控制二次污染物 改善区域大气质量
和谁对话？
唐孝炎江苏太仓人。现任北京大学环境科学中心主任、教授，中国环境学会副理事长，中国气象学会大气化学及大气污染专业委员会委员，中国环境科学研究院学术顾问。在创建环境化学专业和开创、发展大气环境化学新领域方面有显著贡献。研究证实光化学烟雾在我国的存在及其成因，主持编写了 “中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案”。
为什么对话？
环境保护部、国家发改委等9部委不久前联合发布了《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》。这一意见的出台，意味着要在全国范围内对大气污染进行区域性防治。我们想知道，我国城市大气污染为什么是复合型污染？大气复合污染物会对人体以及环境产生哪些危害？应该采取什么样的控制策略？
唐孝炎怎么说？
大气污染由煤烟型变化为复合型、区域型；环境管理的重点由二氧化氮、二氧化硫和粗颗粒物转变为二氧化氮、二氧化硫、粗颗粒物、细颗粒物以及臭氧。要从区域污染特点出发，进行二氧化硫、氮氧化合物、挥发性有机化合物、颗粒物等多污染物同时控制；要控制二氧化硫、氮氧化合物、挥发性有机化合物等的二次转化。
公众对空气质量的直观感受与日报结果不一致
关键思路：我国城市和城市群已进入大气复合污染阶段
记者:在我国一些城市，公众对空气质量状况的直观感受往往与当地环保部门公布的空气质量日报结果不一致。请问，为什么会存在这种差异？
唐孝炎:众所周知，我国经济近20年来发展得非常快，尤其是城市化率已接近50％。目前，我国有京津冀、长三角和珠三角3块大都市连绵区，除此之外，还有一些小的城市群。这些城市群的建立，让城市与城市之间距离变短、交流便利，但是城市群的发展带来了一定的环境问题。如果城市之间距离比较远的话，一个城市的大气污染物排放出来，再传输到下一个城市的时候，大气自身已经得到净化；如果城市分布很密集的话，大气污染物还没来得及净化，就进入了下一个城市。
在上世纪70~90年代，我国70％以上的燃料采用的是煤，大气污染也以煤为主，当时我们主抓的就是烟尘和二氧化硫治理，并开始初步治理氮氧化物。除了燃煤污染以外，我国还发生过一些其他的污染事件，如兰州在上世纪70年代出现过光化学烟雾，重庆、贵阳、广东、广西、青海等地在上世纪80年代初期酸雨比较严重。当时我国也开展了这方面的研究，但是由于污染地区相对小，影响范围也就小，学术界没有形成共识。
1997年1月，国务院环境保护委员会要求在46个环境保护重点城市发布空气质量周报。同年5月23日，南京市率先在新闻媒介上发布空气质量周报。2000年，全国46个城市都借助新闻媒介发布了空气质量日报，包括二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物3项内容。
时至今日，从发布的API空气质量指数评价结果来看，与公众实际感受存在着一定差异。当然，API指数合格率近年来在逐年增加，如南京、上海合格率为 90％左右，北京合格率为70％左右。但是，北京在举办奥运会之后，人们经常能看到蓝天白云，而长三角地区的区域性灰霾问题经常存在，影响到人们对空气质量的直观感受。
记者:这种差异问题如何解决？
唐孝炎:为解决差异问题，北京大学很早就开展了这方面的研究，如开展了长三角大气臭氧及其对生态气候的影响、珠三角大气复合污染的形成机理及控制、北京市大气污染形成机制及控制对策研究、北京周边地区对北京地区大气污染贡献的研究以及我国城市群大气复合污染控制技术研究。从研究结果看，我国城市和城市群已进入大气污染发展新阶段，即大气复合污染阶段。在污染防治政策和措施上，与过去只治理煤烟气污染相比，要有相应改变。
《我国中长期科技发展战略研究(2005~2020)》指出，生态与环境问题表现出显著的系统性、区域性、复合性和长期性特征。21世纪，我国已经进入大范围生态退化和复合性环境污染阶段，城市和区域大气复合污染已经成为制约国家社会经济发展的瓶颈，研究大气复合污染成因和控制是当前重大的国家需求。
记者:为什么说我国城市大气污染是复合型的？
唐孝炎:日益严重的机动车污染是主要原因之一。各地近年来汽车发展非常迅猛，如1980年北京市只有10万辆车，到2010年5月，北京市有430万辆车，大大超过洛杉矶发生光化学烟雾时的300万辆车和日本东京发生光化学烟雾时的200多万辆车。
