疫情期间PM2.5下降,臭氧上升:“按下葫芦浮起瓢”的空气污染

作者:区域空气质量研究中心 发布时间: 2020-05-26 访问量:327

文章来源:南方周末记者 杨凯奇


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2020年4月,哈尔滨持续出现雾霾天气,18日当天早晨,哈尔滨市气象台发布大雾黄色预警信号(人民视觉 / 图)


2020年2月12日,正是全国防控疫情最吃紧的关头。北京的大马路上空空荡荡,从中关村的IT企业到南锣鼓巷的市井营生,都因防疫需要而暂停经营。也在这一天,北京的天空却为雾霾所笼罩,当日PM2.5日均浓度高达207微克/立方米。

许多人据此怀疑这些年的空气污染防控措施并没有对准“病灶”,反而影响了经济和生活。一篇题为《请环保专家回答,大气污染源到底是什么?》的网文流传甚广——疫情期间,人们宅在家里,企业不生产,车子不上路,工地不开工,似乎证明污染与这些活动无关。

全社会级别的大幅减排,如同天造地设了一个实验室来验证这样的问题:疫情期间的重污染过程是怎么来的?我们还应该坚持减排政策吗?

重污染仍然来自重工业

“客观地说,疫情期间全国空气质量同比还是明显改善的。”生态环境部环境规划院空气质量模拟与系统分析中心主任薛文博告诉南方周末记者,观测数据显示,整个一季度,全国PM2.5浓度同比大概下降了15%左右,其中京津冀及周边地区“2+26城市”、长三角、汾渭平原三个重点区域PM2.5浓度分别下降了16%、26%、19%左右。

不同区域的改善幅度并不相同。珠三角、长三角改善较显著,京津冀改善幅度稍弱,而东北地区改善有限。

京津冀地区在疫情期间发生了两次很典型的重污染过程,第一次为春节期间的1月22日-29日,污染集中于华北平原中南部,对北京影响不大。中国环境监测总站大气室主任唐桂刚曾解读,此次污染过程的起因是烟花爆竹燃放,又叠加不利气象条件。但与2019年元宵节同期相比,今年的污染程度其实相对减轻——区域PM2.5、PM10平均浓度分别下降34.9%和40.3%,北京市PM2.5峰值浓度同比降低38%。

在东北,疫情期间减排也有效果,但不明显。公众环境研究中心创始人马军发现,吉林、黑龙江一些地区PM2.5浓度一度达到极值,哈尔滨甚至在4月18日曾达2357微克/立方米,4倍于“爆表”水平(500微克/立方米)。

哈尔滨雾霾天气的一大原因是当地农民焚烧秸秆。黑龙江近年来严禁冬春季秸秆焚烧,但屡禁不止,4月7日,烧起“春天里第一把火” 的黑龙江宁安市被省政府约谈。

“我们跟爆表城市的市领导打电话了解情况,地方反映今年的雨雪比较多,加上疫情的影响,部分秸秆没有离田,有点滞后。”2020年5月的生态环境部例行发布会上,生态环境部大气环境司司长刘炳江介绍,东北三个省秸秆焚烧火点比2019年同期增加了八倍。

如同东北的秸秆焚烧,疫情期间传统排放活动并未像公众想象的那样“消失了”。薛文博分析,疫情期间下降最大的排放活动是机动车以及扬尘源,反映在污染物上,PM10和氮氧化物浓度有大幅下降。

但在PM2.5浓度上,钢铁、焦化、玻璃等高污染高能耗的资源型行业相对发达的京津冀地区明显高于长三角、珠三角,证明“疫情期间的污染仍然主要是重工业导致的”。

生态环境部曾发布一篇对疫情期间空气污染的解读。中国工程院院士贺克斌在文中表示,资源型行业生产工序往往不可中断,需要常年运转。春节期间,全国钢铁产量较春节前小幅下降,但总体产量仍比2019年同期高0.6%。从污染物在线监测数据看,正月初一到十五期间,火电和钢铁行业污染物排放量较节前下降约10%,焦化、石化、玻璃、有色等行业无明显变化趋势。

