能源清潔利用、節能減排與霧霾產生根源的關系分析

王 經 孫康杰

上海交通大學 工程熱物理研究所 上海市能源研究會

1 概況

近年來，上海霧霾天氣越來越嚴峻。2004年至2005年夏季，上海地區PM2.5的平均濃度只有89 μg/m3，2007年1月19日，上海的PM2.5達到512 μg/m3；2013年12月2日至12月14日，上海等多地空氣質量指數達到六級嚴重污染級別，2013年12月6日，上海遭遇歷史上最重度的霧霾污染，PM2.5濃度日平均值超過600 μg/m3，其中普陀區監測站數據高達726.0 μg/m3。究竟我們生活的城市里的空氣環境發生了怎樣的變化呢?又是哪些原因導致了這些變化?本文從源頭來探索這個問題。

眾所周知，霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統，水平能見度降低到1 000 m以內，人們就將懸浮在近地面空氣中的水汽凝結物的天氣現象稱為霧；霾是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等粒子組成的，如果水平能見度小于10 000 m時，人們將這種非水成物組成的氣溶膠系統造成的視程障礙稱為霾（Haze）。研究表明[1]，霧霾中的PM2.5（空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物）與能見度呈顯著負相關，被認為是造成霧霾天氣的“元兇”。

PM2.5由于具有粒徑小、可通過呼吸道直接進入人體支氣管甚至血液的特點，容易引發人的呼吸系統疾病、心血管系統疾病、血液系統疾病，如咽喉炎、肺氣腫、哮喘、鼻炎、支氣管炎等炎癥，還易吸附多環芳烴等有機成分和有毒重金屬，在進入人體后可能會造成更嚴重的健康危害[2]，長期處于這種環境還會誘發肺癌、心肌缺血及損傷；上海交通大學附屬仁濟醫院研究團隊對上海男性不育進行了長達10年的研究證實，環境日趨惡化還會影響男性的生殖能力；此外，霧霾天氣時由于空氣能見度較低，還易造成高速公路封閉、航班延誤或取消、高鐵受阻等等，給人們的生產、生活和出行造成諸多不便。

因此，認真解析上海常態污染下的PM2.5來源以及與溫度、濕度、風速等因素的關系，對研究上海霧霾天氣的主要成因，預防和減少霧霾天氣的發生至關重要。

2 PM2.5與溫度、濕度及不同污染源關系的監測與分析

2.1 調研方法及測試手段

為了探討不同的能源利用方式的排放物對大氣中PM2.5的影響，筆者（課題組）選取了6個典型的不同地點作為觀測點，自春末至夏初對六個觀測點進行連續測量，如圖1所示，六個觀測點分別為位于上海西南局部地區的建筑工地、高校、十字路口、居民小區、農田和工業企業。分別代表了可能的建筑生產排放源、普通生活環境、汽車尾氣排放源、居民生活排放源、農業生產環境和工業生產用能排放源。

數據采集時間為2014年4月下旬至2014年6月上旬，即傳統意義上的春末夏初季節。研究人員每天在11點-12點之間對上述6個采集點連續采集了PM2.5值、溫度和濕度，并取數學平均值作為當天的數據點。其中采集PM2.5所使用的儀器為清華同方PM2.5數據測量儀，使用之前通過廠家進行校準，儀器誤差小于3%，最小量程為1ug/m3,數據采用30秒連續記錄并取數學平均值。PM2.5測量儀器示意圖如圖2所示。

2.2 結果分析

（1） 樣本空間總覽

筆者（課題組）采集了40 d數據作為總體樣本空間，如圖3所示。在春末夏初40 d中，晴天天數占總天數的50%，陰天為30%，雨天為20%。說明春末夏初季節上海地區在沒有入梅之前降水相對較少。圖4為污染天數示意圖。如圖4所示，根據PM2.5國家現行標準，優等天氣占總樣本空間的5%；良好天氣占總樣本空間的半數以上；輕度污染、中度污染和重度污染分別占總測量天數的27.5%、7.5%和2.5%。特別注意的是，在此期間發生一天次的霧霾天氣，估測原因為周圍農田焚燒秸稈所致。

