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上篇:中国大范围严重空气污染的成因

下篇:空气污染治理的系列创新解决方法

要治理空气污染,先要破除一些根深蒂固的惯性思维误区。

 

图1

如图1,很多人的一个惯性思维是:冬天从西伯利亚来的西北风,可以将污霾吹到海上扩散掉。近两年老百姓感觉西北风少了,就猜测是不是三北防风林挡了风了(还有说法是西北的风电挡了风)。

 

图2

 如图2,全球气温变暖,海洋温度上升,图2中红色的是暖洋流,蓝色的是冷洋流,从赤道过去的暖洋流中的一个分支,最远到达北极的北冰洋,使北极升温。

图3

 

如图3,2016年北极多次骤升二十几度到零度以上,而以往数十年才发生一次。北极变暖,将图3中的两个红色圆圈中的巨大强冷空气风暴的影响范围向两边扩展。

 

图4

 

如图1的地形图所示,俄罗斯境内在中国的右上方有很多山,风没法吹到中国,图4的风向图也示意了在右上方没有吹向中国的固定方向的风。图1和图4的左上方都示意了有整个西西伯利亚平原那么大面积的西北风朝向中国吹,但是下方因为地球的西风带(图6),加上图3上方的格陵兰附近的强冷空气风暴(在欧洲转了一圈,有个分支变成西风)的共同作用,形成了一个长2400公里,宽3百多公里的西风带,拦腰切断了来自北极的北风西伯利亚的冷风被切断后,吹到中国的基本只是蒙古高原上的外蒙古的风。

图4右上方的强风暴(即图3中下方的红色圈),跨过白令海峡,到达鄂霍茨克海,离中国很近,将极地东风带拉长,从日本海,经过渤海、黄海向整个华北平原吹东北风。

 

图5

 如图5,上面的线条表示风,线条的方向表示风的方向,线条的多少和粗细表示风的大小。整个渤海沿岸及黄海沿岸,从葫芦岛一直到舟山,都是从海上吹向陆地的东北风,形成直线长度1000公里(海岸线长度近2千公里),近海宽400公里至800公里的风墙,外海的大范围风向也是包裹着大陆。

 

 

图6

图6是地球级别的风带示意图,从舟山一直到海南岛,是在信风带上,太平洋上长达近一万公里的信风带吹向东南沿海,幸好在冬天,在图4中的强冷风暴影响下,从舟山一直到香港的1200公里的海岸线,不是直直的吹向陆地,而是沿海岸线切线吹过,但陆地的污染空气要扩散到海上去,也是很难的。信风带从香港到广西的防城港600公里的海岸线,绕大陆形状走,又在琼州海峡被海南岛和广东尾巴一挡,变成吹向陆地的南风,还好是信风尾巴,风力不大。

 

污霾第一定律:污霾做布朗运动,符合布朗运动的物理规律

 

    污霾的颗粒直径通常小于10微米,小于2.5微米的叫PM2.5,小于10微米的叫PM10。做布朗运动的粒子直径也是小于10微米。之前好像没人把这两者结合起来看。

布朗运动的一个规律就是温度越高,布朗运动越明显。布朗运动越活跃,就扩散的越快;布朗运动越不活跃,就扩散的越慢。所以夏天污霾少而冬天污霾多,跟温度本身相关。

 

图7

 

图8

图7是四川盆地的地形图,四川盆地四周群山环绕,图中红色字标注了山的海拔。图8是成都市在一年中的污霾和温度的关系图。从图8中,可以大致推测出在温度20度左右以下时,布朗运动在高度方向小于2千米,被四周平均海拔2千米的山封在了盆地内,无法扩散,形成中度以上污霾。温度大于25至30度左右时,布朗运动在高度方向大于2千米,污霾得以扩散。

 

图9

 

图10

 图9是京津冀周围的地形图,京津冀周围的山海拔相对低一些,多为500-1500米,有些超过2000米。从图10中推测小于10度左右时,布朗运动在高度方向小于500米。当然布朗运动具体准确的温度和扩散层(或叫混合层)高度的数据,有专门部门专门仪器测量。专家们之前只提到了北京夏天的混合层有2千米,冬天时只有500米,但为什么会这样,并没说。根据布朗运动的规律,颗粒越小,布朗运动越活跃,说明PM10要达到同样的混合层高度,比PM2.5需要的温度更高。有研究表明北京这几年的PM10改善没有PM2.5明显。

 

图11

 

