從區域能源消費探尋霧霾成因

趙 敏 黃東風 何斯征 佘孝云 姚燁彬

浙江省能源與核技術應用研究院

2013年我國中東部地區先后遭遇多次大范圍持續的霧霾天氣，其影響范圍、持續時間、霧霾強度歷史少見。全年霧霾平均日數29.9d，較常年同期偏多10.3d，達到1961年以來的峰值[1]。霧霾波及了全國25個省份、100余個大中型城市，安徽、湖南、湖北、浙江、江蘇等地霧霾天數均創下歷史紀錄。

我國大面積的霧霾天氣頻發與高強度的能源消費、超環境容量的污染物排放密切相關。我國中東部地區人口稠密，經濟持續高速，能源消費量大，單位面積污染排放強度高，形成了區域性的大氣污染局面。本文從能源消費和污染排放強度等指標入手，探討我國中東部地區的霧霾成因。

1 霧霾起因

霧和霾是秋冬季常見的兩種自然天氣現象。根據中國氣象局《地面氣象觀測規范》[2]的定義，霧是大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能見度小于1km的天氣現象，相對濕度接近100%，多出現在日出前。霾是大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10 km的空氣普遍混濁現象，氣團穩定、較干燥，一天中任何時候均可出現。霧和霾之間有很大的差別，霧是空氣中的水汽凝結現象，與人為的污染沒有必然聯系。霾是由于空氣中的煙塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等粒子的存在，使得大氣變得混濁，能見度惡化。空氣中懸浮的顆粒物（PM）是霾的核心物質，大氣中PM2.5濃度超標是霾的重要表征。許多研究已表明[3-7]，我國各地霧霾天氣明顯增多，這是人類社會經濟活動產生的人為影響因素和氣候變化帶來的氣候因素影響相結合的結果。其首要原因是污染物排放量過大，而化石能源消費是大氣污染物排放增多的主要來源，尤其是煤炭、汽車燃油等消費的持續增加，因此以化石能源為主導的能源消費是我國霧霾天氣頻發的根源。除了人為因素外，靜穩天氣也是霧霾天氣的誘因，當霧霾出現時，近地面大氣中往往存在著逆溫層,這樣的天氣不利于污染物的擴散和稀釋，易導致霧霾的發生。

2 能源消費

我國已經成為全球能源消費第一大國，以煤炭為主導的能源結構依然延續。2012年全國能源消費總量36.17億t標煤，約占全世界能源消費總量的21%，煤炭消費量35.3億t，占全國能源消費總量66.6%[8]，比2000年降低了2.6個百分點。我國煤炭主要用于發電和終端消費，隨著清潔能源需求的不斷提高、大氣環境污染治理力度的加大，煤炭用于發電的比重逐漸增加，2012年已經超過50%，這有利于煤炭燃燒廢氣排放的集中治理。同時煤炭用于終端消費的比重不斷降低，從2000年的35.5%降低到2012年24.7%，接近世界平均水平23.4%，但是仍高于發達國家平均水平11.8%[9]，這是我國能源資源稟賦所決定的。

2.1 能源消費強度

我國中東部是經濟發展的核心區域，占全國總面積的20.3%。2012年該區域的生產總值41.2億萬元，占全國國內生產總值的79.5%，能源消費量20.8億t標煤,占全國能源消費總量的63.4%。這意味著在全國20%的土地上消耗了近67%的能源總量，平均每日單位面積能源消費量達3.94t標煤/（d·k㎡），是全國平均值（1.26 t標煤/（d·k㎡））的3倍。其中，京津冀、長三角和珠三角的能源消費強度分別5.74 t、7.56 t和4.42 t標煤/（d·k㎡），是全國能源消費最為密集的地區。

2.2 煤炭消費強度

2012年我國中東部地區的煤炭消費總量26.3億t，占全國煤炭消費總量的60.3%，平均煤炭消費強度為3.69 t/（d·k㎡），如表1所列。京津冀及其周邊省份和長三角地區的煤炭消費強度分別4.9 t、6.5 t和6.21 t/（d·k㎡），高于中東部平均水平，這3個地區的煤炭消費量合計16.2億t，占全國總量的37%,是我國乃至中東部地區的煤炭消費密集區。其次，珠三角和中部地區的煤炭消費強度分別為2.67 t和2.58 t/（d·k㎡），也是煤炭消費較為密集的地區。

