《中 国 雾 霾 说 明 书》（上）_风闻

雾霾不断消散，又不断重来

关于它的信息也纷繁复杂

令人疑惑连连

本文中我们用了近万字、73张图

试图全面呈现它的成因及解决之道

全面呈现这场涉及每个人的

对流层保卫战

伟大的对流层

平均厚度约10千米

几乎所有的人类活动

都在这里完成

这是我们一生中

无可替代的生存空间

（国际空间站拍摄的大气层，对流层是最靠近地面的一层，图片来源@NASA）

▼

然而

工业时代以来

我们的对流层

却变得越发浑浊

到了2013年

全年平均35.9天里

北京的对流层

是这样的

（请横屏观看，大霾下的北京，近处可见国贸CBD，远处是太行山，摄影师@李珩；上文数据为2013年全国平均霾日数，源自参考文献[1]）

▼

成都的对流层

是这样的

（请横屏观看，下图左侧是被霾笼罩的四川盆地，右侧是川西连绵的山地，摄影师@行影不离）

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乌鲁木齐的对流层

则是这样的

（请横屏观看，大霾笼罩的乌鲁木齐城区，摄影师@李杰）

▼

也正是那一年的1月

约1/4国土上空的对流层

在一夜之间全部沦陷 

自此

“雾霾”这个词

便与近6亿人息息相关

（2013年1月，我国发生有记录以来极为严重的一次大规模区域性灰霾天气，范围覆盖17个省级行政区，影响近6亿人，下图为当时的卫星图像，灰色的是霾，白色是上方的云层，制图@陈思琦/星球研究所）

▼

时至今日

政府官员、科学家、工程师

无数人仍在致力于驱散“雾霾”

保卫我们的对流层

可是1年、2年、3年、4年、5年、6年、7年过去

它却依然一次次卷土重来

“雾霾”

  究竟因何而生？

  还将持续多久？

  我们该怎么做？

  有胜利的希望吗？

要回答这种种疑问

必须从“雾霾”的本质

开始说起

01

“雾霾”的本质

“雾”和“霾”

本不应混为一谈

它们是对流层中

两种不同的天气现象

但形成的关键均在于

空气中稳定悬浮的

颗粒物

对于雾，是小水滴

对于霾，则多为干尘粒

因此

雾常呈乳白色

相对湿度可达到90%以上

水平方向的能见度不到千米

随着地表温度上升

便可逐渐消失

（南京玄武湖上的雾，拍摄于2020年1月，早上8点，摄影师@李毅恒）

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霾则相对灰黄

相对湿度一般不超过80%

水平能见度不到10千米

有时甚至能持续多日

难以消散

（雾和霾有时也可相互转化，因而常被混称为“雾霾”；下图为广州的霾天气，拍摄于2017年1月，摄影师@许晓平）

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其中

直径不超过****10微米的颗粒

人称PM****10

它们能越过人体的重重防线

在呼吸道中沉积

也称“可吸入颗粒物”

而直径不到****2.5微米的颗粒

便是PM****2.5

它们更加微小

更易吸附有毒物和病原体

还能畅通无阻地深入支气管甚至肺泡

引发呼吸道、心脑血管和肺癌等疾病

造成我国每年近100万人因此死亡

（上文数据源自参考文献[6]；本文中的直径均指空气动力学等效直径，即当粒子和密度为1g/cm3的球体有相同降落速率时，球体的直径大小；下图为不同粒径颗粒物的大小对比，制图@郑伯容/星球研究所）

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那么

这些颗粒物从何而来？

有时

它们来自自然界

森林大火、火山喷发

海浪飞溅、荒漠扬沙

都能成为颗粒物的来源

（以上自然过程被称为天然源，下图为内蒙古阿拉善左旗的沙尘暴天气，摄影师@李含军）

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但更多时候

它们来自人类社会

从烹饪油烟到工地扬尘

从汽车尾气到工厂烟尘

形形色色、不胜枚举

（人类生活和生产活动造成的排放被称为人为源，也是本文主要讨论的部分；下图为郑州热电厂，前方是主要排放废气的烟囱，后方是排放水汽的冷却塔，现已停产搬迁，摄影师@焦潇翔）