如图11,根据上文所述,冬天时,布朗运动的扩散层在500米以下,就被图11中的红线--海拔在500米以上的山,围得死死的,80%的情况下,污霾超不过红线的范围。90%的情况下不超过蓝线的范围。图11中的红线范围我称之为“中国污霾封锁圈”。从朝鲜海峡到上海,有条海上的红线,是因为如图4和图5,强冷空气风暴吹过来,通过狭窄的海峡时,风力最大,朝鲜海峡的风力在40公里每小时以上(也就是6级风),到达上海的一般也在20至30公里每小时(4级风)。

下面几张图可以了解“中国污霾封锁圈”就是大多数情况下中国污霾的扩散边界,几乎关于所有的中国污霾情况时,前面总有一句,污染扩散条件不利,不利气象条件之类的,但是怎么个不利法,之前从没人说清楚过。

 

图11a

  图11a示意了当海上的风墙的风力比较大的时候,进攻陆地,推进陆地60-180公里的情况,这种情况下污霾不但无法向海上扩散,反而向内陆积聚。

 

图11b

 图11b示意了,海上的风墙风力比较小的时候,陆地上的污霾满溢到海上的情况。图11b这种情况只占大概15%左右,而且满溢出去的污霾占中国总体的污霾也只是很少的部分。绝大部分是被封在“中国污霾封锁圈”内了。韩国有次严重污霾,有专家说不是中国漂过去的,那确实是中国漂过去的,朝鲜半岛的800至1900米的山挡住了污霾。日本好几年前提出出钱帮中国治理污霾,只是不想被迫吸二手烟罢了。

 

图11c

图11c示意了,海上的风墙风力最弱的时候,陆地上的污霾满溢到海上的情况,但是不超过图11中的蓝线,图11c这种情况只占大概5%左右。而且图11c中满溢出来的污霾,也只有大概30%是扩散到太平洋上去的,70%是被信风带沿台湾海峡一直吹到越南半岛上去的,甚至有部分被吹回陆地。

 

图11d

    为什么会有这条蓝色的边界封锁线呢?看图11d就明白了,这是太平洋深海和亚洲板块的交界处。

 

图11e

    图11e示意了,在80%的情况下,中国的污霾被限制在“中国污霾封锁圈”内,不断累积,积聚,恶化。

 

 

图12

布朗运动是物理规律,所以不仅夏天冬天的季节适用,一天内的温度变化也适用,图12摘自中央气象台的微博。中午温度开始上升,所以扩散层厚度开始增加,晚上温度开始下降,扩散层厚度减少。

 

 

污霾第二定律:风只转移霾,只有雨才消灭霾

 

谈到污霾,绝大多数人第一个想到的是风,惯性思维误区是风可以消除污霾。污霾颗粒只是从你面前吹走了,但它还在空气里。在这个惯性思维下,很多人往往想到的治霾方法是搞几百万个风扇,在地面上或者楼顶上或者山上,朝向一个方向一起吹。从上文中知道,人类造的那点风(你就用一亿个风扇吧,得耗多少电),和大自然的几百公里,甚至几千公里的风墙根本无法抗衡。况且你想着把污霾吹给邻居城市,邻居城市还想着吹给你呢,靠风本质上是以邻为壑的自私思想。

 

图13

 举个例子,如图13,右边巨大红色污霾是非洲大沙漠,沙尘跨越大西洋达到左边的南美洲,最后是被亚马逊雨林通过降雨,消灭到地面然后被植物吸收掉。假如没有亚马逊雨林不停的在消灭和吸收沙尘。光靠扩散,怕是1百年沙尘就扩散并充满整个地球的大气层,暗无天日地球毁灭了。同样道理,只转移和扩散的话,人类一百多年的工业化产生的毒霾早毁灭地球了。所以根本的解决方法只有一个,就是已经产生的污霾,要想办法消灭掉;没产生的污霾,尽量减排

 

 

中国秋冬大面积的污霾是如何形成的?

 

之前从来没有任何人能解释清楚,中国几十万平方公里,甚至几百万平方公里,持续好多天的重度污染是怎么形成的,更不提有人能提出真正有效的治理方法了。

夏季因为污霾层高度大于2千米,高过周围的山,渤海和黄海也没被风墙锁死,加上雨季的作用,华北平原基本保持优良的天气。只要隔几天下场雨,这个城市的空气就不会差到哪去。

