能源清洁利用、节能减排与雾霾产生根源的关系分析

王 经 孙康杰

上海交通大学 工程热物理研究所 上海市能源研究会

1 概况

近年来，上海雾霾天气越来越严峻。2004年至2005年夏季，上海地区PM2.5的平均浓度只有89 μg/m³，2007年1月19日，上海的PM2.5达到512 μg/m³；2013年12月2日至12月14日，上海等多地空气质量指数达到六级严重污染级别，2013年12月6日，上海遭遇历史上最重度的雾霾污染，PM2.5浓度日平均值超过600 μg/m³，其中普陀区监测站数据高达726.0 μg/m³。究竟我们生活的城市里的空气环境发生了怎样的变化呢?又是哪些原因导致了这些变化?本文从源头来探索这个问题。

众所周知，雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，水平能见度降低到1 000 m以内，人们就将悬浮在近地面空气中的水汽凝结物的天气现象称为雾；霾是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子组成的，如果水平能见度小于10 000 m时，人们将这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾（Haze）。研究表明[1]，雾霾中的PM2.5（空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物）与能见度呈显著负相关，被认为是造成雾霾天气的“元凶”。

PM2.5由于具有粒径小、可通过呼吸道直接进入人体支气管甚至血液的特点，容易引发人的呼吸系统疾病、心血管系统疾病、血液系统疾病，如咽喉炎、肺气肿、哮喘、鼻炎、支气管炎等炎症，还易吸附多环芳烃等有机成分和有毒重金属，在进入人体后可能会造成更严重的健康危害[2]，长期处于这种环境还会诱发肺癌、心肌缺血及损伤；上海交通大学附属仁济医院研究团队对上海男性不育进行了长达10年的研究证实，环境日趋恶化还会影响男性的生殖能力；此外，雾霾天气时由于空气能见度较低，还易造成高速公路封闭、航班延误或取消、高铁受阻等等，给人们的生产、生活和出行造成诸多不便。

因此，认真解析上海常态污染下的PM2.5来源以及与温度、湿度、风速等因素的关系，对研究上海雾霾天气的主要成因，预防和减少雾霾天气的发生至关重要。

2 PM2.5与温度、湿度及不同污染源关系的监测与分析

2.1 调研方法及测试手段

为了探讨不同的能源利用方式的排放物对大气中PM2.5的影响，笔者（课题组）选取了6个典型的不同地点作为观测点，自春末至夏初对六个观测点进行连续测量，如图1所示，六个观测点分别为位于上海西南局部地区的建筑工地、高校、十字路口、居民小区、农田和工业企业。分别代表了可能的建筑生产排放源、普通生活环境、汽车尾气排放源、居民生活排放源、农业生产环境和工业生产用能排放源。

数据采集时间为2014年4月下旬至2014年6月上旬，即传统意义上的春末夏初季节。研究人员每天在11点-12点之间对上述6个采集点连续采集了PM2.5值、温度和湿度，并取数学平均值作为当天的数据点。其中采集PM2.5所使用的仪器为清华同方PM2.5数据测量仪，使用之前通过厂家进行校准，仪器误差小于3%，最小量程为1ug/m³,数据采用30秒连续记录并取数学平均值。PM2.5测量仪器示意图如图2所示。

2.2 结果分析

（1） 样本空间总览

笔者（课题组）采集了40 d数据作为总体样本空间，如图3所示。在春末夏初40 d中，晴天天数占总天数的50%，阴天为30%，雨天为20%。说明春末夏初季节上海地区在没有入梅之前降水相对较少。图4为污染天数示意图。如图4所示，根据PM2.5国家现行标准，优等天气占总样本空间的5%；良好天气占总样本空间的半数以上；轻度污染、中度污染和重度污染分别占总测量天数的27.5%、7.5%和2.5%。特别注意的是，在此期间发生一天次的雾霾天气，估测原因为周围农田焚烧秸秆所致。

（2） 相关系数

图1 观测地点示意图

图2 PM2.5测量仪器示意图

PM2.5来源比较复杂，大气的温度、湿度均对空气中PM2.5的数值有显著影响。因此有必要通过数学手段来探讨PM2.5和温度、湿度之间的数学关系，以获得温度、湿度对大气PM2.5的定量的影响关系。本文在数据测量的基础上，运用时间序列分析方法[3]，引入相关系数来说明温度、湿度对大气PM2.5的影响。

图3 天气状态示意图

图4 污染天数示意图

相关系数是描述两个测量值变量之间的离散程度的指标。用于判断两个测量值变量的变化是否相关，即一个变量增大时，另一个变量相关联增大(正相关)；或一个变量减小时另一个变量相关联增大(负相关)；还是两个变量中的值互不关联(相关系数近似于零)。卡尔·皮尔森相关系数表达式为：

r>0表示正相关，r<0表示负相关，|r|表示了变量之间相关程度的高低。特殊地，r=1称为完全正相关，r=-1称为完全负相关，r=0称为不相关。通常|r|大于0.8时，认为两个变量有很强的线性相关性。

