河北治霾隨記(8)霾重不要賴鄰居

其中,關於河北省的大氣汙染對北京的影響有多大,是爭論得最激烈的。這個爭論涉及兩個問題:1)地區間的空氣汙染影響距離有多遠?2)地區間相互的空氣汙染影響有多大?
yabo2019vip      2017-2-14 9:11:46

自2013年中國開始全國性的大規模治理大氣汙染行動以來,有個問題一直在一些地方進行著激烈的討論,就是地區間大氣汙染的影響到底有多大?

  其中,關於河北省的大氣汙染對北京的影響有多大,是爭論得最激烈的。這個爭論涉及兩個問題:1)地區間的空氣汙染影響距離有多遠?2)地區間相互的空氣汙染影響有多大?

  對於第一個問題,可以如此回答:

  地區間的空氣汙染影響距離可以很遠很遠,可以達到幾百乃至幾千公裏。因為微小顆粒物可以在空中隨風飄蕩很長的時間。

  下麵回答第二個問題,地區間的空氣汙染影響有多大?要把這個問題用大眾理解的語言解釋清楚就不太容易了。下麵我試著解釋清楚。

  我們在前麵講過,大氣汙染物主要是化石能源燃燒排放的。排放的汙染物主要是顆粒物——特別是PM2.5(直徑小於2.5微米的顆粒物)、二氧化硫、氮氧化物和重金屬。如果在燃燒的物質中有氯元素,還會產生二惡英——所以垃圾焚燒廠要對煙氣進行去除二惡英的處理。這些汙染物都是要隨風飄蕩很長時間的,不會很快地降落。

  但PM2.5等大氣汙染物與放射性汙染與不同,像切爾諾貝利和福島核事故從反應堆排放到大氣中的帶有放射性塵埃的汙染氣體,即使被稀釋幾億倍甚至更多倍,還可能會超過安全警戒線的汙染水平(這也正是放射性汙染的可怕之處)。

  但是,即便一個地區大氣的PM2.5濃度達到“爆表”水平,但是稀釋20倍以後,空氣質量就是優了。所以一旦一個地區的汙染物在擴散過程中被稀釋,其對鄰近地區的影響就不是很大了。

  從汙染物擴散的條件看,有兩種擴散模式:

  第一種是高空擴散,即煙囪高達上百米甚至幾百米,或者將煙氣的溫度提高(甚至兩者兼備),這兩種辦法都使帶著汙染物的煙氣上升到很高的高度,隨著遠比低空風速高的高空風向很遠的地方擴散。這種排放可以把汙染物擴散得很遠。德國的魯爾工業區在上世紀六七十年代治霾時,就采取了這種方法,把汙染物甚至擴散到上千公裏遠的瑞典和挪威。

  第二種是低空擴散,最典型的就是機動車,把排放點附近接近地麵的空氣搞得很髒,特別是在沒有風的時候。

  從氣象條件來看,汙染物的擴散靠空氣流動,即風。空氣流動有兩個方向:

  一個是橫向的流動,就是我們所說的刮風,這個大家都比較熟悉。

  另一個是縱向的流動,這個很多人就不熟悉了。其原理是,地麵接受到太陽的輻射熱後,溫度升高,加熱了靠近地麵的空氣,於是這些靠近地麵的熱空氣就會上升,而高空的冷空氣就會下降來補充,這樣靠近地麵的熱空氣上升時,就把低空的汙染物帶到高空擴散了。

  所謂的“逆溫”天氣,就是在橫向風力很弱的情況下,同時由於大霧或者陰天造成地麵接受的輻射熱少或者高空中來了較暖和的空氣,使得靠近地麵的空氣的溫度比高空低,於是,接近地麵的空氣就不會形成向上的縱向流動,導致排放到低空中的汙染物不能隨風擴散,逐漸聚集在接近地麵的大氣中,而且隨著汙染物的不斷排放,大氣中汙染物的濃度越來越高,造成接近地麵的空氣的嚴重汙染。

  非常有意思的是,恰恰是在大氣嚴重汙染的天氣——空氣的橫向和縱向流動都很差的逆溫天氣,其他地區的汙染物從高空飄不下不來,從低空也刮不過來。

  因此,在重汙染的天氣,基本上都是本地區的汙染源汙染自己。而地區間汙染影響大的時候,反而是在本地汙染不太嚴重的時候,汙染物或者被風橫向刮過來,或者通過縱向的空氣交換,從天上落下來。但這時候,接近地麵的空氣質量一般都較好,說明這種外麵來的汙染物對空氣質量的影響並不大。