公众环境研究中心的“蔚蓝地图”App上,也能显示出京津冀地区重点工业排放源在疫情期间的排放变化趋势:2月重工业排放并没有太多下降,反而是全国复工复产的3月有所下降。3月全球疫情蔓延,导致需求减少,工厂在2月的产品有了库存压力,生产步伐不得不放缓。

通过疫情期间京津冀排放活动的观察,“我们或许可以得出结论,机动车对于PM2.5的贡献是远远小于工业源的。”马军表示。

这种气象条件发生在往年,污染会更严重

《2019年北京市生态环境状况公报》显示,2019年,北京空气质量达标天数为240天,空气重污染天数为4天。

薛文博记得,北京已经好几年没有发生过连续三天的重污染天气。2月8日开始的重污染过程不仅持续了3天,且空气质量指数(AQI)最高达到255,为重度污染。这令很多北京人想不通:排放已经如此之低,为什么还会有雾霾?

薛文博将疫情期间两次重污染天气与2016-2017年跨年霾、2015年圣诞节前后的重污染过程做对比,发现疫情期间2月那次重污染过程的气象条件是近年来最差的——当时,污染物顺着南风堆积到北京的燕山山脉前,而西面有太行山脉阻挡,北面亦有气流阻滞,造成污染物在京津冀及周边地区北部聚集。

对环境容量的一个经典比喻是,当一个房间的房顶降低、容积缩小,那么即便在房间里吸烟的人没有变多,房间里的空气也会变得更呛。气象条件就起到改变“屋顶高度”的作用,因而遇到很差的气象条件,即便污染减少,也可能超过环境容量。

“如果这种(气象)条件发生在往年,没有近几年减排的努力,以及因疫情减少的污染排放,污染会更严重。”薛文博说。

他从中有了收获——运用“底线思维”,把2020年一季度重污染天气的气象条件作为极端不利条件的标准,可以测算出北京要基本消除重污染天气所需的最低环境容量,从而进一步推导出要削减多少排放量。

此处的环境容量不仅仅对应北京本地,还要通盘考虑京津冀乃至“2+26”通道城市区域的环境容量——疫情期间,北京机动车排放大大减少,说明单纯靠区域污染传输就足以造成北京的重污染天气。

经过推演,北京要在疫情期间已经大大削减的排放清单基础上,再削减20%以上,才可以基本消除区域性的严重污染。而要完全消除重污染天气,则要削减50%。

“这个目标在各方面共同努力下基本可达,当然难度是很大的。现在末端治理的手段基本都使用了,要进一步减排达到发达国家水平,可能涉及产业结构升级,百姓也需要改变生活方式。”根据近几年来的减排力度,薛文博提出,到2030年,争取基本消除区域性的重污染天气。

臭氧上升,按下葫芦浮起瓢

另一个现象引起了科学家们的警惕。4月17日,在由中国清洁空气政策伙伴关系(CCAPP)主办,生态环境部环境规划院承办的“新冠肺炎疫情期间的空气质量”线上学术沙龙上,南京大学大气科学学院院长丁爱军介绍,疫情期间随着全国范围内氮氧化物同比大幅度下降,臭氧等二次污染物浓度和比重反而有上升趋势。

复旦大学环境科学与工程系教授张宏亮也发现,疫情期间,上海车流量减少、污染排放降低,某些时刻,区域臭氧反而有明显升高的趋势。薛文博也表示,全国许多大城市在疫情期间,都有臭氧浓度升高的现象。

这种现象不只是发生在中国。印度首都新德里在疫情前是全球空气质量最差的城市之一,张宏亮和印度合作者的研究显示,新德里因疫情“封城”之后空气质量大幅好转,但有些地区臭氧取代了PM2.5,成为主要污染物。