表1 我國中東部各地區的煤炭消費量及單位面積消費強度

2.3 燃油消費強度

2012年我國中東部地區汽柴油消費量1.9億t，占全國汽柴油消費總量的63.2%。其中，長三角地區汽柴油消費量4470萬t，占全國總量的14.9%，如表2所列。京津冀周邊省份和中部地區的汽柴油消費量均在3 350萬t上下，分別占全國總量的11.2%。京津冀和珠三角地區的汽柴油消費分別為2 403萬t和2 802萬t，占全國總量的8%和9.3%。從平均每日單位面積汽柴油消費強度來看，長三角地區最高，為580 kg/（d·k㎡），其后是珠三角和京津冀，分別為425 kg/（d·k㎡）和302 kg/（d·k㎡），京津冀周邊省份為291 kg/（d·k㎡）。

3 廢氣排放

3.1 排放強度

煤炭、汽柴油等燃燒后排放的廢氣是大氣環境污染和霧霾天氣的直接原因。根據中國環境統計年鑒[10]，2012年全國工業廢氣排放量635 519億m3，如表3所列。二氧化硫排放量2 117.6萬t，煙（粉）塵排放量1234.8萬t，氮氧化物排放量2 337.8萬t，其中河北、山東、山西等省的主要污染物排放量均位于全國的前列。

2012年我國中東部地區二氧化硫平均排放強度16.0 kg/（d·k㎡），煙（粉）塵平均排放強度9.3 kg/（d·k㎡），氮氧化物平均排放強度為19.9 kg/（d·k㎡）。

二氧化硫排放強度高于平均水平的省市有天津、河北、山西、山東、上海、江蘇、浙江以及河南，其中上海市和天津市的二氧化硫排放強分別為 98.6kg/（d·k㎡）和 51.6kg/（d·k㎡）,遠高于其它省市。

煙（粉）塵排放強度高于平均水平的省市有北京、天津、河北、山西、山東、上海、江蘇和河南，其中上海煙塵排放強度以37.7kg/（d·k㎡）而高居各省市之首。

氮氧化物排放強度高于平均水平的省市有北京、天津、河北、山西、山東、上海、江蘇、浙江和河南，其中上海和天津市的氮氧化物排放強度遠高于各省市水平，分別高達173.5 kg/（d·k㎡）和 76.8 kg/（d·k㎡）。

表2 我國中東部地區的汽柴油消費量及單位面積消費強度

表3 2012年我國中東部省市的大氣主要污染物排放強度

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上述數據表明， 我國中東部地區的大氣污染排放主要集中在京津冀、長三角和珠三角等地。從上海和天津排放強度值，可對城市大氣污染物排放窺見一斑，即大氣污染物排放的城市集聚性。

4 環境容量

眾所周知，地球是被厚厚的大氣層所包圍，靠近地面的一層為對流層。對流層的下層又稱為擾動層或摩擦層，其厚度一般是自地面到2 km高度，隨季節和晝夜更迭，會有所變化。通常對流層的氣度隨高度上升而降低，大約每升高1 000 m，溫度下降5～6℃，上方冷空氣下沉，下方熱空氣上升，形成空氣上下對流，有利于污染物的擴散和稀釋。當出現逆溫現象時，即氣溫隨高度的增加而升高，暖而輕的空氣位于冷而重的空氣上面，形成一種極其穩定的空氣層，稱為逆溫層，其高度為200～300 m或更高。由于逆溫層對空氣對流有強烈的抑制作用，不利于大氣污染物的擴散，極易促成霧霾天氣的形成。

霧霾形成是復雜的天氣過程，涉及氣溫、氣流、污染物排放以及各種化學反應等。為了簡化，暫且不考慮大氣中二次顆粒的形成過程，取大氣混合層高度在一般天氣條件下為2 000 km，在逆溫時為200 m，根據各地大氣污染物排放強度，估算不同條件下大氣中污染物濃度值。

在一般的天氣條件下，二氧化硫污染濃度，除了上海市 (51.9 μg/m3)和天津市 (26.5 μg/m3)低于國家標準規定的二級濃度限定值（60 μg/m3)[11]，其它省市均低于國家標準規定的一級濃度限定值（20 μg/m3）（如表4）。氮氧化物濃度，上海高達94 μg/m3，超過國家標準規定的濃度限定值（50 μg/m3），其它各省市為 3.9～ 41.3μg/m3，均低于國家標注規定的限定值（如表5）。類似地，煙（粉塵）污染濃度，除了上海市為37.7 μg/m3,各省市介于4.4～19.3 μg/m3之間，都低于國家標準規定的一級PM10濃度限定值（40 μg/m3）和二級PM2.5濃度限定值（35 μg/m3）。