9月中旬,中国北方的降雨开始减少,9月下旬,华北平原的夜间温度开始低于15度,污霾层高度减少,污霾开始慢慢积累。但因为这时整个中国大多数地方是优良,所以这时污霾可以扩散至整个华北平原,如图14中的黄色圈范围所示。10月中旬,北方的白天温度开始低于15度,且10月中旬北方的雨季开始结束,“中国污霾封锁圈”开始真正显现作用。中国大范围的污霾积累从10月中下旬开始。在左边的山和右边的海风的夹击下,华北平原的污霾开始向长江中下游平原发展(并不是说南方不产生污霾,而是原本南方是自产自灭的平衡状态,但加上北方传输过来的污霾,南方的平衡状态被打破,也开始积累污霾),如图14中的粉红色圆圈范围所示。

 

 

图14

11月份,华北平原进入断雨期,天气更冷,污霾层进一步降低,污染浓度从轻度污染进入中度以上污染。从9月份开始,北方平原和南方丘陵之间形成了图13中,非洲大沙漠和亚马逊雨林之间的类似关系,北方秋冬季节70%以上的主要风向是北风,将污霾吹到江南丘陵,然后被江南丘陵的降雨消灭掉大半,没被消灭掉的或者开始积累,或者继续南下。

11月份污霾的扩散面积如图14中的红色圆圈,图14和图4所示一样,中国这时已经是江山一片红了。大家再仔细看一下图5,图5和图4相比,是不是江南丘陵一带有整片的绿色?那就是降雨造成的。

9月和10月这种北方平原和南方丘陵之间的关系还算平衡,危险的是从11月份开始,南方的雨季也渐渐结束,从11月中下旬到来年1月份,是整个中国都少雨的时间段,11月,12月,1月这三个月,只要南方也有连续几天不下雨的情况,那么就必然对应着全国大范围的重度空气污染

 

2016年最严重的两次空气污染过程,一次是从2016年12月16日到22日的连续7天全国大范围重污染,一次是2016年12月29日到2017年1月7日连续9天的全国大范围重污染。

 

图15

12月份的那次连续7天的重污染是如何开始的呢?看图15就明白了。

 

图16

12月份的那次连续7天的重污染是如何结束的呢?看图16就明白了。

 

图17

让人记忆犹新的元旦跨年霾是如何发生的呢?看图17就明白了。

 

图18

跨年霾的梦魇是如何结束的呢?看图18就明白了。

   

污霾第三定律:冬季连续2天全国大范围无雨,是全国大范围污霾的形成条件,只有1到2天的全国大范围降雨才能结束

 

 有些专家就因为自己在北京,北京下雪除霾效果不明显,就搞了个名词“湿沉降”,将下雨和下雪都归为“湿沉降”,然后其逻辑推导如下,因为下雪除霾不明显,所以“湿沉降”不明显,下雨归类在“湿沉降”,所以结论是下雨不除霾。然后和其他老百姓一样等风来。很多专家都是被自己发明的名词绕晕的。问题是自然界的雪是在高空中形成的,结晶核是高空中的微粒,不是地面500米以下的污霾,当然不除霾。雪在高空中形成后落下来时和污霾已经是近乎固体对固体,除非是雨夹雪(还是下雨的部分除霾)或中雪和大暴雪(靠密度压霾至地面再覆盖)。

 

有人会有疑问,非洲对应着这么大一个亚马逊,中国北方只对应着江南丘陵怕是不够吧。是的,毕竟江南丘陵不是热带雨林,降雨量远不够多,树木也不够密。

 

图19a

 

图19b

图11中,江南丘陵那的红线,我用的是虚线,因为中国的江南丘陵,并不像中国西部的山那样形成一个几乎没有缺口的连绵不断的山脉。幸得江南丘陵的海拔一般只有300-900米,只有南岭和武夷山高一些,而且南岭不是横向的。如果南岭是横向的且和武夷山连成一个弧线,那中国的霾情就要更加严重。如图19,当大寒潮来临,北风足够大的时候(那时日本已经被暴雪覆盖北日本了),华北平原的污霾被一路吹出中国,先污染河内盆地,然后在越南半岛的柬埔寨和泰国的热带森林中消灭一部分,如果还有剩下的,是从越南半岛飘至印度洋再飘至印尼,在印尼的热带雨林中最终消灭(印尼的热带雨林主要承担的是印度飘过来的污霾,中国的很少)。另一种情况是“中国污霾封锁圈”内的污霾已经满到无法承载,溢出去走上述的路线。

 

 

图20

图20是“中国污霾封锁圈”内满溢出去,飘到海上扩散的情况,图中的尾巴先污染日本南部,然后终于被吹向太平洋。

 

