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【摘要】文章系統梳理了中科院近年在大氣灰霾研究領域開展的相關工作，包括建設大氣質量觀測與模擬平臺、研發監測設備與源頭減排技術，開展國家重大活動的空氣質量保障等，在致霾機理、污染源解析和控制技術方面取得了一系列進展。中科院將“大氣灰霾追因與控制”作為重要的研究方向，重點加強快速成霾機制、健康效應等研究，加快平臺建設，不斷提升大氣環境科研水平，提高科技支撐大氣污染防治的能力。
近幾十年來，伴隨著經濟社會的快速發展，我國大氣污染日趨嚴重，突出表現為大氣能見度急劇下降，重霾鎖城事件頻繁發生，并不斷蔓延至全國20多個省（區、市）。不僅在京津冀、長三角和珠三角等城市密集區域，關中、長株潭、遼中南、成渝等地區的大氣灰霾污染近年來也日趨嚴重。
大氣灰霾對氣候、環境、健康等多方面產生負面影響，引起了中央和地方各級政府、社會公眾、國際社會的高度關注。中科院作為國家重要科技力量，與國家有關部門、地方政府、高等院校緊密合作，在大氣灰霾成因、控制技術等領域取得了重要進展。
1 主要工作
從20世紀90年代開始，中科院就開始進行大氣粉塵與顆粒物污染研究。21世紀初，中科院開始進行細顆粒物（PM2.5，主要致霾污染物）的定位監測和系統研究，其中（西安）地球環境所擁有國內唯一的連續10余年PM2.5質量及全組分監測數據，為我國開展 PM2.5歷史變化積累了重要資料。
1.1 建設大氣質量觀測、模擬平臺
中科院在全國布設了由40個站（點）組成的大氣質量聯合觀測網，覆蓋京津冀、長三角、珠三角等重點區域，對我國大氣質量開展長期、定位和聯網觀測。在京津冀區域，中科院建立了由16個國際標準空氣質量觀測站組成的地面監測網，對京津冀城市群及周邊地區的PM2.5質量濃度、化學成分及氣態污染物等進行綜合立體監測，與北京市環保局的常規監測相互補充。在珠三角區域，中科院近年來關于PM2.5質量濃度及其主要化學組成的監測數據，彌補了當地環保部門前期數據的不足，被地方政府廣泛采用。
中科院利用自主研發的大氣探測激光雷達（LIDAR）、紫外可見差分吸收光譜儀（DOAS）、調諧半導體激光吸收光譜儀（TDLAS）及傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）等系列環境光學監測設備，初步建立了城市大氣污染時空分布監測技術系統，組織實施了我國典型城市大氣環境綜合外場觀測。在實驗室平臺方面，中科院自主設計并建成了國內目前最大的室內煙霧箱模擬平臺，反應器體積達30m3，分析測試能力達國際先進水平。
1.2 研發大氣環境監測設備
針對我國大氣環境監測設備受制于發達國家的狀況，中科院組織有關研究所開展大氣環境監測技術攻關，為我國大氣環境監測能力的提升做出了重要貢獻。目前，中科院與合作企業聯合開發的PM2.5監測設備通過了環保部的檢測，批量應用于PM2.5監測業務。在各省（區、市）開展的灰霾監測超級站建設中，累計安裝50余套中科院研制的激光雷達監測設備，占全國總量的70%以上。在環保部的國控城市空氣質量監測網（338個城市，1 462個空氣質量監測站點）和1 200余個地方城市空氣質量監測點中，近2/3的站（點）采用了中科院研發的技術裝備。
中科院研制的大氣能見度儀，通過中國氣象局歷時3年的型式認證，已投入量產，并在中國氣象局觀測網、交通安全領域安裝300余套，也應用于環保部的空氣質量監測站點。