PM2.5和温度湿度之间的皮尔森相关系数如表1所示，PM2.5与温度和湿度均表现为负相关特性，说明随着温度的升高，空气中的微小颗粒受浮升力的作用而高度上升，PM2.5随之下降。当湿度增加时，污染物表面吸附水分，通过相互凝聚成较大颗粒发生沉降；当相对湿度变小时，污染物表面吸附力小，不易凝聚沉降。所得数据表明，PM2.5与温度、湿度的相关性均呈现弱相关特性，即PM2.5并非单独与温度湿度有关。

表1 PM2.5与温度和湿度之间的相关系数

（3） PM2.5与温度、湿度之间的关系

不同温度对PM2.5的影响。图5所示，春末夏初上海的温度在15-33℃之间，可以看出，随着温度的升高，PM2.5浓度逐渐减小，当温度大于20℃时，PM2.5浓度达到一个相对稳定的阶段。由此可以看出，温度对PM2.5有一定影响，温度越高，空气中的微小颗粒受浮升力的影响向高层运动，所测高度PM2.5浓度下降。因此，上海大范围的雾霾天气常出现在气温相对较低的冬春季节。

图6为PM2.5浓度与相对湿度之间的关系。它表明PM2.5浓度的峰值出现在相对湿度小于30%的时期，随着湿度的增大，PM2.5浓度明显减小，并在相对湿度大于50%时保持稳定，这是因为空气中的微小颗粒被水分包裹从而引起下沉所致。

图5 PM2.5与温度之间的关系

图6 PM2.5与湿度之间的关系

同时，PM2.5浓度与风速也有一定关系。2013年12 月，由于影响上海的强冷空气活动偏少，地面风速小，大气层结较为稳定，不利于污染物的扩散；同时由于西南暖湿气流将丰沛的水汽送来，空气湿度明显增加，有利于雾的形成，上海出现了严重的雾霾天气。

（4）PM2.5与排放源的关系

图7 PM2.5与排放源的关系

PM2.5周平均浓度与不同检测点排放源的关系示于图7。随着时间由春末进入夏初，上海气温逐渐升高，周平均PM2.5指数呈现整体下降趋势，第五周周平均PM2.5指数由于雾霾天气的发生突然升高，这是由于上海周围地区焚烧秸秆所致。此外可以看出，十字路口的PM2.5浓度指数明显高于其他测点排放源对PM2.5的影响。分析表明，十字路口是汽车来往密集地带，汽车尾气排出的硫化物、氮氧化物等微小颗粒对于PM2.5浓度有直接影响，因此控制汽车尾气排放对于改善环境有明显作用。锅炉厂作为工业用能排放源的代表，其PM2.5指数也相对较高。而居民小区和建筑工地的PM2.5指数相对较低，这是因为上海属于温带湿润环境，其相对湿度相对较高，因此建筑尘和普通尘土由于水分包裹着微小颗粒从而导致沉降，PM2.5浓度相对较小。高校环境和农田由于存在大量的绿化带，PM2.5的浓度最低。

通过以上监测和分析，可知PM2.5浓度与大气湿度、温度和风速及排放源密切相关，根据2014年4月上海市环境监测中心总工程师伏晴艳对上海大气颗粒物源解析：“上海在常态源解析和重污染快速源识别两个方面均取得进展。态源解析初步揭示PM2.5来源，得出空气中PM2.5本地人为污染排放贡献占八成，交通和工业是重头。”这与本课题监测得出的结论基本一致。

统计资料[4、5]表明：上海地处沿海，大气湿度、温度和风速受季节变化和大气环流影响较大，很难控制；同时，除了本地的各种排放源外，还有外地随大气环流输送而来的各种排放物，在不利气象条件下与本地排放物持续累积，互相叠加、共同作用的结果。这是造成上海雾霾的多方面主要因素。

3 公众对上海雾霾认知情况调研与分析

3.1 公众对上海雾霾认知情况调研分析

笔者（课题组）共发放调查问卷200份，通过问答题目统计普通民众对雾霾天气及PM2.5的认知程度。图8为普通民众对媒体公布的空气质量报告的关注程度，2013年上海开始公布局部地区PM2.5浓度的数据值，但是统计数据表明大多数人只是偶尔花费时间关注空气质量信息，10%的民众根本不关心空气质量信息。图9为民众对上海空气质量的满意程度，表明绝大多数民众不满意上海当前的空气质量。

图10是民众对雾霾天气与身体健康影响程度的认识。所有人都认为雾霾天气对自己身体有影响，大部分人出现了胸闷、反胃、呼吸不畅反应，眼睛近视的民众不能在雾霾天气下佩戴隐形眼镜，绝大多数人均认为雾霾天气会影响自己的寿命。

