《中 國 霧 霾 説 明 書》（上）_風聞

霧霾不斷消散，又不斷重來

關於它的信息也紛繁複雜

令人疑惑連連

本文中我們用了近萬字、73張圖

試圖全面呈現它的成因及解決之道

全面呈現這場涉及每個人的

對流層保衞戰

偉大的對流層

平均厚度約10千米

幾乎所有的人類活動

都在這裏完成

這是我們一生中

無可替代的生存空間

（國際空間站拍攝的大氣層，對流層是最靠近地面的一層，圖片來源@NASA）

▼

然而

工業時代以來

我們的對流層

卻變得越發渾濁

到了2013年

全年平均35.9天裏

北京的對流層

是這樣的

（請橫屏觀看，大霾下的北京，近處可見國貿CBD，遠處是太行山，攝影師@李珩；上文數據為2013年全國平均霾日數，源自參考文獻[1]）

▼

成都的對流層

是這樣的

（請橫屏觀看，下圖左側是被霾籠罩的四川盆地，右側是川西連綿的山地，攝影師@行影不離）

▼

烏魯木齊的對流層

則是這樣的

（請橫屏觀看，大霾籠罩的烏魯木齊城區，攝影師@李傑）

▼

也正是那一年的1月

約1/4國土上空的對流層

在一夜之間全部淪陷 

自此

“霧霾”這個詞

便與近6億人息息相關

（2013年1月，我國發生有記錄以來極為嚴重的一次大規模區域性灰霾天氣，範圍覆蓋17個省級行政區，影響近6億人，下圖為當時的衞星圖像，灰色的是霾，白色是上方的雲層，製圖@陳思琦/星球研究所）

▼

時至今日

政府官員、科學家、工程師

無數人仍在致力於驅散“霧霾”

保衞我們的對流層

可是1年、2年、3年、4年、5年、6年、7年過去

它卻依然一次次捲土重來

“霧霾”

  究竟因何而生？

  還將持續多久？

  我們該怎麼做？

  有勝利的希望嗎？

要回答這種種疑問

必須從“霧霾”的本質

開始説起

01

“霧霾”的本質

“霧”和“霾”

本不應混為一談

它們是對流層中

兩種不同的天氣現象

但形成的關鍵均在於

空氣中穩定懸浮的

顆粒物

對於霧，是小水滴

對於霾，則多為幹塵粒

因此

霧常呈乳白色

相對濕度可達到90%以上

水平方向的能見度不到千米

隨着地表温度上升

便可逐漸消失

（南京玄武湖上的霧，拍攝於2020年1月，早上8點，攝影師@李毅恆）

▼

霾則相對灰黃

相對濕度一般不超過80%

水平能見度不到10千米

有時甚至能持續多日

難以消散

（霧和霾有時也可相互轉化，因而常被混稱為“霧霾”；下圖為廣州的霾天氣，拍攝於2017年1月，攝影師@許曉平）

▼

其中

直徑不超過****10微米的顆粒

人稱PM****10

它們能越過人體的重重防線

在呼吸道中沉積

也稱“可吸入顆粒物”

而直徑不到****2.5微米的顆粒

便是PM****2.5

它們更加微小

更易吸附有毒物和病原體

還能暢通無阻地深入支氣管甚至肺泡

引發呼吸道、心腦血管和肺癌等疾病

造成我國每年近100萬人因此死亡

（上文數據源自參考文獻[6]；本文中的直徑均指空氣動力學等效直徑，即當粒子和密度為1g/cm3的球體有相同降落速率時，球體的直徑大小；下圖為不同粒徑顆粒物的大小對比，製圖@鄭伯容/星球研究所）

▼

那麼

這些顆粒物從何而來？

有時

它們來自自然界

森林大火、火山噴發

海浪飛濺、荒漠揚沙

都能成為顆粒物的來源

（以上自然過程被稱為天然源，下圖為內蒙古阿拉善左旗的沙塵暴天氣，攝影師@李含軍）

▼

但更多時候

它們來自人類社會

從烹飪油煙到工地揚塵

從汽車尾氣到工廠煙塵

形形色色、不勝枚舉

（人類生活和生產活動造成的排放被稱為人為源，也是本文主要討論的部分；下圖為鄭州熱電廠，前方是主要排放廢氣的煙囱，後方是排放水汽的冷卻塔，現已停產搬遷，攝影師@焦瀟翔）