基于对中国大气污染研究成果的总体把握，北京大学于1997年首次提出了大气复合污染的概念、理论假设和研究框架。在大气复合污染中，多种污染物都以高浓度同时存在，它们之间相互耦合，发生复杂的化学反应，形成新的二次污染物，如臭氧和硫酸盐等二次颗粒物。这些污染物的生命周期较长、输送距离较远，导致区域性光化学烟雾和大气灰霾频繁发生。如此大规模和复杂的污染，已经成为影响中国可持续发展的重大制约因素。
霾与雾的区别
关键思路：在于发生霾或雾时的相对湿度不同
记者:由于经济规模迅速扩大和城市化进程加快，现在大气颗粒物污染日趋严重，由颗粒物造成的能见度恶化事件越来越多。在观测中，我们常常会碰到和视程障碍相关联的天气现象定名问题，当能见度小于10千米时，造成视程障碍的天气现象是霾、轻雾或者雾？灰霾又是如何形成的？
唐孝炎:霾是一个物理名词，是一个天气现象。在中国气象局《地面气象观测规范》中，霾天气被定义为“大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10千米的空气普遍有混浊现象，使远处光亮物微带黄、红色，使黑暗物微带蓝色”。
霾与雾的区别在于发生霾或雾时的相对湿度。一般相对湿度〈80％时的大气混浊、视野模糊导致的能见度恶化是霾造成的；相对湿度〉90％时的大气混浊、视野模糊导致的能见度恶化是雾造成的；相对湿度介于80％～90％之间时的大气混浊、视野模糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。霾的厚度比较厚，可达1千米～3千米左右，与晴空区之间没有明显的边界。霾粒子的分布比较均匀，因而在霾中能见度非常均匀；霾粒子的尺度比较小，从 0.001微米到10微米，平均直径大约在1微米～2微米左右，肉眼看不到空中飘浮的颗粒物。
由灰尘、硫酸、硝酸等粒子组成的霾，易散射波长较长的光，因而霾看起来呈黄色或橙灰色。由于在城市空气污染严重地区，霾可以频繁出现，又主要呈橙灰色，而且城市污染大气气溶胶中有许多黑碳粒子，因而我们也将其称之为灰霾天气。1998年在北京市蓝天工程的项目中用实验证明:霾主要由PM2.5(细颗粒物)组成。
大气复合污染物及其影响
关键思路：会形成灰霾、降低能见度、影响人体健康、远距离输送、产生光化学烟雾、影响气候变化
记者:您认为大气复合污染物会对人体以及环境产生哪些危害？
唐孝炎:大气中含有大量气溶胶粒子，即大大小小的颗粒物，每立方厘米可高达107~108个粒子。粒径大小可覆盖4个量级，从几个纳米到100微米。
粗颗粒物多数进入口腔就停留了，但是细颗粒物会进入鼻腔、支气管、肺部，而且超细粒子会集中在肺部。目前认为，大气颗粒物可通过多种方式对心血管系统产生影响。进入呼吸系统的颗粒物可引起肺部和全身的氧化应激或炎症反应，激活凝血机制，削弱血管功能和增加动脉硬化；刺激肺部交感神经产生次级神经反射，改变自主神经反射等机制而导致心律不齐；还可引起血液成分的改变，并导致动脉血压升高。
城市颗粒物是工业、交通、电力、其他生产和生活以及天然源排放的一次粒子和由气体向颗粒物转化而生成的二次粒子的混合物。北京市大气PM2.5浓度普遍很高，占PM10(粗颗粒物)的60％，珠三角的PM2.5占PM10的份额约为70％~80％。
细颗粒物PM2.5的环境影响主要是:形成灰霾的一、二次粒子的混合物，降低能见度，影响人体健康，远距离输送，影响气候变化。能够远距离输送的原因是，PM2.5的寿命特别长，是以天甚至周来计算，不像二氧化硫的寿命以小时来计算，PM2.5可以传输到南极、北极。全球PM2.5分布中，我国分布较为密集。我国PM2.5的特点是质量浓度高，二次细颗粒物份额高。
记者:作为一种二次污染物，臭氧通常是怎样形成的？
唐孝炎:臭氧是光化学烟雾的代表性污染物，影响人体健康和生态环境，更重要的是，它反映大气氧化性，导致其他二次污染物的生成。大气在产生臭氧的同时会产生大量的自由基，这些自由基很快把大气中的二氧化硫、氮氧化物、有机物、细颗粒物氧化，产生硫酸、硫酸盐、硝酸、硝酸盐，容易形成酸雨。颗粒物、臭氧以及酸雨三者是连带关系，关联的关键物质就是大气氧化剂。
自然科学基金会在长三角地区的江苏省建湖县、句容市、常熟市，上海市佘山区，浙江省嘉兴市、临安市设立了6个观察监测站点。检测结果表明，在长三角地区，臭氧已经呈现区域特性。如果主导风向是上风向，经过一个郊区后，臭氧浓度可能有一点升高，到城市后检测到的浓度就明显下降，因为汽车排放的一氧化氮马上把臭氧“吃掉”了，所以城区不会有很高的臭氧浓度。而在下风地区，没有很多一氧化氮的排放，可以监测到臭氧浓度明显升高。