1.3 研發大氣污染源頭控制技術
中科院在工業煙氣排放控制、柴油車污染物排放控制等方面組織了一系列的技術研發和應用示范。
針對工業煙氣達標排放的迫切需求，中科院與生產企業緊密配合，積極組織大氣污染源頭控制技術的研發。目前中科院的脫硫技術已廣泛應用于熱電、鋼鐵和建材等行業的煙氣凈化，建成示范工程30余臺（套）。
中科院在煙氣脫硝催化劑國產化制備、催化劑檢測再生、分散熱源脫硝等方面形成了豐富的研究積累，已具備產業化應用能力。目前，已完成120臺（套）脫硝催化劑的性能測試，研發出適合脫硝催化劑工業化再生的全套技術與裝備，正在籌建全國首套燒結機煙氣脫硝工程——鞍鋼 328m2煙氣脫硝工程。
針對我國柴油車污染物排放控制的實際需求，中科院經過充分論證，開發了具有國際先進水平的選擇性催化還原（SCR）氮氧化物技術與催化體系，實現了重型柴油車裝車匹配和尾氣達標排放，在中國重汽等企業建立的催化轉化器生產線業已投產。該技術打破了國外企業壟斷，培育和引領民族企業快速發展，取得了良好的經濟社會效益。
1.4 服務國家重大活動
2008年，為保障北京奧運期間大氣環境質量，中科院組建了“北京及周邊地區奧運大氣環境監測和預警研究項目組”，與北京市環保局緊密合作，系統監測了北京及周邊地區大氣環境質量，成功發布了“奧運空氣質量日報”，這些科學、翔實的數據為我國政府制定控制措施改善大氣環境提供了有力的科技支撐，為我國政府兌現關于奧運空氣質量的承諾提供了重要科技保障，因此獲“北京奧運會殘奧會先進集體”等榮譽稱號。中科院自主研發的大氣環境綜合立體監測系統和空氣質量預報系統，先后在上海世博會、廣州亞運會等重大國際活動期間得到應用。目前正承擔南京“綠色青奧監控預警夏季聯合強化觀測”等重要工作。
2 重要進展
中科院瞄準我國大氣污染防治的重大需求，發揮自身研究特色和技術優勢，組織全院力量，在探索灰霾成因的基礎上，先后針對京津冀、珠三角、陜西關中等不同類型的重污染區域開展了PM2.5源解析工作，為當地大氣污染防治策略及規劃的制定提供了科學依據。同時，突破機動車尾氣及冶金等重污染行業用工業窯爐煙氣凈化等關鍵技術和核心裝備，為大氣污染的源頭治理提供了技術保障。
2.1 發現SO2-NO2復合致霾效應，提出優先控制NOx排放的策略
硫酸鹽是PM2.5的重要組分，具有很強的光散射效應，與灰霾成因密切相關。中科院研究發現，在大氣中硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）共存的條件下，SO2和亞硫酸鹽向硫酸鹽的轉化速率顯著加快，即NOx是促進SO2轉化為硫酸鹽的關鍵因素。該結論在煙霧箱模擬實驗中得到了驗證，并為2013年1月北京地區強霾期間的觀測數據所證實。
NOx的主要排放源為煤和機動車，故加大脫硝力度十分關鍵！
2.2 根據京津冀地區PM2.5動態源解析的結果，提出了該區域大氣污染防治的近期、中長期策略
中科院對2013年1月北京重污染和清潔時段PM2.5源解析結果表明，重污染時段和清潔時段PM2.5來源顯著不同（圖1）。清潔時段PM2.5的主要來源為燃煤、生物質燃燒、揚塵和機動車，分別約占45%、17%、15%和13%，其他排放源合計約占10%；重污染時段PM2.5的主要來源則為機動車、燃煤、工業和揚塵，分別約占42%、28%、13%和12%，其他排放源約占5%。由此提出京津冀地區需要加強聯防聯控與污染物協同減排，對控制短期強霧霾事件發生頻率的建議如下：即在極其不利的氣象預報條件下，應提前采取措施，限制河北、山東及河南各省的燃煤排放量、天津重化工排放量以及北京機動車出行量。