图8 空气质量报道关注程度

图9 上海空气质量满意程度

图10 雾霾天气对身体的影响

图11为民众对环境问题主要承担者的认识。55.5%民众认为政府相关部门缺乏合理、科学的管理政策，缺少对造成当地环境恶化应有的奖惩措施。34%的民众认为企业没有执行已有的环保政策规定，10.5%的民众认为公民的环保意识有待加强。

图12为减少雾霾天气的措施。25.45%的民众认为应当减少私家车的拥有量；19.09%的民众认为应当增加城市中的绿化带，以大面积绿色植物净化空气；12.73%的民众认为应当减少烟花爆竹的燃放；23.18%的民众认为应当严禁秸秆焚烧；19.55%的人认为应当高效利用燃料，提倡利用清洁能源和开发新能源。

3.2 统计结果的分析和启示

图11 雾霾天气的主要责任

图12 减少雾霾天气的措施

2013年严重雾霾给上海敲响警钟。事实表明，雾霾不仅发生在北方沙尘严重地区，近年来也频频发生在全国各地。雾霾的产生严重危害民生、社会稳定和经济发展，应引起政府高度重视。上海作为一个拥有2300多万人口的国际大都市，人口密集程度高，经济的发展必须考虑到城市环境的可承受能力。为了城市的明天，应尽快转变经济发展方式，下决心淘汰各大化工区的落后产能，还人民一片蓝天。

治理雾霾是一项复杂的社会工程，不仅政府首当其冲，每一个人都有一定的责任，应“从我做起”。

4 结论与思考

笔者（课题组）通过对上海市西南局部地区PM2.5浓度的调查研究，利用数学方法系统地分析了PM2.5浓度与温度、湿度、污染源之间的定量关系，结合调查问卷统计数据的分析归纳，得出以下几点结论：

（1）PM2.5浓度受天气与温度、湿度之间呈负相关关系，随着温度和湿度的增大，PM2.5浓度下降，当湿度达到50%以上时，PM2.5趋于稳定。本文研究结果表明，PM2.5浓度与工业用能排放源之间有密切关系；目前上海机动车使用的各类燃油排出的尾气是道路等地PM2.5的生成重要因素。而由于上海处于相对湿润的地域环境，建筑生产排放和居民生活排放的污染相对较小。

（2）普通民众对上海的空气质量持否定态度，绝大多数民众开始关注上海当地的空气质量报告。认为政府应当加强环境方面的监管工作，应从机动车保有量、清洁利用能源、严禁焚烧秸秆等方面控制空气质量。

（3）从深层次解决影响上海大气污染的经济结构、交通运输结构、能源结构等结构性问题。上海的重工业占经济的比重过高；上海每年汽车保有量的增长速度太快，超过8%；上海居民选择公共交通、地铁出行比例只有25%左右，远低于其它国际大城市的60%～80%；上海清洁能源占全部能源消费的比重只有15%，远低于欧洲国家的40%～60%等，只有深入解决这些问题，从源头上减少污染物的排放，才能改善上海的大气状况。

（4）我们的思考和建议：

上海雾霾的形成具有复杂的成因，不是一朝一夕能够解决的。要从根本上消除上海大气污染，改善空气质量，要从源头上进行防治。笔者（课题组）提出三大关键措施：

1）建议政府相关部门在充分调研基础上，制定更加完备的能源可持续利用管理条例。在完善末端治理的同时，进一步强化规划布局、能源消耗、产业结构、交通方式、生活方式等方面的治理条例。在强化常规行政管理的基础上，支持以环境污染第三方治理、排污交易、差别电价、公众监督多种手段来推动能源的清洁利用、节能减排等有效措施的实施。

2）与长三角兄弟省市联合制定长效的协同机制。加强与长三角区域联防联控。与江苏、浙江、安徽等省区建立长期区域协作机制，实行信息共享、预警应急、联动减排、联合执法等防治措施。

3）要借鉴国外雾霾治理经验。如建立严格的立法和执法及惩处措施；成立专业的执法机构；加强科普宣传，实行政府、企业及民众等全社会共同参与；提高设备科技含量，开发清洁新能源等。

雾霾的频繁发生已经引起上海市政府的高度重视。上海市确立了创新驱动转型发展的方向，近年来新出台了《上海市大气污染防治条例》；通过车牌照限制城区汽车保有量；大力发展轨道交通；鼓励购买新能源车等，受到居民的欢迎和理解。相信随着各项治理措施的实施，上海的大气质量会得到根本改观。

[1]朱福寿。可吸收颗粒物对人体健康的影响，贵州教育学院学报，2004年2月

[2]李红，曾凡刚等，可吸入颗粒物对人体健康危害的研究进展，环境与健康，2002，19-1

[3]杨叔子，吴雅，时间序列分析的工程应用，武汉 华中理工大学出版社，1992

[4]高歌，1961-2005年中国霾日气候特征及变化分析，地理学报，2008，63（7），761-768

[5]文兼武，刘炳江，中国环境统计年鉴，中国统计出版社，北京，2013.12