（2） 相關系數

圖1 觀測地點示意圖

圖2 PM2.5測量儀器示意圖

PM2.5來源比較復雜，大氣的溫度、濕度均對空氣中PM2.5的數值有顯著影響。因此有必要通過數學手段來探討PM2.5和溫度、濕度之間的數學關系，以獲得溫度、濕度對大氣PM2.5的定量的影響關系。本文在數據測量的基礎上，運用時間序列分析方法[3]，引入相關系數來說明溫度、濕度對大氣PM2.5的影響。

圖3 天氣狀態示意圖

圖4 污染天數示意圖

相關系數是描述兩個測量值變量之間的離散程度的指標。用于判斷兩個測量值變量的變化是否相關，即一個變量增大時，另一個變量相關聯增大(正相關)；或一個變量減小時另一個變量相關聯增大(負相關)；還是兩個變量中的值互不關聯(相關系數近似于零)。卡爾·皮爾森相關系數表達式為：

r>0表示正相關，r<0表示負相關，|r|表示了變量之間相關程度的高低。特殊地，r=1稱為完全正相關，r=-1稱為完全負相關，r=0稱為不相關。通常|r|大于0.8時，認為兩個變量有很強的線性相關性。

PM2.5和溫度濕度之間的皮爾森相關系數如表1所示，PM2.5與溫度和濕度均表現為負相關特性，說明隨著溫度的升高，空氣中的微小顆粒受浮升力的作用而高度上升，PM2.5隨之下降。當濕度增加時，污染物表面吸附水分，通過相互凝聚成較大顆粒發生沉降；當相對濕度變小時，污染物表面吸附力小，不易凝聚沉降。所得數據表明，PM2.5與溫度、濕度的相關性均呈現弱相關特性，即PM2.5并非單獨與溫度濕度有關。

表1 PM2.5與溫度和濕度之間的相關系數

（3） PM2.5與溫度、濕度之間的關系

不同溫度對PM2.5的影響。圖5所示，春末夏初上海的溫度在15-33℃之間，可以看出，隨著溫度的升高，PM2.5濃度逐漸減小，當溫度大于20℃時，PM2.5濃度達到一個相對穩定的階段。由此可以看出，溫度對PM2.5有一定影響，溫度越高，空氣中的微小顆粒受浮升力的影響向高層運動，所測高度PM2.5濃度下降。因此，上海大范圍的霧霾天氣常出現在氣溫相對較低的冬春季節。

圖6為PM2.5濃度與相對濕度之間的關系。它表明PM2.5濃度的峰值出現在相對濕度小于30%的時期，隨著濕度的增大，PM2.5濃度明顯減小，并在相對濕度大于50%時保持穩定，這是因為空氣中的微小顆粒被水分包裹從而引起下沉所致。

圖5 PM2.5與溫度之間的關系

圖6 PM2.5與濕度之間的關系

同時，PM2.5濃度與風速也有一定關系。2013年12 月，由于影響上海的強冷空氣活動偏少，地面風速小，大氣層結較為穩定，不利于污染物的擴散；同時由于西南暖濕氣流將豐沛的水汽送來，空氣濕度明顯增加，有利于霧的形成，上海出現了嚴重的霧霾天氣。

