从区域能源消费探寻雾霾成因

赵 敏 黄东风 何斯征 佘孝云 姚烨彬

浙江省能源与核技术应用研究院

2013年我国中东部地区先后遭遇多次大范围持续的雾霾天气，其影响范围、持续时间、雾霾强度历史少见。全年雾霾平均日数29.9d，较常年同期偏多10.3d，达到1961年以来的峰值[1]。雾霾波及了全国25个省份、100余个大中型城市，安徽、湖南、湖北、浙江、江苏等地雾霾天数均创下历史纪录。

我国大面积的雾霾天气频发与高强度的能源消费、超环境容量的污染物排放密切相关。我国中东部地区人口稠密，经济持续高速，能源消费量大，单位面积污染排放强度高，形成了区域性的大气污染局面。本文从能源消费和污染排放强度等指标入手，探讨我国中东部地区的雾霾成因。

1 雾霾起因

雾和霾是秋冬季常见的两种自然天气现象。根据中国气象局《地面气象观测规范》[2]的定义，雾是大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能见度小于1km的天气现象，相对湿度接近100%，多出现在日出前。霾是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 km的空气普遍混浊现象，气团稳定、较干燥，一天中任何时候均可出现。雾和霾之间有很大的差别，雾是空气中的水汽凝结现象，与人为的污染没有必然联系。霾是由于空气中的烟尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子的存在，使得大气变得混浊，能见度恶化。空气中悬浮的颗粒物（PM）是霾的核心物质，大气中PM2.5浓度超标是霾的重要表征。许多研究已表明[3-7]，我国各地雾霾天气明显增多，这是人类社会经济活动产生的人为影响因素和气候变化带来的气候因素影响相结合的结果。其首要原因是污染物排放量过大，而化石能源消费是大气污染物排放增多的主要来源，尤其是煤炭、汽车燃油等消费的持续增加，因此以化石能源为主导的能源消费是我国雾霾天气频发的根源。除了人为因素外，静稳天气也是雾霾天气的诱因，当雾霾出现时，近地面大气中往往存在着逆温层,这样的天气不利于污染物的扩散和稀释，易导致雾霾的发生。

2 能源消费

我国已经成为全球能源消费第一大国，以煤炭为主导的能源结构依然延续。2012年全国能源消费总量36.17亿t标煤，约占全世界能源消费总量的21%，煤炭消费量35.3亿t，占全国能源消费总量66.6%[8]，比2000年降低了2.6个百分点。我国煤炭主要用于发电和终端消费，随着清洁能源需求的不断提高、大气环境污染治理力度的加大，煤炭用于发电的比重逐渐增加，2012年已经超过50%，这有利于煤炭燃烧废气排放的集中治理。同时煤炭用于终端消费的比重不断降低，从2000年的35.5%降低到2012年24.7%，接近世界平均水平23.4%，但是仍高于发达国家平均水平11.8%[9]，这是我国能源资源禀赋所决定的。

2.1 能源消费强度

我国中东部是经济发展的核心区域，占全国总面积的20.3%。2012年该区域的生产总值41.2亿万元，占全国国内生产总值的79.5%，能源消费量20.8亿t标煤,占全国能源消费总量的63.4%。这意味着在全国20%的土地上消耗了近67%的能源总量，平均每日单位面积能源消费量达3.94t标煤/（d·k㎡），是全国平均值（1.26 t标煤/（d·k㎡））的3倍。其中，京津冀、长三角和珠三角的能源消费强度分别5.74 t、7.56 t和4.42 t标煤/（d·k㎡），是全国能源消费最为密集的地区。

2.2 煤炭消费强度

2012年我国中东部地区的煤炭消费总量26.3亿t，占全国煤炭消费总量的60.3%，平均煤炭消费强度为3.69 t/（d·k㎡），如表1所列。京津冀及其周边省份和长三角地区的煤炭消费强度分别4.9 t、6.5 t和6.21 t/（d·k㎡），高于中东部平均水平，这3个地区的煤炭消费量合计16.2亿t，占全国总量的37%,是我国乃至中东部地区的煤炭消费密集区。其次，珠三角和中部地区的煤炭消费强度分别为2.67 t和2.58 t/（d·k㎡），也是煤炭消费较为密集的地区。

