天保衛戰目前的戰果是,PM2.5比2013年以及霧霾大爆發前下降50%,但霾天數和霧天數之和以及準霧霾天數仍大大高于霧霾大爆發之前。藍天保衛戰任重道遠,而并非相關部門孜孜以求的單一PM2.5質量濃度或治理酸雨的其他指標國際領先了,老百姓自然就能見到藍天了。因為沒有對癥下藥,霧霾治理就做不到快速、低成本、精準。這距離依法、科學和精準治霾的要求相去甚遠。
顯然,大氣環境容量的概念,主要還是紙上談兵。搞清楚霧霾怎么突然爆發的,對癥下藥,華北地區目前的大氣環境容量會迅速增加一倍以上;而不是要砍掉60%的工業,削足適履,適合環境容量大大縮減后的情況。朋友的疑問見下文。
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最近關于霧霾成因的爭議頗多。環境規劃院雷宇先生兩次通過微文對"環境容量"進行了科普,從"環境容量"角度,解釋了霧霾發生的原因:"環境容量"短時顯著下降的時候,會導致霧霾的發生;京津冀周邊區域污染物排放量超"環境容量"仍較多。
對雷宇先生的解釋必須予以點贊,理不辨不明。天氣不會說假話。二月份,北京是多次發生了較重的霧霾。雷宇先生給出一個概念性公式:"大氣環境容量降低+排放量并無大幅減少=重霧霾天氣"。
雷宇先生說,2月13日和2月15日的短期環境容量能夠相差超過30倍。對于如此怵目驚心的數值,筆者不由得想:環境容量降低的時候,是自然本底環境容量就這么低,還是有人為活動因素疊加后導致環境容量顯著降低?
如果人為活動因素影響不大,可以排除,再好不過;如果人為活動因素不能排除,我們是否就可以找到治霾的另外一條道路,減少人為活動因素對環境容量降低的影響。這樣,我們就可以說,減排之外,治霾還有別的道路可走。
一、短期環境容量下降時,是否有人為活動因素的影響呢?
雷宇先生提出,形成嚴重霧霾的不利氣象條件包括邊界層下降、靜風和濕度升高三個方面。這三個方面,自然本底因素不必多考慮。人為活動因素會不會產生影響呢?
在自然出現不利氣象條件的情況下,人為排放的水蒸氣和污染物,污染物包括水溶性離子(也包括可凝結顆粒物在內),會在更低的大氣邊界層內分布,難以有效擴散。大氣中的一次、二次細顆粒物吸濕長大,能在更低的大氣邊界層內分布,新排放的水蒸氣更多在大氣邊界層內分布,不能有效擴散,會明顯提高大氣邊界層內的相對濕度,促進新排放的污染物繼續發生二次復合反應,新生成細顆粒物。同時,霧霾天氣下,太陽輻照到地表的熱量下降,人們會有更多的能源需求,風光新能源不起多大作用,更多依靠化石能源。化石能源消耗會排放更多的水蒸氣和污染物,逆溫現象加劇和持續,大氣邊界層會更低,空氣密度變大,流動性變差,能夠維持較高的相對濕度、細顆粒物濃度,維持較快的二次復合過程。這樣,就形成一種正反饋機制,直至達到一種相對平衡。
人為排放的水蒸氣、水溶性離子等,應該能夠導致短期環境容量的顯著下降。
霧霾的擴散,需要等風,等較大的風,就是等到自然帶來的較大的"環境容量"。
因此,應當難以排除人為活動因素在環境容量降低方面的作用。如何衡量人為活動因素對"環境容量"的影響,這是以往討論環境容量時沒有考慮過的,需要專家們用自己的專業能力去分析說明。
2月26日,夏青老師在《記住北京2020春節霧霾》一文中,指出雷宇先生關于"環境容量"解釋存在的三點缺失,并給出了今后的研究方向。筆者由衷地對夏青老師的實事求是精神點贊!