▼

有時

它們一“出生”便是顆粒物

由污染源直接排放進入大氣

稱為**“一次顆粒物”**

（工地揚塵便是典型的一次顆粒物，下圖為四川廣安的一處工地，攝影師@周修建）

▼

但更多時候

它們“出生”時還只是氣體

在大氣中**“進化”**成為顆粒物

是為**“二次顆粒物”**

（在我國多數地區，尤其是霾污染嚴重時，二次顆粒物已成為主要影響因素；下圖為2011年甘肅中部灰霾下的火力發電廠，其排放中既有一次顆粒物，也有氣體污染物，攝影師@劉忠文）

▼

例如

由二氧化硫(SO2)

氧化形成的

硫酸鹽顆粒(SO42-)

是二次顆粒物

由氮氧化物(NOx)

揮發性有機物(VOCs)

在光照條件下反應形成的

硝酸鹽顆粒(NO3-)和有機物顆粒

是二次顆粒物

由氨氣(NH3)

與大氣中的硫酸、硝酸等

酸鹼中和形成的

銨鹽顆粒(NH4+)

同樣也是二次顆粒物

（正因如此，城市灰霾中的成分並不是單一的；下圖為2016年長沙灰霾中的車流，攝影師@李雲鵬）

▼

這些二次顆粒物的直徑

大多集中在2微米以內

可長時間存在、遠距離傳輸

是PM2.5至關重要的組分

而催生它們的

二氧化硫(SO2)

氮氧化物(NOx)

揮發性有機物(VOCs)

以及氨氣(NH3)等氣態前體物

雖不是導致“霧霾”的直接原因

卻是幕後的“始作俑者”

（PM2.5主要組分示意，注意：一次顆粒物和二次顆粒物中可能存在相同的物質成分，但來源不同，製圖@鄭伯容/星球研究所）

▼

但是

一次顆粒物也好

氣態前體物也罷

它們的“幕後推手”

  又是誰呢？

02

增長的代價

回顧1990-2013年間

我國GDP增長達300%

創造了人類經濟史上的一個奇蹟

但與此同時

我們還創造了

**313%**的氮氧化物排放增長

**168%**的揮發性有機物排放增長

**131%**的二氧化硫排放增長

**29%**的氨氣排放增長

以及

**28%**的一次PM2.5排放增長

（1990-2013年全國主要大氣污染物排放量變化，數據源自大氣污染源排放清單，製圖@鄭伯容/星球研究所；**另：**2013年是我國霾污染形勢最為嚴峻的一年，因此下文主要選取當年的數據進行分析）

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以至於到了2013年

當74個城市率先開始PM2.5監測時

人們卻發現

僅有拉薩、舟山、海口三個城市

能夠達到空氣質量標準

而污染最為嚴重的京津冀地區

年均PM2.5濃度更是超標2倍之多

一場對流層保衞戰已然迫在眉睫

（上述“達標”指《環境空氣質量標準 GB3095-2012》中的二級標準，下文同；下圖為2013年74個城市年均PM2.5濃度，製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所）

▼

而此時人們首先要做的

便是追根溯源

2013年時

我國已持續多年位列

總髮電量世界第一

煤炭產量世界第一

鋼鐵產量世界第一

水泥產量世界第一

有色金屬產量世界第一

堪稱名副其實的“世界工廠”

（請橫屏觀看，河南安陽鋼鐵廠，攝影師@張孟堯）

▼

然而

滾滾向前的

工業

不僅消耗了全國當年

95%的煤炭和99.7%的原油

也貢獻了全國人為排放中

85%的二氧化硫

71%的氮氧化物

69%的揮發性有機物

以及60%的一次PM****2.5

（上文中的“工業”以國家統計局的統計範疇為準；下圖以二氧化硫和氮氧化物為例，各省的排放量和煤炭消費量之間有高度一致的規律，製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所）