图21

如图21,既然到达太平洋了,近半个地球表面积的太平洋总能扩散掉这点满溢出来的污霾吧。结果是如此辽阔的空间并不能完全扩散掉这些污霾,最后是有部分污霾最终登陆美国。于是我推导出污霾具有粘聚性和冷凝性(冷凝性其实是布朗运动的另一个表达,冷凝性在高纬度存在,在赤道降低)。粘聚性目前我也不知道为什么,不知道是不是污霾有个学术名词叫气溶胶,胶么,容易粘连在一起;还是有什么复杂的聚合化学反应,还是有什么这么大海风都打不散的结合力,还是什么物以类聚,人以群分之类的。总之我不知道原因,也不会解释,但认识到有这种粘聚性的现象。好在我知之为知之,不知为不知。

 

污霾第四定律:污霾具有粘聚性

 

图22

 

图23

图22是惯性思维下,污霾的发展过程,是从轻到重的等级式、阶梯式发展。图23是污霾具有粘聚性(或者叫粘滞性)推导出的污霾的发展过程,这和老百姓的直观感受是符合的,就是昨天还好好的,今天就突然重度污染了,不知道这么一大片的污霾究竟到底是哪里冒出来的(这是因为从10月份之后,“中国污霾封锁圈”内的空气质量,多数其实都是轻度污染,一有什么情况,就迅速发展)。用人体打个比方,优就相当于健康,健康可以保持很久,良就相当于一般,对环境是有正常的抵抗能力的。轻度污染就相当于亚健康,表面看起来好像没什么,但周围环境有起伏时,或自身过度劳累时,就会生病。中度就是生病了,俗话说病来如山倒,病去如抽丝。中度污染只要有任何外在触发条件,就会迅速向重度和严重发展。现在的治理空气污染也是病去如抽丝。所以真正重要的治理空气污染的时机在9月份,而不是供暖季,那时已经迟了。扁鹊是起死回生的神医,扁鹊的哥哥治病于未起之时,让人不生病,才更加了不起。西方好像学了中医的精髓,将空气质量尽量保持在良以下,到轻度污染就各种措施用起来。中度污染不管,到重度污染才各种限行限产已经迟了,只是起到不严重到住院的程度。

 

 

不识庐山真面目,只缘身在此山中;中国的大面积污霾只有跳出京津冀,跳出中国,站在地球的角度来看才能初步看清

目前现有的2017年的各种规划中的治理方案,减排方案,对避免大面积持续空气污染几乎没什么作用。因为只会比2016年总体减排30%左右,如果减排50%,估计中国经济就吃不消了。而且哪怕不搞经济了,减排一倍,也无法避免出现持续多天的大面积空气污染。因为水利部部长都说了,2017年预计南方的降雨比2016年要少,北方的旱情会比2016年要严重。在这样的天气面前,哪怕减排一倍,也不堪一击。除非明年北极暖化加剧,导致渤海黄海的东北风更猛烈,将更多的污霾沿着江南丘陵,越南半岛,印尼热带雨林这条路线消灭的更多一些,或者除非2017年强冷风暴向北极回缩,打开渤海和黄海的海上风墙,否则的话,不做创新,2017大气治理收官之年,可能会在北方旱情面前惨败。下表是最近几年三个重点城市在11月,12月,1月冬天这三个月的下雨的天数。其中北京在2013年是连续4个月没下雨。图24中统计的是下雨或雨夹雪,下雪没计算在内。以及全年的下雨的天数(注明:表中数据来源于历史天气预报,希望气象部门根据实际降雨情况订正数字)。

 

图24

 

图25

 图25是环保部发布的2013年至2016年的日均PM2.5图,证明了这两年比前两年有很大改善。可如果这改善来自于15年和16年京津冀比13年和14年下雨更多,那么如果2017年像2013年一样的旱情,会怎么样?图中明显可以看出在7,8,9三个月的雨季,这两年的降雨除霾的效果,这3个月既没烧煤供暖,也没烧秸秆。2013年的图也形象的说明了,如果污霾持续的积累,中间没有清零休整,会有多严重。另外一个数据是2016年全国78.9%的区域降水量比常年偏多,所以2016年全国大部分城市的AQI指数是下降的。如果2017年全国降水量和2016年持平,或者更多,那全国人都要笑了,有更好的空气了。万一2017年全国降水量比较少呢?是老百姓对政府的失望感,是政府几乎用尽了所有办法后还没效果的无力感,是收官之年任务无法达成,以及各地政府都完不成空气质量的指标,是冬奥会都没信心保证空气质量。然后是全社会的互相抱怨,互相指责,然后是病急乱投医,越搞越糟。