當出現逆溫現象時，等量的污染物排放卻會引起空氣中污染物濃度大幅增加數倍。如果大氣混合高度為200 m時，各地空氣中的二氧化硫、煙塵和氮氧化物濃度可能增加10倍，出現嚴重超出國家標準限定值的現象,尤其是京津冀及其周邊、長三角、珠三角地區，空氣中二氧化硫濃度會高于國家標準規定的二級濃度限定值1.5～8.6倍，空氣中氮氧化物濃度高于國家標準規定的濃度限定值的1.7～7.8倍等。

從上述對比可以看出，霧霾天氣是大自然對污染物排放超出環境承載力的警示信號。在我國京津冀及其周邊、長三角和珠三角等地區，由于大量排放大氣污染物，當特定的天氣條件周而復始出現時，霧霾天氣就會不斷發生。此外，地理條件也可能對霧霾有影響作用，比如，上海市的各項指標數據均高于京津冀的，而霧霾天氣明顯少于京津冀地區，可能上海市位于沿海，污染物的擴散稀釋條件更好，不易累積。

表4 我國中東部各省市空氣中SO2濃度的估算

表5 我國中東部各省市空氣中NOx濃度的估算

5 結語

霧霾的頻繁出現是大自然對環境容量超載的警示信號。我國中東部地區僅占全國總面積的20.3%，2012年消耗了全國60%的煤炭和80%的汽柴油，二氧化硫和煙塵排放量分別為全國總量的54%，氮氧化物排放量占全國的60%。正是由于污染物的大量排放，當特定天氣條件周而復始地出現，霧霾污染的發生就在所難免。

以煤炭為主的能源消費方式是霧霾發生的根源，要從源頭上進行防治，必須加快能源結構的調整與優化，增加清潔能源的供應，大力開發利用可再生能源。高度重視節約能源，提高能源效率，用更少的能源消費支撐更多的產出。減少燃料燃燒后排放的廢氣污染物，重點控制煤炭燃燒過程的脫硫、脫硝和除塵，高度關注汽車排放和油品質量改進。

霧霾天氣的防治是一項龐大的系統工程，涉及區域發展、產業結構、能源消費、污染物排放治理等一系列重大問題，必須建立有效的聯動機制，協同行動，加大局地污染源的減排力度，減少污染物的區域輸運，各地區聯手共同應對大氣污染。

要建立應急機制，不斷完善氣象觀測系統，加強對霧霾天氣的預測預警，研究制定各種應急預案，及時控制大氣污染物的排放，最大限度地減緩霧霾天氣的影響。

[1] 張建忠,孫瑾等.霧霾天氣成因分析及應對思考[J].中國應急管理, 2014,(1):16-21.

[2] 中國氣象局. 地面氣象觀測規范[M]. 氣象出版社，北京，2003.11.

[3] 如海.霧霾警示中國必須改變能源消費結構[J]. 綠葉, 2013(3):49-55..

[4] 李振宇.從能源消費結構分析北京霧霾天氣成因及防治措施[J].當代石油石化, 2013, 222(6): 11-16.

[5] 王躍思,姚利等.京津冀大氣霾污染及控制策略思考[J].中國科學院院刊, 2013,28(3):353-363.

[6] 王偉光，鄭國光等.氣候變化綠皮書:應對氣候變化報告(2013)[M]. 社會科學文獻出版社,北京, 2013.11.

[7] 張小曳, 孫俊英等. 我國霧_霾成因及其治理的思考[J].科學通報, 2013,58(13):1178-1187.

[9] 國家統計局能源統計司.中國能源統計年鑒2013[M].中國統計出版社, 北京, 2013.12.

[9] International Energy Agency. 2014 Key world energy statistics[EBOL/]. http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/key-world-energystatistics-2014.html. 2014-10-15.

[10] 文兼武, 劉炳江. 中國環境統計年鑒[M]. 中國統計出版社，北京，2013.12.

[11] 國建環境保護部, 國家質量監督檢驗檢疫總局. 環境空氣質量標準(GB 3095-2012)[EB/OL]. http://kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqhjzlbz/201203/W020120410330232398521.pdf.20014-09-17.