臭氧被称为“在天是佛,下地成魔”。大气中距离地面20-25公里的臭氧层能阻止紫外线,到地面上则成了有害物质。臭氧本身具有较强的氧化性,可加速人体衰老。它亦会刺激人的呼吸道,引发哮喘等疾病,并对人体神经产生影响,造成视力下降、记忆力衰退等问题。

大部分臭氧是由人为排放的“NOx(氮氧化物)”和“VOCs(挥发性有机物)”,在高温光照条件下二次转化形成。NOx主要来自机动车、发电厂、燃煤锅炉和水泥炉窑等排放,VOCs主要来自机动车、石化工业排放和有机溶剂的挥发等。

疫情期间PM2.5浓度下降,臭氧浓度上升,其中的原理并不是学界的新发现。

疫情期间,从NASA(美国国家航空航天局)公布的数据来看,中国二氧化氮浓度下降明显。氮氧化物是主要的大气污染物,能够破坏呼吸系统。除了自己是“坏物质”之外,氮氧化物还对其他大气过程产生重要影响。比如它能生成颗粒物中的硝酸盐,还能参与到臭氧的生成过程中。

“一般污染物排放量和大气浓度中的关系是单调的,排放量降低,污染物的浓度就会降低。但是光化学产物,由于光化学反应的‘链式反应’非线性的特点,其浓度会经常跟排放变化相反。”张宏亮向南方周末记者介绍,“这个过程就像按下葫芦浮起瓢。”

如果把臭氧生成比做一团熊熊燃烧的火焰,NOx即是下面的干柴,VOCs即是促使火焰燃烧的燃料。

VOCs可以产生OH自由基和HO_2自由基,当氮氧化物相对过量时,可以和大气中的这些自由基反应,起到消耗自由基的作用,也就间接减少了臭氧的生成。可疫情期间,大家守在家里,避免开车出门,空气中的氮氧化物浓度下降过快,自由基就如挣脱了锁链,浓度反而升高。这些自由基迫切需要找到其他污染物“小伙伴”发生反应,于是在光的作用下反而促进了臭氧、硝酸盐、硫酸盐等二次污染物的生成,部分抵消了排放降低的效果。

大气化学中经典的EKMA曲线显示了NOx和VOCs对于臭氧生成的复杂关系。在NOx和VOCs分别为纵轴和横轴的坐标图上,臭氧等值曲线是一条条近似等高线的“L”型曲线,连接不同臭氧等值线的拐点可以形成一条“脊线”,在脊线上方,NOx相对VOCs过量,称为VOCs控制区——臭氧防控以控制VOCs排放为主;在脊线下方,VOCs相对NOx过量,称为NOx控制区——臭氧防控以控制NOx为主。

例如在VOCs控制区,VOCs浓度保持不变,NOx浓度下降时,臭氧浓度反而上升。疫情让这项经典理论在现实中呈现。

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因而要真正降低臭氧浓度,要协同减排NOx和VOCs这两种污染物。NOx的排放较为集中,可以对机动车、工业源排放进行针对性的治理,但VOCs排放则很多处于开放环境,如装修房屋、汽车喷漆,连城市里的植物也会排放大量VOCs,治理较难。此外,氮氧化物多产生于生产环节,而VOCs排放则产生于生产、运输、消费等各个环节,治理难度大于氮氧化物。

“我们国家现在这两种污染物的排放量还是居高不下。通过这些年治理,(像工厂烟囱这样的)高架源的氮氧化物治理有一定成效,但移动源和大量工业炉窑下降不显著,而VOCs排放源多,治理基础薄弱,成效不是很明显,点多、分散,尚未得到有效控制。”刘炳江在发布会上介绍,会积极推进VOCs和NOx协同减排,针对臭氧污染,2020年开展的VOCs攻坚行动文件即将下发。