如果没有人提出创新的方法,那么根据前面的论证,2017年必然还会有多次全国范围内的超过7天的严重空气污染事件。已经有专家研究全球变暖导致北京冬季强霾事件增加,类似于2013年1月的大规模高浓度灰霾污染事件发生的频率可能会增加50%,且事件持续时间增加80%。他们的研究还只是基于京津冀的局部空气的研究,并没像本文中的从全球的宏观角度推导出“中国污霾封锁圈”,而且没有考虑到2017年可能的北方干旱问题,而北方干旱的影响程度会更加深。所以环境容量的推演结果就是会比2016年加重。而2017年预计的减排比2016年也就少30%。

 

减排模式不能起作用的证明还在于春节假期,全国放假,工厂停工,所有的大城市几乎变成空城,除夕依然发生了重污染天气,之前没人能解释清楚,为什么都空城了,还会有重污染。

 

 

图43a

    如图43a,2017年1月19日时,南方还有一些雨,1月20日就是北方小年,这时开始各地工厂开始陆续放假,民工开始返乡,工业污染开始大幅减少。

 

 

图43b

    1月21日是南方小年,但这两个小年开始全国大范围没有降雨,污霾第三定律开始起作用。

 

图43c

 

图43d

 

图43e

 

从图43b到图43e,示意了,从小年到除夕夜,全国都是干旱少雨,虽然由于放假,总排放量很少很少,尤其是农历28,农历29,大年30除夕,更是原来没放假的工厂也放假了,全国的污染总排放量更是降到了一年中的最低点。但在连续8天的全国大范围无雨的天气条件下,仍然发生了重污染天气。连续8天是什么概念呢?2016年12月16日到22日的连续7天全国大范围重污染,是由于连续5天全国大范围无雨。2016年12月29日到2017年1月7日连续9天的跨年霾,是由于连续8天全国大范围无雨。只是因为放假期间全国总排放非常少,所以除夕那两天的污霾才没像之前的那两次重霾天那么严重。

 

 

图43f

如图43e和43f,大年初一,大年初二全国开始下了一些雨,虽然雨量和降雨范围不大但总算缓解了春节霾。

 

 减排到春节假期的总排放量,那几乎是不可能的,那相当于整个中国经济停摆。但即使是一年中排放量最低的春节假期,在连续多日全国干旱的情况下,仍然会发生重污染天气。

 

 专家此前对春节假期,都是空城仍然有重污染的解释是,大企业没放假,春运公路运输增加,学生工人白领回家供暖增加。由此指导政府2017年的一个治霾重点是农村取暖散煤治理。

 除了散煤,专家还提出一种理论就是农业化肥的大量使用造成了20%的雾霾,加上之前认为农业焚烧桔杆占了20%,农村散煤燃烧占了20%,加起来60%了。

 我个人认为这些都是之前各种治霾措施施展下去后,仍然没有改善后的现象,于是开始病急乱投医。最后只能越来越乱。

 其实事实很简单,就是工业排放,汽车尾气排放,燃煤,桔杆燃烧,几项就占污霾的80%以上,是地球本身的运转,中国本身的地理环境,加上北方干旱造成的全国大范围重污染天气。

 所以催化全国大范围重污染天气的答案其实很简单,就是北方干旱本身。而楼顶海水风力淡化法就是解决这问题的。

 

 对此我会再写一篇专门的论文。但从本文可以清楚的知道,中国大范围重污染天气的成因,以及目前的各种治霾方法不可能杜绝大范围连续多日重污染天气,而老百姓看治霾有无效果,只看有无连续多日重污染。下篇中提出的各种创新的解决方法,是唯一能保证100%杜绝大范围连续多日重污染天气的方法,是唯一能实现蓝天保卫战,让中国人重新拥有蓝天白云,健康空气的方法。

 北京今年做了大量的空气污染治理措施,但是2017年1月份和2月份同比空气质量还下降了,就是因为2017年1月和2017年2月,连续两个月,北京没有下雨。

图44

 如图44,北京3月份的前半个月仍然没有下雨,3月16日,17日南风,所以立即中度污染,发展到19日的重度污染,20日下了一会会的小雨,先降到中度,21日降到轻度,但21日又是南风,所以又加剧。随着22日和23日连下两天小雨,才将此轮北京连续多天(近8天)的污染天缓解下来。如果人类能控制天气,能在城区范围内随时造一场高密度的中到大雨,那该有多好啊,只要解决了连续多日重污染天问题,剩下的一年中的日子就可以有充分的空间和余地慢慢治理。

 

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姜洪明

姜洪明

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