圖1 京津冀區域大氣環境監測系統
對2009—2011年京津冀PM2.5來源解析結果表明，北京、天津、河北保定和唐山4城市的PM2.5主要來源均為燃煤、機動車、工業和餐飲，其中，河北省相關城市燃煤、機動車、工業和餐飲所占份額分別約為44%、14%、9%和8%，其他排放源（包括揚塵、溶劑、植物、農業和生物質燃燒）合計約占25%；天津分別約為25%、21%、18%和6%，其他5種排放源合計約占30%；北京分別約為30%、22%、 12%和13%，其他排放源合計約占23%。由此提出京津冀地區中長期的空氣質量改善措施如下：（1）提高燃煤鍋爐脫硫、脫硝、除塵效率；（2）提高燃油標準，提升油品質量（包括河北、天津的油品質量）；（3）建立并完善氨（NH3）和揮發性有機化合物（VOCs）排放標準；（4）完善餐飲業、油印廠、建筑裝修和噴涂行業等排放標準；（5）提高農業氮肥使用效率，減少畜牧業氨排放，提高生物質燃料使用效率，采用更加環保的方式替代秸稈直接燃燒。
2.3 解析珠三角PM2.5和二次有機氣溶膠前體物來源，為珠三角PM2.5和灰霾防治對策出臺提供了重要科技支撐
2008年6月，在廣東省政府主持的“珠江三角洲大氣污染防治研討會”上，中科院基于前期實際觀測結果，分析了珠三角PM2.5的主要組成與來源，給出了對珠三角灰霾貢獻最大的成分是硫酸鹽和有機氣溶膠的結論。該結論被后續定位觀測所證實，并成為當地政府制定粵港聯合脫硫政策的科學依據。
2009年，中科院受廣州市政府委托，通過代表性站點觀測，系統解析了當地PM2.5來源，結果表明，其來源包括工業（約占33%，含電力）、機動車（約占26%)、生物質燃燒（約占11%）、揚塵（約占11%)、面源（約占8%）、餐飲（約占6%）及其他來源（約占5%）等。該結果被廣州市政府所采納，并作為官方數據予以公布，同時當地政府以此為基礎，制定空氣質量達標規劃。
2010年，中科院受廣州市政府委托，解析了廣州市PM2.5中占比最高的有機氣溶膠的來源，明確了除機動車尾氣排放外，生物質燃燒對有機氣溶膠的貢獻可達25%左右。據此，中科院向廣州市政府提出了控制生物質燃燒的對策建議。
中科院還對珠三角地區2007—2010年VOCs排放情況做了研究，發現苯系物在該區域不僅是臭氧的最重要前體物，同時對珠三角二次有機氣溶膠的貢獻率可達75%以上。進一步的解析結果顯示，苯系物最重要的3個來源分別是工業溶劑、機動車尾氣和生物質燃燒。上述研究結果為廣東省政府出臺地方行業排放控制標準提供了科學依據。
2.4 長期開展西安大氣顆粒物研究，在西安市近20年大氣環境治理中發揮了重要作用
從2002年起，中科院開始對西安市PM2.5質量濃度與化學組分進行監測與分析，結果表明，西安PM2.5濃度高達全國平均濃度1.5倍以上，最高可達年均180g/m3以上，且其中有機毒性成分高，為全國PM2.5污染最嚴重的地區之一。觀測、模擬和衛星觀測等多種手段的聯合研究表明，導致關中地區大氣污染的燃煤、機動車排放、揚塵和生物質燃燒等4類主要來源的貢獻率占PM2.5總量的85%以上。20年來，中科院積極推動陜西省天然氣替代、清潔能源使用、機動車污染控制、垃圾禁燒、揚塵控制等環保工作的開展，使西安地區PM2.5濃度自2003年以來以每年 4μg/m3的速率下降。
2.5 研發出適合我國國情的柴油車排放控制后處理技術系統，為快速提升我國柴油車排放標準提供了技術保障