（4）PM2.5與排放源的關系

圖7 PM2.5與排放源的關系

PM2.5周平均濃度與不同檢測點排放源的關系示于圖7。隨著時間由春末進入夏初，上海氣溫逐漸升高，周平均PM2.5指數呈現整體下降趨勢，第五周周平均PM2.5指數由于霧霾天氣的發生突然升高，這是由于上海周圍地區焚燒秸稈所致。此外可以看出，十字路口的PM2.5濃度指數明顯高于其他測點排放源對PM2.5的影響。分析表明，十字路口是汽車來往密集地帶，汽車尾氣排出的硫化物、氮氧化物等微小顆粒對于PM2.5濃度有直接影響，因此控制汽車尾氣排放對于改善環境有明顯作用。鍋爐廠作為工業用能排放源的代表，其PM2.5指數也相對較高。而居民小區和建筑工地的PM2.5指數相對較低，這是因為上海屬于溫帶濕潤環境，其相對濕度相對較高，因此建筑塵和普通塵土由于水分包裹著微小顆粒從而導致沉降，PM2.5濃度相對較小。高校環境和農田由于存在大量的綠化帶，PM2.5的濃度最低。

通過以上監測和分析，可知PM2.5濃度與大氣濕度、溫度和風速及排放源密切相關，根據2014年4月上海市環境監測中心總工程師伏晴艷對上海大氣顆粒物源解析：“上海在常態源解析和重污染快速源識別兩個方面均取得進展。態源解析初步揭示PM2.5來源，得出空氣中PM2.5本地人為污染排放貢獻占八成，交通和工業是重頭。”這與本課題監測得出的結論基本一致。

統計資料[4、5]表明：上海地處沿海，大氣濕度、溫度和風速受季節變化和大氣環流影響較大，很難控制；同時，除了本地的各種排放源外，還有外地隨大氣環流輸送而來的各種排放物，在不利氣象條件下與本地排放物持續累積，互相疊加、共同作用的結果。這是造成上海霧霾的多方面主要因素。

3 公眾對上海霧霾認知情況調研與分析

3.1 公眾對上海霧霾認知情況調研分析

筆者（課題組）共發放調查問卷200份，通過問答題目統計普通民眾對霧霾天氣及PM2.5的認知程度。圖8為普通民眾對媒體公布的空氣質量報告的關注程度，2013年上海開始公布局部地區PM2.5濃度的數據值，但是統計數據表明大多數人只是偶爾花費時間關注空氣質量信息，10%的民眾根本不關心空氣質量信息。圖9為民眾對上?？諝赓|量的滿意程度，表明絕大多數民眾不滿意上海當前的空氣質量。

圖10是民眾對霧霾天氣與身體健康影響程度的認識。所有人都認為霧霾天氣對自己身體有影響，大部分人出現了胸悶、反胃、呼吸不暢反應，眼睛近視的民眾不能在霧霾天氣下佩戴隱形眼鏡，絕大多數人均認為霧霾天氣會影響自己的壽命。

圖8 空氣質量報道關注程度

圖9 上海空氣質量滿意程度

圖10 霧霾天氣對身體的影響

圖11為民眾對環境問題主要承擔者的認識。55.5%民眾認為政府相關部門缺乏合理、科學的管理政策，缺少對造成當地環境惡化應有的獎懲措施。34%的民眾認為企業沒有執行已有的環保政策規定，10.5%的民眾認為公民的環保意識有待加強。

圖12為減少霧霾天氣的措施。25.45%的民眾認為應當減少私家車的擁有量；19.09%的民眾認為應當增加城市中的綠化帶，以大面積綠色植物凈化空氣；12.73%的民眾認為應當減少煙花爆竹的燃放；23.18%的民眾認為應當嚴禁秸稈焚燒；19.55%的人認為應當高效利用燃料，提倡利用清潔能源和開發新能源。

3.2 統計結果的分析和啟示

圖11 霧霾天氣的主要責任

圖12 減少霧霾天氣的措施

2013年嚴重霧霾給上海敲響警鐘。事實表明，霧霾不僅發生在北方沙塵嚴重地區，近年來也頻頻發生在全國各地。霧霾的產生嚴重危害民生、社會穩定和經濟發展，應引起政府高度重視。上海作為一個擁有2300多萬人口的國際大都市，人口密集程度高，經濟的發展必須考慮到城市環境的可承受能力。為了城市的明天，應盡快轉變經濟發展方式，下決心淘汰各大化工區的落后產能，還人民一片藍天。