表1 我国中东部各地区的煤炭消费量及单位面积消费强度

2.3 燃油消费强度

2012年我国中东部地区汽柴油消费量1.9亿t，占全国汽柴油消费总量的63.2%。其中，长三角地区汽柴油消费量4470万t，占全国总量的14.9%，如表2所列。京津冀周边省份和中部地区的汽柴油消费量均在3 350万t上下，分别占全国总量的11.2%。京津冀和珠三角地区的汽柴油消费分别为2 403万t和2 802万t，占全国总量的8%和9.3%。从平均每日单位面积汽柴油消费强度来看，长三角地区最高，为580 kg/（d·k㎡），其后是珠三角和京津冀，分别为425 kg/（d·k㎡）和302 kg/（d·k㎡），京津冀周边省份为291 kg/（d·k㎡）。

3 废气排放

3.1 排放强度

煤炭、汽柴油等燃烧后排放的废气是大气环境污染和雾霾天气的直接原因。根据中国环境统计年鉴[10]，2012年全国工业废气排放量635 519亿m³，如表3所列。二氧化硫排放量2 117.6万t，烟（粉）尘排放量1234.8万t，氮氧化物排放量2 337.8万t，其中河北、山东、山西等省的主要污染物排放量均位于全国的前列。

2012年我国中东部地区二氧化硫平均排放强度16.0 kg/（d·k㎡），烟（粉）尘平均排放强度9.3 kg/（d·k㎡），氮氧化物平均排放强度为19.9 kg/（d·k㎡）。

二氧化硫排放强度高于平均水平的省市有天津、河北、山西、山东、上海、江苏、浙江以及河南，其中上海市和天津市的二氧化硫排放强分别为 98.6kg/（d·k㎡）和 51.6kg/（d·k㎡）,远高于其它省市。

烟（粉）尘排放强度高于平均水平的省市有北京、天津、河北、山西、山东、上海、江苏和河南，其中上海烟尘排放强度以37.7kg/（d·k㎡）而高居各省市之首。

氮氧化物排放强度高于平均水平的省市有北京、天津、河北、山西、山东、上海、江苏、浙江和河南，其中上海和天津市的氮氧化物排放强度远高于各省市水平，分别高达173.5 kg/（d·k㎡）和 76.8 kg/（d·k㎡）。

表2 我国中东部地区的汽柴油消费量及单位面积消费强度

表3 2012年我国中东部省市的大气主要污染物排放强度

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上述数据表明， 我国中东部地区的大气污染排放主要集中在京津冀、长三角和珠三角等地。从上海和天津排放强度值，可对城市大气污染物排放窥见一斑，即大气污染物排放的城市集聚性。

4 环境容量

众所周知，地球是被厚厚的大气层所包围，靠近地面的一层为对流层。对流层的下层又称为扰动层或摩擦层，其厚度一般是自地面到2 km高度，随季节和昼夜更迭，会有所变化。通常对流层的气度随高度上升而降低，大约每升高1 000 m，温度下降5～6℃，上方冷空气下沉，下方热空气上升，形成空气上下对流，有利于污染物的扩散和稀释。当出现逆温现象时，即气温随高度的增加而升高，暖而轻的空气位于冷而重的空气上面，形成一种极其稳定的空气层，称为逆温层，其高度为200～300 m或更高。由于逆温层对空气对流有强烈的抑制作用，不利于大气污染物的扩散，极易促成雾霾天气的形成。

雾霾形成是复杂的天气过程，涉及气温、气流、污染物排放以及各种化学反应等。为了简化，暂且不考虑大气中二次颗粒的形成过程，取大气混合层高度在一般天气条件下为2 000 km，在逆温时为200 m，根据各地大气污染物排放强度，估算不同条件下大气中污染物浓度值。

在一般的天气条件下，二氧化硫污染浓度，除了上海市 (51.9 µg/m³)和天津市 (26.5 µg/m³)低于国家标准规定的二级浓度限定值（60 µg/m³)[11]，其它省市均低于国家标准规定的一级浓度限定值（20 µg/m³）（如表4）。氮氧化物浓度，上海高达94 µg/m³，超过国家标准规定的浓度限定值（50 µg/m³），其它各省市为 3.9～ 41.3µg/m³，均低于国家标注规定的限定值（如表5）。类似地，烟（粉尘）污染浓度，除了上海市为37.7 µg/m³,各省市介于4.4～19.3 µg/m³之间，都低于国家标准规定的一级PM10浓度限定值（40 µg/m³）和二级PM2.5浓度限定值（35 µg/m³）。