二、對長期"環境容量"的分析,無法解釋常規污染物遠低于歷史峰值之后的霧霾暴發
雷宇先生在分析環境容量時提出,京津冀及周邊地區2019年度的PM2.5平均濃度為57微克/立方米,這一地區污染物排放強度還是太大,高于大氣環境容量60%以上。雷宇先生在《基于全國城市PM2.5達標約束的大氣環境容量模擬》一文中,模擬計算了31個省市區二氧化硫、二氧化氮、一次PM2.5及氨的最大允許排放量。
北京、天津、河北、河南、山東、山西6省市2017年(統計數據只顯示到2017年,之后的數據應當更低)的污染物合計排放量超環境容量情況為,二氧化硫超-13.5%;二氧化氮超56%;煙粉塵超74.5%。京津冀及周邊地區的二氧化氮、煙粉塵排放量仍超環境容量較多,污染物排放量存在結構性超標,需要細分污染物排放情況,進行精細治理。單從2017年度污染物排放量占環境容量看,雷宇先生的結論顯然成立。
而按照雷宇先生分析方法的邏輯,細顆粒物超環境容量較多的時候,應當發生在主要污染物排放峰值期間更合理。
全國2017年主要污染物排放量占峰值時期比例分別為,二氧化硫占2006年峰值時的35%;二氧化氮占2011峰值時的52%;煙粉塵占2000年峰值時的35%。
上述6省市2017年主要污染物排放量占峰值時期比例分別為,二氧化硫占峰值時的31.9%;二氧化氮占峰值時的52%;煙粉塵占峰值時(統計數6省市煙粉塵峰值多出現在2014年,2010年之前沒有數據,中國環境狀況公報公布的煙粉塵峰值出現在2000年,僅有全國數據)的37.4%。
霧霾最嚴重的2013年,上述6省市主要污染物排放量占峰值時期比例分別為,二氧化硫占峰值時的80.4%;二氧化氮占峰值時的91.8%;煙粉塵占峰值時的68.3%。
顯然,常規污染物排放量峰值多發生在2011年之前,常規污染物排放量和霧霾暴發間的相關性不太好。
我們的疑問是,在各項污染物排放量都已經顯著低于歷史峰值的情況下,為什么是2013年前后,在全國大范圍暴發霧霾。到現在,人們對霧霾氣象的觀感也沒有回復到從前。
或許,還有這種可能。2013年之前,細顆粒物濃度缺乏系統的監測數據,無法有效開展回顧性分析。污染物排放峰值時的細顆粒物濃度或許比2013年時還高很多(衛星數據推算的結果確是如此)。
三、能夠向大氣中大量排放的物質,對霧霾的影響都應當有效甄別
那么,是否也可以表明,除常規污染物之外,還有別的因素影響環境容量,雷宇先生在計算模型中尚未考慮。
化石能源的使用,是霧霾形成的最大來源,這是社會共識。化石能源使用中,向大氣排放的較大量的各種物質,都可能是影響環境容量的因素。
經煙囪向大氣中排放了包括常規污染物在內的多種物質,最為直觀,目前治理相對比較系統。而煙氣中除常規污染物外的其它成分中,水溶性離子(含可凝結顆粒物)、水蒸氣等對霧霾的影響還是有很大爭議,尚不能排除這些因素的影響。同樣的質量濃度下,水溶性離子的粒徑要遠小于煙粉塵粒徑值,即粒數濃度要高很多,水溶性離子的吸濕性能更強。
能夠進入大氣的排放物中,還有別的排放途徑,且容易忽略。如,氨法脫硝中過量噴氨比較普遍,過量噴氨導致的氨排放不僅是氨逃逸的問題,更有大量的氨氣以銨鹽的形式,經由粉煤灰、脫硫廢水等外排,并進入大氣中;冷卻塔除了排放水蒸氣(水蒸氣不帶鹽)外,冷卻塔還排放有風吹損失液態水,液態水攜帶循環水中的鹽。使用中水、海水的冷卻塔系統,循環水濃縮倍率高的冷卻塔系統,循環水的水溶性離子濃度非常高,風吹損失霧滴攜帶的水溶性離子排放量都非常高。這部分水量、鹽量的影響不應該忽視。
四、霧、霾、細顆粒濃度等概念的異同
關于霧霾的認識,仍然要說一下標準和前提。2月24日的《"霧霾"?等下,想想再說》一文中有很詳盡的解釋。氣象學上的霧日和霾日是根據能見度、相對濕度等多項氣象指標,并排除沙塵、雨、雪等氣象日之后確定的。而主管部門的依據只有一條,細顆粒物濃度。主管部門大多不談霧霾治理,強調細顆粒物濃度超標治理問題。
普通公眾對于霧霾的觀感認識,更多的是基于目視所見。2013年霧霾大規模暴發;經過多年治理,有了顯著改善,但是,依然時常發生,沒有恢復到2013年之前的觀感。周勇在"今日頭條——周勇說"中,給出了山東省多年的霧霾天象的統計數據,也支持公眾的這種認識;對霧日、霾日的判斷,是以氣象部門的分類標準為依據的。
氣象部門和環保部門對霧霾認識判斷的差異,也是公眾困惑的地方,普通公眾容易傻傻的分不清。究竟應該以哪個標準,來談"霧霾治理"呢?這個問題似乎不能和稀泥。
再次感謝雷宇先生對"環境容量"的解釋。就環境容量對霧霾的影響問題,希望大家能夠更深入討論下去,并從各種排入大氣的物質對霧霾影響角度,更好分析霧霾成因。
責任編輯: 中國能源網