治理霧霾是一項復雜的社會工程，不僅政府首當其沖，每一個人都有一定的責任，應“從我做起”。

4 結論與思考

筆者（課題組）通過對上海市西南局部地區PM2.5濃度的調查研究，利用數學方法系統地分析了PM2.5濃度與溫度、濕度、污染源之間的定量關系，結合調查問卷統計數據的分析歸納，得出以下幾點結論：

（1）PM2.5濃度受天氣與溫度、濕度之間呈負相關關系，隨著溫度和濕度的增大，PM2.5濃度下降，當濕度達到50%以上時，PM2.5趨于穩定。本文研究結果表明，PM2.5濃度與工業用能排放源之間有密切關系；目前上海機動車使用的各類燃油排出的尾氣是道路等地PM2.5的生成重要因素。而由于上海處于相對濕潤的地域環境，建筑生產排放和居民生活排放的污染相對較小。

（2）普通民眾對上海的空氣質量持否定態度，絕大多數民眾開始關注上海當地的空氣質量報告。認為政府應當加強環境方面的監管工作，應從機動車保有量、清潔利用能源、嚴禁焚燒秸稈等方面控制空氣質量。

（3）從深層次解決影響上海大氣污染的經濟結構、交通運輸結構、能源結構等結構性問題。上海的重工業占經濟的比重過高；上海每年汽車保有量的增長速度太快，超過8%；上海居民選擇公共交通、地鐵出行比例只有25%左右，遠低于其它國際大城市的60%～80%；上海清潔能源占全部能源消費的比重只有15%，遠低于歐洲國家的40%～60%等，只有深入解決這些問題，從源頭上減少污染物的排放，才能改善上海的大氣狀況。

（4）我們的思考和建議：

上海霧霾的形成具有復雜的成因，不是一朝一夕能夠解決的。要從根本上消除上海大氣污染，改善空氣質量，要從源頭上進行防治。筆者（課題組）提出三大關鍵措施：

1）建議政府相關部門在充分調研基礎上，制定更加完備的能源可持續利用管理條例。在完善末端治理的同時，進一步強化規劃布局、能源消耗、產業結構、交通方式、生活方式等方面的治理條例。在強化常規行政管理的基礎上，支持以環境污染第三方治理、排污交易、差別電價、公眾監督多種手段來推動能源的清潔利用、節能減排等有效措施的實施。

2）與長三角兄弟省市聯合制定長效的協同機制。加強與長三角區域聯防聯控。與江蘇、浙江、安徽等省區建立長期區域協作機制，實行信息共享、預警應急、聯動減排、聯合執法等防治措施。

3）要借鑒國外霧霾治理經驗。如建立嚴格的立法和執法及懲處措施；成立專業的執法機構；加強科普宣傳，實行政府、企業及民眾等全社會共同參與；提高設備科技含量，開發清潔新能源等。

霧霾的頻繁發生已經引起上海市政府的高度重視。上海市確立了創新驅動轉型發展的方向，近年來新出臺了《上海市大氣污染防治條例》；通過車牌照限制城區汽車保有量；大力發展軌道交通；鼓勵購買新能源車等，受到居民的歡迎和理解。相信隨著各項治理措施的實施，上海的大氣質量會得到根本改觀。

[1]朱福壽?？晌疹w粒物對人體健康的影響，貴州教育學院學報，2004年2月

[2]李紅，曾凡剛等，可吸入顆粒物對人體健康危害的研究進展，環境與健康，2002，19-1

[3]楊叔子，吳雅，時間序列分析的工程應用，武漢 華中理工大學出版社，1992

[4]高歌，1961-2005年中國霾日氣候特征及變化分析，地理學報，2008，63（7），761-768

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