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其中

又以電力和熱力行業

佔據了煤炭消耗的半壁江山

尤其在江蘇

煤炭供給着近1億人的電力需求

火力發電量也長年位列全國第一

山東則緊隨其後

甚至在2015年時一舉超越江蘇

躋身全國火力發電量第一大省

（2014年底，重載鐵路瓦日鐵路落成，煤炭運輸能力達2億噸/年，為山東新增了巨大的煤炭來源；下圖為相隔不遠的兩座火電廠，拍攝於山東，攝影師@陳劍峯）

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在內蒙古

則生產着全國最多的原煤

運行着全球規模最龐大的坑口電廠

（內蒙古托克托火力發電廠，裝機容量達672萬千瓦，位列世界之首，攝影師@陳劍峯）

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這三個火電大省(區)中

僅電力和熱力這一行業

就貢獻了全省超過40%的

二氧化硫和氮氧化物

而在內蒙古、黑龍江、遼寧等

冬季氣候寒冷的供熱大省(區)中

電力和熱力行業

則貢獻了全省30%-45%的

一次顆粒物

其影響之顯著可見一斑

（上文數據源自參考文獻[2]；下圖為瀋陽市中的熱電廠，攝影師@呂威）

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另一個耗煤巨頭則是

鋼鐵行業

中國

是一個不折不扣的鋼鐵大國

無論是遼闊的西北大地

（請橫屏觀看，厚重的雲層下，嘉峪關關城及後方的酒泉鋼鐵集團廠區，拍攝於2016年4月，攝影師@郭中民）

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還是繁榮的東部地區

鋼鐵廠可謂遍地開花

（請橫屏觀看，江蘇南鋼集團廠區，拍攝於2017年7月，攝影師@李毅恆）

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而河北省

更堪稱中流砥柱

其2013年時便已

年產粗鋼近1.9億噸

是第二名江蘇省的2倍之多

即便放諸世界也“傲視羣雄”

（世界粗鋼產量排名，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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但與此同時

其污染排放同樣“一枝獨秀”

幾乎是第二名省份的2-3倍

可貢獻全省36%和14%的

二氧化硫和氮氧化物

以及47%的一次顆粒物

（河北唐山的一片鋼鐵廠羣，拍攝於2020年1月，攝影師@行影不離）

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不過

縱使鋼鐵行業體量龐大

但煤炭消耗量也只屈居第三

位列第二的是

石化化工行業

其產品包括

汽油、柴油、焦炭、農藥、塗料

化肥、化纖、輪胎、塑料等等

幾乎覆蓋現代人生活的方方面面

更重要的是

它不僅消耗了全國17%的煤炭

更消耗了全國97.5%的原油

而在這些產品的

生產、加工、運輸、使用等

整個上中下游產業鏈中

一年可向對流層貢獻

揮發性有機物1500多萬噸

（上文揮發性有機物數據源自參考文獻[3]，不包括機動車燃油使用；下圖為中國石油遼寧遼陽化纖廠，攝影師@雁海；另：文中的石化化工行業是指“石油加工、煉焦和核燃料加工業”以及“化學原料和化學制品製造業”）

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在形形色色的工業行業中

絕大多數煤炭

都將進入集中式的電廠、工廠

然而還有數億噸的煤炭

它們未經加工、煤質較差

且燃燒分散、缺乏廢氣處理

常用於中小型工業窯爐

以及人們日常的

生活

這便是**“散煤”**

據估算1噸散煤的燃燒排放

可達1噸電煤的

10-15倍之多

（請橫屏觀看，內蒙古錫林浩特一座煙囱林立的村鎮，前方是大量居民房屋，後方為一座火電廠，拍攝於2009年2月，攝影師@邱會寧；另：此處的“生活”指民用部門排放）

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尤其在

內蒙古、山西、河北、黑龍江等

北方農村地區

冬季常以散煤燃燒採暖

成為最難以監控的污染源

也令當地冬季的空氣質量

雪上加霜

（以石家莊為例，採暖季和非採暖季空氣質量有明顯差距，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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此外人們生活中的