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有时

它们一“出生”便是颗粒物

由污染源直接排放进入大气

称为**“一次颗粒物”**

（工地扬尘便是典型的一次颗粒物，下图为四川广安的一处工地，摄影师@周修建）

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但更多时候

它们“出生”时还只是气体

在大气中**“进化”**成为颗粒物

是为**“二次颗粒物”**

（在我国多数地区，尤其是霾污染严重时，二次颗粒物已成为主要影响因素；下图为2011年甘肃中部灰霾下的火力发电厂，其排放中既有一次颗粒物，也有气体污染物，摄影师@刘忠文）

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例如

由二氧化硫(SO2)

氧化形成的

硫酸盐颗粒(SO42-)

是二次颗粒物

由氮氧化物(NOx)

挥发性有机物(VOCs)

在光照条件下反应形成的

硝酸盐颗粒(NO3-)和有机物颗粒

是二次颗粒物

由氨气(NH3)

与大气中的硫酸、硝酸等

酸碱中和形成的

铵盐颗粒(NH4+)

同样也是二次颗粒物

（正因如此，城市灰霾中的成分并不是单一的；下图为2016年长沙灰霾中的车流，摄影师@李云鹏）

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这些二次颗粒物的直径

大多集中在2微米以内

可长时间存在、远距离传输

是PM2.5至关重要的组分

而催生它们的

二氧化硫(SO2)

氮氧化物(NOx)

挥发性有机物(VOCs)

以及氨气(NH3)等气态前体物

虽不是导致“雾霾”的直接原因

却是幕后的“始作俑者”

（PM2.5主要组分示意，注意：一次颗粒物和二次颗粒物中可能存在相同的物质成分，但来源不同，制图@郑伯容/星球研究所）

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但是

一次颗粒物也好

气态前体物也罢

它们的“幕后推手”

  又是谁呢？

02

增长的代价

回顾1990-2013年间

我国GDP增长达300%

创造了人类经济史上的一个奇迹

但与此同时

我们还创造了

**313%**的氮氧化物排放增长

**168%**的挥发性有机物排放增长

**131%**的二氧化硫排放增长

**29%**的氨气排放增长

以及

**28%**的一次PM2.5排放增长

（1990-2013年全国主要大气污染物排放量变化，数据源自大气污染源排放清单，制图@郑伯容/星球研究所；**另：**2013年是我国霾污染形势最为严峻的一年，因此下文主要选取当年的数据进行分析）

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以至于到了2013年

当74个城市率先开始PM2.5监测时

人们却发现

仅有拉萨、舟山、海口三个城市

能够达到空气质量标准

而污染最为严重的京津冀地区

年均PM2.5浓度更是超标2倍之多

一场对流层保卫战已然迫在眉睫

（上述“达标”指《环境空气质量标准 GB3095-2012》中的二级标准，下文同；下图为2013年74个城市年均PM2.5浓度，制图@陈思琦&郑伯容/星球研究所）

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而此时人们首先要做的

便是追根溯源

2013年时

我国已持续多年位列

总发电量世界第一

煤炭产量世界第一

钢铁产量世界第一

水泥产量世界第一

有色金属产量世界第一

堪称名副其实的“世界工厂”