当出现逆温现象时，等量的污染物排放却会引起空气中污染物浓度大幅增加数倍。如果大气混合高度为200 m时，各地空气中的二氧化硫、烟尘和氮氧化物浓度可能增加10倍，出现严重超出国家标准限定值的现象,尤其是京津冀及其周边、长三角、珠三角地区，空气中二氧化硫浓度会高于国家标准规定的二级浓度限定值1.5～8.6倍，空气中氮氧化物浓度高于国家标准规定的浓度限定值的1.7～7.8倍等。

从上述对比可以看出，雾霾天气是大自然对污染物排放超出环境承载力的警示信号。在我国京津冀及其周边、长三角和珠三角等地区，由于大量排放大气污染物，当特定的天气条件周而复始出现时，雾霾天气就会不断发生。此外，地理条件也可能对雾霾有影响作用，比如，上海市的各项指标数据均高于京津冀的，而雾霾天气明显少于京津冀地区，可能上海市位于沿海，污染物的扩散稀释条件更好，不易累积。

表4 我国中东部各省市空气中SO2浓度的估算

表5 我国中东部各省市空气中NOx浓度的估算

5 结语

雾霾的频繁出现是大自然对环境容量超载的警示信号。我国中东部地区仅占全国总面积的20.3%，2012年消耗了全国60%的煤炭和80%的汽柴油，二氧化硫和烟尘排放量分别为全国总量的54%，氮氧化物排放量占全国的60%。正是由于污染物的大量排放，当特定天气条件周而复始地出现，雾霾污染的发生就在所难免。

以煤炭为主的能源消费方式是雾霾发生的根源，要从源头上进行防治，必须加快能源结构的调整与优化，增加清洁能源的供应，大力开发利用可再生能源。高度重视节约能源，提高能源效率，用更少的能源消费支撑更多的产出。减少燃料燃烧后排放的废气污染物，重点控制煤炭燃烧过程的脱硫、脱硝和除尘，高度关注汽车排放和油品质量改进。

雾霾天气的防治是一项庞大的系统工程，涉及区域发展、产业结构、能源消费、污染物排放治理等一系列重大问题，必须建立有效的联动机制，协同行动，加大局地污染源的减排力度，减少污染物的区域输运，各地区联手共同应对大气污染。

要建立应急机制，不断完善气象观测系统，加强对雾霾天气的预测预警，研究制定各种应急预案，及时控制大气污染物的排放，最大限度地减缓雾霾天气的影响。

[1] 张建忠,孙瑾等.雾霾天气成因分析及应对思考[J].中国应急管理, 2014,(1):16-21.

[2] 中国气象局. 地面气象观测规范[M]. 气象出版社，北京，2003.11.

[3] 如海.雾霾警示中国必须改变能源消费结构[J]. 绿叶, 2013(3):49-55..

[4] 李振宇.从能源消费结构分析北京雾霾天气成因及防治措施[J].当代石油石化, 2013, 222(6): 11-16.

[5] 王跃思,姚利等.京津冀大气霾污染及控制策略思考[J].中国科学院院刊, 2013,28(3):353-363.

[6] 王伟光，郑国光等.气候变化绿皮书:应对气候变化报告(2013)[M]. 社会科学文献出版社,北京, 2013.11.

[7] 张小曳, 孙俊英等. 我国雾_霾成因及其治理的思考[J].科学通报, 2013,58(13):1178-1187.

[9] 国家统计局能源统计司.中国能源统计年鉴2013[M].中国统计出版社, 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, 刘炳江. 中国环境统计年鉴[M]. 中国统计出版社，北京，2013.12.

[11] 国建环境保护部, 国家质量监督检验检疫总局. 环境空气质量标准(GB 3095-2012)[EB/OL]. http://kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqhjzlbz/201203/W020120410330232398521.pdf.20014-09-17.