另一大污染物來源

便是農村中的生物質燃燒

比如秸稈焚燒

2011年5月末

正值江南一帶冬小麥收割的季節

杭州、南京、上海、寧波、蘇州

一眾長三角地區城市

大霾

人們發現

在超標達5倍的PM2.5中

秸稈焚燒產生的有機碳

貢獻可高達48%-86%

（秸稈焚燒場景，攝影師@姚金輝）

▼

類似的情景

同樣在東北平原上演

2015年11月初

瀋陽、長春、哈爾濱

大霾

周邊共計836個秸稈焚燒點

令三座城市的PM2.5日均濃度

最大超標達24倍

（吉林省通榆縣農田中燃燒的秸稈，拍攝於2016年3月，攝影師@邱會寧）

▼

而除工廠、農村

這些相對固定的排放源外

交通

帶來的排放

更是隨時隨地都在發生

道路之上

小型客車的數量最為龐大

是有機物、一氧化碳的主要來源

而重型貨車的數量雖僅佔2%

卻排放了46%的氮氧化物

和58%的一次顆粒物

（2013年時，不同類型機動車保有量和污染物排放量的對比，製圖@鄭伯容/星球研究所）

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尤其在一些

工廠密佈、港口集中的地區

往往更是貨車密集

其氮氧化物和有機物的排放

可高達全國平均水平的4-5倍

（排長隊進入港口的貨車，拍攝於浙江寧波，圖片來源@VCG）

▼

機動車外

農田間的農業機械

城市中的工程機械

以及在內河、海洋中穿行的船舶等

又多使用質量較差的燃油

污染物排放更為嚴重

（上海黃浦江的貨船，拍攝於2017年11月，攝影師@呂威）

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時至今日

全國機動車保有量仍與日俱增

尤其在北上廣深等大型城市

機動車排放正逐漸超越工業

成為當地PM2.5的首要貢獻者

（北京東四環晚高峯車流，攝影師@丁俊豪）

▼

最後

在這個

農業

規模同樣龐大的國家裏

種植業中的化肥施用

養殖業中的動物排泄

則貢獻了人為源中

超過90%的氨氣排放

（各省份中種植業和養殖業的氨排放量，製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所）

▼

一年中

全國約有3200萬噸氮肥進入農田

其中12.2%的氮

將轉化為氨氣(NH3)逸出土壤

而以華北平原為代表的北方地區

由於土壤鹼性更強

揮發率則可能超過20%

（上文氮肥數據包括單質肥和複合肥折純量，源自參考文獻[3]；下圖為山東聊城，村民們為蘋果樹施肥，拍攝於2018年11月，圖片來源@VCG）

▼

同時

動物排泄物中的尿素

將在微生物作用下轉化為氨氣

因而養豬業集中的四川、河南

蛋禽養殖集中的山東、河南、河北

以及毛用羊養殖集中的內蒙古、新疆

氨排放量紛紛名列前茅

（羊羣和揚起的塵埃，拍攝於新疆伊寧市郊區，攝影師@賴宇寧）

▼

至此

工業、生活、交通、農業

支撐這個國家運轉的各個部門

都在源源不斷地向我們的對流層中

貢獻着各類污染物

（2013年各污染物的主要貢獻來源示意，向左滑動可查看2017年數據；**注意：**下圖是全國範圍數據，各局部地區情況會存在差異，製圖@鄭伯容/星球研究所）

▼

正所謂

（引自《洛杉磯霧霾啓示錄》）

▼

人類文明製造煙霧的能力，

絕非消除煙霧的能力所能望其項背。

“霧霾”的源頭

也絕非是

一兩根煙囱、三四輛汽車

而是整個飛速前進中的社會

03

最後一根稻草

大量的顆粒物

已成為對流層中

日益沉重的負擔

此時

只需“最後一根稻草”

一場大霾便在所難免

這根“稻草”就是氣象條件

例如垂直方向上的

逆温層

理論上

對流層的空氣温度

將隨着垂直高度的增加而降低

即**“下暖上冷”**

但當逆温層產生時

這個規律卻截然相反

即**“下冷上暖”**

（逆温層示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）

▼

由於下層空氣温度較低

因而密度更大、難以上升流動

如同一個穹頂

扣在城市之上

（杭州上空的“穹頂”，拍攝於2019年1月，攝影師@肖奕叁）

▼

無法穿過逆温層的污染物

只能在其下方積聚、擴散

且逆温層高度越低

擴散空間越小

污染也越嚴重

一旦濕度增加

大霾便頃刻籠罩

（被霾籠罩的晉中盆地，高於逆温層的排放才有較大的擴散的空間，拍攝於2015年11月，攝影師@李珩）

▼

而逆温層形成的原因

可謂多種多樣

例如

在晴朗的夜晚

地表温度迅速降低

令下方貼近地面的空氣温度

逐漸低於高空氣温

便形成“輻射逆温”