（请横屏观看，河南安阳钢铁厂，摄影师@张孟尧）

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然而

滚滚向前的

工业

不仅消耗了全国当年

95%的煤炭和99.7%的原油

也贡献了全国人为排放中

85%的二氧化硫

71%的氮氧化物

69%的挥发性有机物

以及60%的一次PM****2.5

（上文中的“工业”以国家统计局的统计范畴为准；下图以二氧化硫和氮氧化物为例，各省的排放量和煤炭消费量之间有高度一致的规律，制图@陈思琦&郑伯容/星球研究所）

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其中

又以电力和热力行业

占据了煤炭消耗的半壁江山

尤其在江苏

煤炭供给着近1亿人的电力需求

火力发电量也长年位列全国第一

山东则紧随其后

甚至在2015年时一举超越江苏

跻身全国火力发电量第一大省

（2014年底，重载铁路瓦日铁路落成，煤炭运输能力达2亿吨/年，为山东新增了巨大的煤炭来源；下图为相隔不远的两座火电厂，拍摄于山东，摄影师@陈剑峰）

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在内蒙古

则生产着全国最多的原煤

运行着全球规模最庞大的坑口电厂

（内蒙古托克托火力发电厂，装机容量达672万千瓦，位列世界之首，摄影师@陈剑峰）

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这三个火电大省(区)中

仅电力和热力这一行业

就贡献了全省超过40%的

二氧化硫和氮氧化物

而在内蒙古、黑龙江、辽宁等

冬季气候寒冷的供热大省(区)中

电力和热力行业

则贡献了全省30%-45%的

一次颗粒物

其影响之显著可见一斑

（上文数据源自参考文献[2]；下图为沈阳市中的热电厂，摄影师@吕威）

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另一个耗煤巨头则是

钢铁行业

中国

是一个不折不扣的钢铁大国

无论是辽阔的西北大地

（请横屏观看，厚重的云层下，嘉峪关关城及后方的酒泉钢铁集团厂区，拍摄于2016年4月，摄影师@郭中民）

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还是繁荣的东部地区

钢铁厂可谓遍地开花

（请横屏观看，江苏南钢集团厂区，拍摄于2017年7月，摄影师@李毅恒）

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而河北省

更堪称中流砥柱

其2013年时便已

年产粗钢近1.9亿吨

是第二名江苏省的2倍之多

即便放诸世界也“傲视群雄”

（世界粗钢产量排名，制图@郑伯容/星球研究所）

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但与此同时

其污染排放同样“一枝独秀”

几乎是第二名省份的2-3倍

可贡献全省36%和14%的

二氧化硫和氮氧化物

以及47%的一次颗粒物

（河北唐山的一片钢铁厂群，拍摄于2020年1月，摄影师@行影不离）

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不过

纵使钢铁行业体量庞大

但煤炭消耗量也只屈居第三

位列第二的是

石化化工行业

其产品包括

汽油、柴油、焦炭、农药、涂料

化肥、化纤、轮胎、塑料等等

几乎覆盖现代人生活的方方面面

更重要的是

它不仅消耗了全国17%的煤炭

更消耗了全国97.5%的原油

而在这些产品的

生产、加工、运输、使用等

整个上中下游产业链中

一年可向对流层贡献

挥发性有机物1500多万吨

（上文挥发性有机物数据源自参考文献[3]，不包括机动车燃油使用；下图为中国石油辽宁辽阳化纤厂，摄影师@雁海；另：文中的石化化工行业是指“石油加工、炼焦和核燃料加工业”以及“化学原料和化学制品制造业”）