  因此,雖然一個地區的大氣質量會受鄰近地區汙染物的影響,但超越一定的距離,影響就不是很大了。而且,在重汙染天氣,除非特殊的情況,一般都是自己汙染自己。

  我們看一看實際的例子。首先我們看一看德國的例子。下麵是德國2014年PM2.5的年均濃度地圖。


1

  從圖上我們可以看到:右邊紅圈標注的這塊兒地區是德國首都柏林及周邊地區,可以看出在柏林西側,出了柏林市區對空氣的質量就沒有顯著的影響了,原因是柏林的上風向是西向。


  不過盡管東部是柏林的下風向,但向東出了柏林不到30公裏,也沒有顯著的影響了。北向和南向的影響範圍大了點兒,因為這裏是勃蘭登堡州的人口稠密區。盡管如此,向北向南出了柏林50公裏,也沒有顯著的影響了。

  左邊紅圈標注的那塊兒地區是魯爾工業區,可以看出,空氣質量雖然明顯比周邊差一些,但已經很不錯了,整個地區的PM2.5年均濃度低於20微克/立方米。從地圖上看,無論從各個方向,出了魯爾工業區不到30公裏,魯爾區的汙染物就沒有顯著的影響了。

  德國的案例告訴我們,空氣汙染,超過幾十公裏,影響就不是很大了。

  我們再看看中國的情況。我們就舉爭議最多的北京和河北的例子吧!

  先說具體的例子,第一個是2015年12月1日。這一天可能是自有大氣PM2.5濃度監測並向公眾公布數據以來北京市PM2.5濃度最高的一天,市區內能見距離隻有100米左右,我稱這一天北京的霾為“世紀大霾”。

  當天在北京的很多人至今仍對那一天恐怖的天空心有餘悸。在那一天,在北京市區的一些地方,人們甚至測量到大氣中PM2.5濃度超過了1000微克/立方米。

  當時公布的大氣中PM2.5的濃度如下麵的直方圖所示(數據來自於天氣通手機網站):


2

  顯然北京大氣中的PM2.5比鄰近地區高得多。


  再說一個時間很近的例子,2017年2月4日上午10點大氣中PM2.5的濃度(數據來自於天氣通手機網站):


3

  北京大氣中PM2.5的濃度比周邊所有的地區都明顯的高。


  我舉這兩個例子,不是想說明北京的汙染物排放量比河北大,因此北京汙染了河北。

  我的觀點是,在嚴重霧霾天,大氣的汙染源主要來自於本地。而霧霾的嚴重程度,是本地的汙染物排放量和氣象條件的綜合作用所致。

  我們再看一看PM2.5年均濃度的變化趨勢。

  北京四周被河北省的四個城市包圍。


4

  我們就看一看北京與周邊河北四個城市的PM2.5年均濃度(微克/立方米)在近年來的變化趨勢:



5

  我們可以看到,2013年,四個城市的PM2.5年均濃度的平均值不僅一直低於北京,而且差距越拉越大:2013年,四個城市的PM2.5年均濃度比北京低6微克/立方米;到了2016年,這個差距拉大為16微克/立方米。顯然,北京的空氣質量改善速度低於周邊城市的平均水平。


  其中,張家口是北京的主風向,即北京的上風向。張家口的空氣質量是四個城市中最好的,PM2.5年均濃度從來沒有達到北京的一半。因為張家口是北京的主風向,所以,一刮西北風或者北風,北京的空氣就好。從這個意義上說,是河北給北京供應了清潔的空氣。

  承德是北京的次要風向,其空氣質量也明顯優於北京,PM2.5年均濃度從來沒有達到北京的三分之二,也給北京的空氣質量做了正貢獻。

  廊坊是在南部地區對北京空氣質量影響最大的地區。不過由於主風向是北風或者西北風,所以在大多數情況下,是北京的空氣向廊坊流動,即河北省張家口的比較清潔的空氣,經北京市汙染後,流向廊坊。

  當然,在少數的情況下,會刮南風,於是有些北京人以此為據,說是廊坊汙染了北京。當年,在前幾年,廊坊市的空氣質量比北京差,這麼說多少還有點兒道理。

  但是廊坊市的空氣質量這幾年改善的速度比北京快,2013年廊坊的PM2.5年均濃度還比北京高14微克/立方米;到了2015年,廊坊的PM2.5年均濃度僅比北京高5微克/立方米;2016年廊坊的PM2.5年均濃度居然比北京還要低8微克/立方米。