秋冬季節夜晚漫長

輻射逆温尤為強烈

令大江南北“霧霾”頻發

（廣州秋冬季的霾天氣，拍攝於2019年11月，攝影師@劉興）

▼

一般情況下

隨着日出後地面升温

輻射逆温便逐漸消失

然而在嚴寒的北方

白天地表散失的熱量

仍遠高於太陽輻射

則形成晝夜持續的逆温層

（請橫屏觀看，被霾籠罩的烏魯木齊，拍攝於2013年11月，中午12點，當日遭遇降温，最高温為2℃，攝影師@李傑）

▼

除此之外

在山間谷地

冷空氣沿山坡一路流入山谷

將山谷中的熱空氣擠到高空

可產生逆温層

（即地形逆温；下圖為東北地區山谷中縈繞着朦朧的“霧氣”，攝影師@王澤東）

▼

在山脈腳下

氣流翻越高山後逐漸下沉

空氣團上部的升温幅度高於下部

也可產生逆温層

（即下沉逆温；下圖為山脈腳下的雲南芒市，3-5月常出現逆温現象，攝影師@楊清舜）

▼

而在近海地帶

暖空氣直接平流至冷空氣上方

冷暖交界處可產生平流霧

同樣可產生逆温層

（即平流逆温；下圖為大氣分層的青島，冷暖交界處可見平流霧，攝影師@張霄）

▼

由於逆温層的存在

污染物在垂直方向上的擴散

已然希望渺茫

人們只能指望水平方向上的

風

打破靜穩天氣

驅散“霧霾”

然而

由於氣候變化等因素

我國冬季風逐年減弱

年平均風速逐年減小

這無疑是火上澆油

（京津冀地區地面年平均風速變化，“距平”是指該點數值與平均值的差，製圖@鄭伯容/星球研究所）

▼

甚至在

地形

的影響下

風還成為了“幫兇”

甘肅蘭州、河北蔚縣

山西大同、太原、臨汾等城市

坐落在羣山包圍之中

夜晚氣流從山坡吹往谷地

形成山風

白天則從谷地吹向山坡

形成穀風

（山谷風形成原理示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）

▼

交替變換的山谷風

令污染物在山間來回往復、難以擴散

也令山谷中的城市常常籠罩在

一片朦朧之中

（位於太行山脈間的河北蔚縣，攝影師@李珩）

▼

陝西西安

則地處秦嶺以北的關中平原

風中的污染物

遭遇南部山脈的阻擋

在山前大量聚集、滯留

因而在這裏

東北風下的霾日數佔比可達31.2%

相較之下靜風時的霾日數

則僅佔17.7%

（上文數據源自參考文獻[7]；下圖為霾下的關中平原，近處為銅川市，遠處為秦嶺，西安則位於中間，攝影師@李珩）

▼

而在京津冀地區

一方面

燕山、太行山

盤踞在北側和西側

來自平原的東南風

與來自西北的山風

在山脈前短兵相接、僵持不下

形成一條沿山脈走向的“風向輻合帶”

也是一條污染物的匯聚帶

（京津冀地區的風向輻合帶示意，製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所）

▼

另一方面

匯聚帶沿線的城市

如同串聯的熱島

隨着熱空氣上升

將周邊的冷空氣向城市抽吸

加劇了郊區工廠排放的污染物

向城市匯聚

（從近到遠依次是河北燕郊的工廠、北京城和太行山，攝影師@餘明）

▼

而第三方面

“熱島效應”下

冷空氣往往從低空匯入城市

導致垂直方向上“下冷上暖”

產生逆温

三管齊下

令匯聚帶沿線的城市

唐山、保定、石家莊、邢台、邯鄲等

相繼成為“霧霾”重災區

（河北是我國霾污染最嚴重的省份之一，下圖為霾中的河北保定，攝影師@韓陽）

▼

直至一陣猛烈的西北風到來

穩定的氣象條件終於被打破

城市上空的陰霾也終於消散

然而正所謂

“甲之蜜糖，乙之砒霜”

隨着冷空氣一路南下

氣流中裹挾的污染物

也隨之跨越千里

進入南方地區

根據2014-2015年的數據

在京津冀、長三角等地

這樣的跨區域傳輸

對城市中PM2.5的貢獻

可達20%-35%

而本地排放則佔65%-80%

（上文數據源自參考文獻[3]；下圖為上海，其區域傳輸的貢獻可達到26%，尤其是4-5月，常受到北方沙塵的影響，攝影師@張殿文）

▼

不僅如此

抵達南方的冷空氣

還可能形成冷鋒插入暖空氣下方

因而在鋒面處形成逆温層

進一步阻礙污染物擴散

催生“霧霾”

（鋒面逆温形成示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）

▼

總而言之

顆粒物造就了“霧霾”

氣象條件催生了“霧霾”

地形條件加劇了“霧霾”

我們似乎已找到了它的源頭

只待對症下藥

但不幸的是

我們無法控制自然界的排放

無法左右大氣環流

更無法改變山川地貌

這就意味着

在這場對流層保衞戰中

除了與人為排放的污染物死磕到底

我們別無選擇