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在形形色色的工业行业中

绝大多数煤炭

都将进入集中式的电厂、工厂

然而还有数亿吨的煤炭

它们未经加工、煤质较差

且燃烧分散、缺乏废气处理

常用于中小型工业窑炉

以及人们日常的

生活

这便是**“散煤”**

据估算1吨散煤的燃烧排放

可达1吨电煤的

10-15倍之多

（请横屏观看，内蒙古锡林浩特一座烟囱林立的村镇，前方是大量居民房屋，后方为一座火电厂，拍摄于2009年2月，摄影师@邱会宁；另：此处的“生活”指民用部门排放）

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尤其在

内蒙古、山西、河北、黑龙江等

北方农村地区

冬季常以散煤燃烧采暖

成为最难以监控的污染源

也令当地冬季的空气质量

雪上加霜

（以石家庄为例，采暖季和非采暖季空气质量有明显差距，制图@郑伯容/星球研究所）

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此外人们生活中的

另一大污染物来源

便是农村中的生物质燃烧

比如秸秆焚烧

2011年5月末

正值江南一带冬小麦收割的季节

杭州、南京、上海、宁波、苏州

一众长三角地区城市

大霾

人们发现

在超标达5倍的PM2.5中

秸秆焚烧产生的有机碳

贡献可高达48%-86%

（秸秆焚烧场景，摄影师@姚金辉）

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类似的情景

同样在东北平原上演

2015年11月初

沈阳、长春、哈尔滨

大霾

周边共计836个秸秆焚烧点

令三座城市的PM2.5日均浓度

最大超标达24倍

（吉林省通榆县农田中燃烧的秸秆，拍摄于2016年3月，摄影师@邱会宁）

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而除工厂、农村

这些相对固定的排放源外

交通

带来的排放

更是随时随地都在发生

道路之上

小型客车的数量最为庞大

是有机物、一氧化碳的主要来源

而重型货车的数量虽仅占2%

却排放了46%的氮氧化物

和58%的一次颗粒物

（2013年时，不同类型机动车保有量和污染物排放量的对比，制图@郑伯容/星球研究所）

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尤其在一些

工厂密布、港口集中的地区

往往更是货车密集

其氮氧化物和有机物的排放

可高达全国平均水平的4-5倍

（排长队进入港口的货车，拍摄于浙江宁波，图片来源@VCG）

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机动车外

农田间的农业机械

城市中的工程机械

以及在内河、海洋中穿行的船舶等

又多使用质量较差的燃油

污染物排放更为严重

（上海黄浦江的货船，拍摄于2017年11月，摄影师@吕威）

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时至今日

全国机动车保有量仍与日俱增

尤其在北上广深等大型城市

机动车排放正逐渐超越工业

成为当地PM2.5的首要贡献者

（北京东四环晚高峰车流，摄影师@丁俊豪）

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最后

在这个

农业

规模同样庞大的国家里

种植业中的化肥施用

养殖业中的动物排泄

则贡献了人为源中

超过90%的氨气排放

（各省份中种植业和养殖业的氨排放量，制图@陈思琦&郑伯容/星球研究所）

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一年中

全国约有3200万吨氮肥进入农田

其中12.2%的氮

将转化为氨气(NH3)逸出土壤

而以华北平原为代表的北方地区

由于土壤碱性更强

挥发率则可能超过20%

（上文氮肥数据包括单质肥和复合肥折纯量，源自参考文献[3]；下图为山东聊城，村民们为苹果树施肥，拍摄于2018年11月，图片来源@VCG）

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同时

动物排泄物中的尿素

将在微生物作用下转化为氨气

因而养猪业集中的四川、河南

蛋禽养殖集中的山东、河南、河北

以及毛用羊养殖集中的内蒙古、新疆

氨排放量纷纷名列前茅

（羊群和扬起的尘埃，拍摄于新疆伊宁市郊区，摄影师@赖宇宁）

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至此

工业、生活、交通、农业

支撑这个国家运转的各个部门

都在源源不断地向我们的对流层中

贡献着各类污染物

（2013年各污染物的主要贡献来源示意，向左滑动可查看2017年数据；**注意：**下图是全国范围数据，各局部地区情况会存在差异，制图@郑伯容/星球研究所）

▼

正所谓

（引自《洛杉矶雾霾启示录》）

▼

人类文明制造烟雾的能力，

绝非消除烟雾的能力所能望其项背。

“雾霾”的源头

也绝非是

一两根烟囱、三四辆汽车

而是整个飞速前进中的社会

03

最后一根稻草

大量的颗粒物

已成为对流层中

日益沉重的负担

此时

只需“最后一根稻草”

一场大霾便在所难免

这根“稻草”就是气象条件

例如垂直方向上的

逆温层

理论上

对流层的空气温度

将随着垂直高度的增加而降低

即**“下暖上冷”**

但当逆温层产生时

这个规律却截然相反

即**“下冷上暖”**

（逆温层示意，制图@郑伯容/星球研究所）

▼

由于下层空气温度较低

因而密度更大、难以上升流动

如同一个穹顶

扣在城市之上

（杭州上空的“穹顶”，拍摄于2019年1月，摄影师@肖奕叁）

▼

无法穿过逆温层的污染物

只能在其下方积聚、扩散

且逆温层高度越低

扩散空间越小

污染也越严重

一旦湿度增加

大霾便顷刻笼罩

（被霾笼罩的晋中盆地，高于逆温层的排放才有较大的扩散的空间，拍摄于2015年11月，摄影师@李珩）

▼

而逆温层形成的原因

可谓多种多样

例如

在晴朗的夜晚

地表温度迅速降低

令下方贴近地面的空气温度

逐渐低于高空气温

便形成“辐射逆温”