大气复合污染的控制策略
关键思路：要进行多污染物同时控制，从区域污染特点进行控制，控制污染物的二次转化
记者:大气复合污染已经成为制约各地实现可持续发展的重要因素之一。对于大气复合污染，我们应该采取什么样的控制策略？
唐孝炎:当前，我国大气污染的性质由煤烟型变化为复合型、区域性，环境管理重点由二氧化氮、二氧化硫和粗颗粒物转变为二氧化氮、二氧化硫、粗颗粒物、细颗粒物以及臭氧。因此，研究和解决区域大气复合污染问题占据了环境科技制高点。要进行二氧化硫、氮氧化合物、挥发性有机化合物、颗粒物等多污染物同时控制，不是只控制某一种，要考虑当地污染情况和污染特点，从区域污染特点进行多污染物控制；同时，要控制一次排放机动车、燃煤、燃油、生物质燃烧等，控制二氧化硫、氮氧化合物、挥发性有机化合物等污染物的二次转化。其中，关键是臭氧的控制。
控制汽车尾气中有害物质排放浓度的方法有两种:一是改进发动机的燃烧方式，使污染物产生量减少，称为机内净化；二是利用安装在发动机外部的净化设备，对排出的废气进行净化治理，这种方法称为机外净化。从发展的角度看，机内净化是解决问题的根本途径，也是今后应重点研究的方向。因此要进行机动车污染控制，降低机动车出行率。
此外，要进行工业污染和燃煤污染的减排。目前常用的脱除二氧化硫的方法有抛弃法和回收法。抛弃法是将脱硫的生成物作为固体废物抛掉，方法简单，费用低廉。回收法是将二氧化硫转变成有用物质加以回收，成本高，所得副产品存在应用及销路问题，但对保护环境有利。从国情和长远考虑，我国应以回收法为主。目前，工业上应用的脱除二氧化硫的方法主要为湿法，即用液体吸收剂洗涤烟气，吸收所含的二氧化硫；其次为干法，即用吸附剂或催化剂脱除废气中的二氧化硫。对含氮氧化合物的废气也可采用吸收法、催化还原法等多种方法进行净化治理，主要是治理生产工艺尾气。
记者:对于如何控制区域性大气污染，您的建议是什么？
唐孝炎:污染物的控制目标不能只满足于目前国家规定的空气污染指数API3项指标，必须增加二次污染物臭氧和细颗粒物的多目标控制。气象和污染预报要扩大到区域范围，污染排放控制、减排目标要包括可能形成二次污染的排放源。建立区域污染协调、联动机制，建立统一的区域空气质量管理中心和区域空气质量监测网络。政策的制定要向有利于控制二次污染的方向倾斜。从区域社会经济发展和空气质量保障整合和联动角度，制定区域空气质量改善和保障规划。
记者:在制定光化学烟雾控制战略方面，能否介绍一下开展的工作及取得的成果？
唐孝炎:北京大学进行了区域立体综合观测实验，通过长期技术研发和实际优化应用，构建了一个布局合理、指标完善、技术先进、管理规范的区域空气质量监测网络。网络监测子站分为3个层次:与国家现行监测体系接轨的城市监测子站、区域监测子站、超级监测站。监测指标除现行二氧化硫、二氧化氮和粗颗粒物外，增加了臭氧、细颗粒物和一氧化碳等。为提高监测数据质量，研发了通用智能接口技术、远程在线校准技术、远程流量在线控制技术和无差异数据采集技术，为开展网络化质控奠定了技术基础。
确定光化学烟雾区域控制的关键是采用多模式诊断的方法。以往的个别或极少量污染物种监测，缺乏中间活性物种和全过程测量，无法把握大气复合污染控制的科学本质。而气相过程和多相反应过程之间相互作用，多种污染物通过自由基化学关联起来，二氧化硫、挥发性有机化合物、氮氧化合物同时在一个地方测量，最终浓度是各种污染物互相关联和综合作用的结果。这就需要开展全过程测量，即闭合实验，选择是根据污染物排放量来控制，还是根据环境浓度来控制，或是从整体上考虑。通过闭合实验，可以系统了解污染现状，验证及完善模型，解决不重视模型验证以及简单根据模型计算结果直接制订政策的问题。
在对大气OH自由基进行定量模拟的基础上，探讨臭氧生成与前体物氮氧化合物和挥发性有机化合物的非线性关系，这是制定光化学烟雾控制战略的关键问题。我们采用多模式诊断方法，发现臭氧的高污染形成由挥发性有机化合物浓度主导，而区域背景浓度提升与氮氧化合物有关。应采取以挥发性有机化合物为重点、兼顾氮氧化合物的控制策略，逐步改善区域空气质量。
挥发性有机化合物是臭氧生成的首要控制因子，寻求其主要来源至关重要。我们采用了基于观测的模型方法和基于污染源的调查方法相互印证，准确获得了各类排放源对区域大气挥发性有机化合物的贡献，并且在继美国、英国之后探明了污染源对挥发性有机化合物的臭氧生成潜势的贡献及其区域分布。
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