华南理工大学环境与能源学院教授袁自冰认为,需要重视构建VOCs组分清单。目前国家-省-市三级的高分辨率排放源清单的构建力度很大,但大部分清单只给出VOCs排放总量,未考虑不同VOCs组分在生成臭氧时的能力差异。

薛文博认为,可以优先在臭氧污染较重的重点区域、治理技术成熟的重点行业加大VOCs治理力度。随着技术成熟、治理成本下降,就可以在其他地区、行业大范围推广。

“一刀切”式的减排政策可能会事倍功半

对公众而言,目前还无需太过担心减排导致臭氧浓度上升。张宏亮介绍,中国对PM_2.5的标准参照世卫组织过渡期目标一设立,较为宽松;而臭氧浓度标准则基本与国际接轨,较为严格。

中国的空气污染治理策略,一直随着科学研究的进展而变化。1990年代后,酸雨问题进入公众视野,政策开始关注控制煤炭消费。进入21世纪,以奥运会为契机,开始治理二氧化硫、氮氧化物、PM10。2011年后的雾霾,让PM2.5这一罪魁祸首得到重视。

随着“大气污染防治行动计划”、打赢“蓝天保卫战”的推进,PM_2.5的浓度已经逐年递减,新冠肺炎疫情的空气污染则提醒,一次污染物排放大幅降低之后,防控模式已经进入深水区,要关注二次污染物。

PM2.5来源复杂,有直接排放的一次PM2.5,如燃烧产生的黑碳;亦有二次反应生成,如前体物二氧化硫和氮氧化物转化而成的硫酸盐、硝酸盐。以PM2.5为代表的复合型大气污染好似并发症,单单治理一种污染物,不一定会药到病除,甚至会带来副作用,使得一些污染物浓度上升。

张宏亮指出,2011年后对PM2.5组分的研究中,科学家对二次无机组分的理解更充分,所以致力于减少SO2和NOx。但由于对二次有机气溶胶组分理解不够,所以没有重视VOCs的减排,在颗粒物中有机组分占比逐渐上升的同时,也造成了目前臭氧浓度上升的情况。

2019年,全国337个地级及以上城市臭氧浓度同比上升6.5%,以臭氧为首要污染物的超标天数占总超标天数的41.8%,导致全国优良天数比率同比损失2.3个百分点。

2019年,中国环境科学学会成立了臭氧污染控制专业委员会。在近期召开的多场学术会议上,贺克斌等学者纷纷指出,PM2.5和臭氧的协同控制已成为当下持续改善空气质量的关键。

袁自冰提醒,在以二次污染为主的深水区时,“一刀切”式的减排政策可能会事倍功半,甚至产生反效果。“受气象条件和排放变化的影响,臭氧-前体物的非线性关系并不是一成不变的,而存在明显的时空变化。在某一时段起作用的防控策略在另一时段可能会起到反效果。”

如今,臭氧和PM2.5这两种呈非线性关系的污染物的综合控制被摆上台面。“这对现有防控模式提出了很大挑战。”张宏亮说。他建议可以按照季度,根据当季臭氧主要受哪种污染物控制,动态制定相应的减排方案。此外,每年或每几年,随着污染情况变化,方案也要及时更新。

但动态控制意味着政策将时常调整,实施起来难度较大。“政策的动态调整可能对(排污)企业生产和百姓生活产生影响。考虑到可执行性,不建议搞得太复杂了。”薛文博表示。

袁自冰介绍,臭氧不只与前体物间存在非线性关系,在不同区域间也存在非线性关系。这意味着PM2.5和臭氧协同控制的未来,每个城市制定自身减排政策时,或许还要考虑“邻居”的感受,“使某一地区臭氧降低的防控策略,可能会使其他地区(尤其是下风向)臭氧上升,因此需要树立区域一盘棋的观念,避免单打独斗,通过科学研究确定区域内各地区最佳防控策略,达到区域整体防控的效果。”