秋冬季节夜晚漫长

辐射逆温尤为强烈

令大江南北“雾霾”频发

（广州秋冬季的霾天气，拍摄于2019年11月，摄影师@刘兴）

▼

一般情况下

随着日出后地面升温

辐射逆温便逐渐消失

然而在严寒的北方

白天地表散失的热量

仍远高于太阳辐射

则形成昼夜持续的逆温层

（请横屏观看，被霾笼罩的乌鲁木齐，拍摄于2013年11月，中午12点，当日遭遇降温，最高温为2℃，摄影师@李杰）

▼

除此之外

在山间谷地

冷空气沿山坡一路流入山谷

将山谷中的热空气挤到高空

可产生逆温层

（即地形逆温；下图为东北地区山谷中萦绕着朦胧的“雾气”，摄影师@王泽东）

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在山脉脚下

气流翻越高山后逐渐下沉

空气团上部的升温幅度高于下部

也可产生逆温层

（即下沉逆温；下图为山脉脚下的云南芒市，3-5月常出现逆温现象，摄影师@杨清舜）

▼

而在近海地带

暖空气直接平流至冷空气上方

冷暖交界处可产生平流雾

同样可产生逆温层

（即平流逆温；下图为大气分层的青岛，冷暖交界处可见平流雾，摄影师@张霄）

▼

由于逆温层的存在

污染物在垂直方向上的扩散

已然希望渺茫

人们只能指望水平方向上的

风

打破静稳天气

驱散“雾霾”

然而

由于气候变化等因素

我国冬季风逐年减弱

年平均风速逐年减小

这无疑是火上浇油

（京津冀地区地面年平均风速变化，“距平”是指该点数值与平均值的差，制图@郑伯容/星球研究所）

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甚至在

地形

的影响下

风还成为了“帮凶”

甘肃兰州、河北蔚县

山西大同、太原、临汾等城市

坐落在群山包围之中

夜晚气流从山坡吹往谷地

形成山风

白天则从谷地吹向山坡

形成谷风

（山谷风形成原理示意，制图@郑伯容/星球研究所）

▼

交替变换的山谷风

令污染物在山间来回往复、难以扩散

也令山谷中的城市常常笼罩在

一片朦胧之中

（位于太行山脉间的河北蔚县，摄影师@李珩）

▼

陕西西安

则地处秦岭以北的关中平原

风中的污染物

遭遇南部山脉的阻挡

在山前大量聚集、滞留

因而在这里

东北风下的霾日数占比可达31.2%

相较之下静风时的霾日数

则仅占17.7%

（上文数据源自参考文献[7]；下图为霾下的关中平原，近处为铜川市，远处为秦岭，西安则位于中间，摄影师@李珩）

▼

而在京津冀地区

一方面

燕山、太行山

盘踞在北侧和西侧

来自平原的东南风

与来自西北的山风

在山脉前短兵相接、僵持不下

形成一条沿山脉走向的“风向辐合带”

也是一条污染物的汇聚带

（京津冀地区的风向辐合带示意，制图@陈思琦&郑伯容/星球研究所）

▼

另一方面

汇聚带沿线的城市

如同串联的热岛

随着热空气上升

将周边的冷空气向城市抽吸

加剧了郊区工厂排放的污染物

向城市汇聚

（从近到远依次是河北燕郊的工厂、北京城和太行山，摄影师@余明）

▼

而第三方面

“热岛效应”下

冷空气往往从低空汇入城市

导致垂直方向上“下冷上暖”

产生逆温

三管齐下

令汇聚带沿线的城市

唐山、保定、石家庄、邢台、邯郸等

相继成为“雾霾”重灾区

（河北是我国霾污染最严重的省份之一，下图为霾中的河北保定，摄影师@韩阳）

▼

直至一阵猛烈的西北风到来

稳定的气象条件终于被打破

城市上空的阴霾也终于消散

然而正所谓

“甲之蜜糖，乙之砒霜”

随着冷空气一路南下

气流中裹挟的污染物

也随之跨越千里

进入南方地区

根据2014-2015年的数据

在京津冀、长三角等地

这样的跨区域传输

对城市中PM2.5的贡献

可达20%-35%

而本地排放则占65%-80%

（上文数据源自参考文献[3]；下图为上海，其区域传输的贡献可达到26%，尤其是4-5月，常受到北方沙尘的影响，摄影师@张殿文）

▼

不仅如此

抵达南方的冷空气

还可能形成冷锋插入暖空气下方

因而在锋面处形成逆温层

进一步阻碍污染物扩散

催生“雾霾”

（锋面逆温形成示意，制图@郑伯容/星球研究所）

▼

总而言之

颗粒物造就了“雾霾”

气象条件催生了“雾霾”

地形条件加剧了“雾霾”

我们似乎已找到了它的源头

只待对症下药

但不幸的是

我们无法控制自然界的排放

无法左右大气环流

更无法改变山川地貌

这就意味着

在这场对流层保卫战中

除了与人为排放的污染物死磕到底

我们别无选择