  說一個PM2.5年均濃度低的地區汙染了PM2.5年均濃度比它還高的地區,聽起來多少有點兒滑稽。

  北京周邊河北四市中的保定,在平原地區與北京接壤的邊界很短,而山區部分對北京的影響基本是正貢獻,因此保定的大氣質量在四個城市中對北京的影響最小。

  總結一下:

  除了靜風的天氣(此時主要是各個地區自己汙染自己),北京大部分時間接收河北張家口地區的清潔空氣,而後加點兒汙染物送給廊坊,這時沒人說什麼;

  一小部分時間則接收了廊坊來的質量比張家口來的質量要差的空氣,而後再加上點兒汙染物送給張家口,但這時有人說,河北汙染了北京。

  反過來,我們再看一看所謂“河北汙染北京”的最大“嫌疑者”——廊坊市的情況。

  下圖是廊坊市與周邊的北京、天津及河北其他兩個城市的PM2.5年均濃度比較(微克/立方米):


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  顯然廊坊的周邊環境比北京差多了。


  2013年,廊坊市周邊四市的PM2.5年均濃度的平均值是102微克/立方米,而北京周邊四市的PM2.5年均濃度的平均值是84微克/立方米;2016年,廊坊市周邊四市的PM2.5年均濃度的平均值是76微克/立方米,而且四個城市都比廊坊要高,而北京周邊四市2016年PM2.5年均濃度的平均值隻有57微克/立方米。

  特別是,廊坊的主風向是北京,而北京是現在年平均空氣質量比廊坊還要差的地區。盡管如此,雖然以前廊坊的空氣質量一直都比北京差,但這個差距一直在縮小。2016年廊坊的PM2.5年均濃度的平均值居然不僅比北京還低,而且比周邊四個城市都要低。

  綜上所述,無論是德國的案例,還是河北廊坊的案例,都說明:霾重,賴不了鄰居!

  前不久,在互聯網上流行一段視頻,霾如何從南部入侵北京。我毫不懷疑這段視頻的真實性。

  清華大學的何繼江博士是個有心人,他記錄了那幾天(2016年12月29日至2017年1月1日)北京的空氣質量變化分時圖:


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  從圖上看,北京頭兩天的空氣質量變化得很有規律:


  每天早上PM2.5降到最低點,而後逐漸地上升,下午16點左右開始,迅速上升——這就是廣為傳播的那個視頻錄像上顯示北京南部髒空氣進京的時候,到晚上12點左右達到最高點,而後快速下降,早上8點左右又降到最低點。

  顯然,PM2.5以這麼快的速度上升或者下降肯定不是本地的汙染所為。

  我試著粗略地解釋這個現象吧:

  午夜,北京北麵清潔的山風下山,冷空氣重,於是下降到地麵附近並且擴散,於是地麵的空氣質量迅速改善;原來的髒空氣則被推向上並向南麵;由於山風量有限,所以,到了白天,進入到靜風天氣,汙染物排放到空氣中,所以空氣中的汙染物逐漸增加。

  由於空氣質量較好,所以大量的太陽光輻射到地麵上,地麵的溫度迅速提高;由於夜間的風力不足,沒有把北京的髒空氣推到更遠的地方去,而僅僅推到了北京南部不遠的地方。

  由於顆粒物的阻礙,北京南麵地區地麵附近空氣的溫度上升較慢;於是到了下午,北京地麵附近的空氣被加熱,上升到高空;北京南麵的空氣則較冷,補充到北京地麵空氣上升留下的空間,於是,大家就看到北京南麵的髒空氣進京了。

  可惜,大家隻看到了白天髒空氣從南麵進京,卻沒看見夜裏北麵的清潔空氣進京,把北京的髒空氣頂到了南麵。而下午從南麵進京的髒空氣,很大一部分就是夜間北京輸出去的。

  綜上所述,地區間的大氣汙染影響比起本地汙染的影響小得多。

  其實,一個地區的霾重賴鄰居,在很多情況下是這個地區想推卸自己治霾的責任。

  有一些地區,在治理大氣汙染措施上懶得動腦筋想辦法,不去解決汙染源,而是想方設法把汙染問題變成似乎誰也解決不了的難題:

  一賴周邊地區的輸入型汙染,我管不了周邊地區吧?二賴小汽車汙染,你禁不了小汽車吧?三賴風道受到高樓阻礙,你不能把那麼多的高樓都炸了吧?

  總之,把汙染的根源歸因於誰也解決不了的因素,就可以逃避自己的責任。這也算是所謂的“大智慧”吧?

  遺憾的是,不是在治霾上下工夫,而是怨天怨地怨鄰居,智慧再大,霾就一直在那裏!

  作者為中德可再生能源合作中心(中國可再生能源學會與德國能源署合辦)執行主任


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