柴油車排放的NOx是酸雨、光化學煙霧和灰霾形成的重要前體污染物。經過大量實驗室模擬、發動機臺架和裝車試驗研究，中科院研發出包含發動機調整匹配、車載自動診斷（OBD）控制、催化轉換器、還原劑供給等單元的柴油車尾氣后處理技術系統，可高效凈化柴油車排放顆粒物和NOx兩大主要污染物，為目前我國實施柴油車國IV排放標準提供了技術支撐，研發的技術系統已獲得規模化應用，并為國V及以上更嚴格的排放法規達標提供技術儲備。
2.6 突破了工業窯爐煙氣控制技術，在冶金等傳統行業的污染物控制方面發揮了重要作用
目前，工業窯爐煙氣污染控制是改善大氣環境的關鍵環節之一。中科院在冶金等傳統行業煙氣治理方面的技術積累正在發揮支撐和引領作用。2004年，中科院完成石家莊東方熱電廠130t/h工業鍋爐內外雙循環流化床（CFB）煙氣脫硫工程，為當時國內規模最大，脫硫效率達95%以上；2005年，中科院率先將CFB半干法脫硫技術用于冶金企業煙氣脫硫，完成濟南鋼廠120m2燒結機CFB煙氣脫硫工程，脫硫效率達90% 以上；2013年，中科院在徐州成日鋼廠完成我國首座132m2燒結機CFB煙氣多污染物協同控制示范工程，脫硫效率達90%以上。目前，中科院在冶金行業煙氣脫硫技術指標已達到或優于國外同類技術水平，投資僅為國外技術工藝的40%—60%，運行費用僅為國外同類技術工藝的40%—50%。
“十一五”后期，中科院前瞻部署了冶金煙氣脫硝技術的研究工作，組織研發了系列新型脫硝催化劑，其工作溫度降至 150℃以下，脫硝效率達到80%以上，并完成示范工程應用。目前，正在鞍鋼籌建我國第一個328m2燒結機煙氣脫硝工程，與企業合作完成150t/h工業鍋爐電袋復合除塵工程，總體除塵效率達到99.9%以上，粉塵排放濃度降至30mg/m3以下。上述工作已具備支撐我國冶金、水泥等傳統行業大氣污染綜合治理的技術和工程條件。
3 展望
“大氣灰霾追因與控制”作為中科院服務國民經濟和社會可持續發展長期部署的重點研究領域，今后將繼續予以大力支持，旨在為國家大氣灰霾治理持續提供堅實的科技支撐。今后的主要工作是：
3.1 加強快速成霾機制研究，為有效控制灰霾污染提供理論依據
在重霾污染過程中，二次生成細顆粒物可占PM2.5的60%—70%，但目前關于氣態前體污染物如何在大氣中快速轉化形成二次細顆粒物，并進一步吸濕增長致霾的機理尚不清晰，這既是我國大氣灰霾研究的最具挑戰性的科學前沿，也是實現二次細顆粒物來源的精準解析和大氣灰霾數值預警預報的“瓶頸”所在。因此，必須加強大氣新粒子成核機制以及二次粒子非均相形成、增長和老化機制的研究；同時，要重視基于加強觀測發現的霾形成的新現象和新規律探索，加強實際大氣中多污染物共存條件下的二次粒子形成、增長和大氣演化過程研究，為制定科學有效的灰霾控制策略、評估污染控制技術和措施效果、改進霾預報預警模式的參數化方案提供科學依據。
3.2 大氣環境的健康效應研究
大氣污染嚴重威脅著人民群眾的身心健康，加劇了人們罹患呼吸道、心血管等疾病的風險。國際上關于灰霾對人體健康有所研究，但對于特定病種缺乏深入細致的分析和探索。這是一項長期、復雜的研究工作，一方面要從環境毒理學的角度出發，發展評價方法體系，開展顆粒物的生物有效性與毒性的生物學機制研究。建立適合我國的大氣污染物人群健康影響的劑量-反應關系，逐步確定不同污染物對人體健康的影響閾值。另一方面，研究環境、疾病、氣象條件之間的內在聯系，通過公共衛生學與環境科學的交叉研究，進一步明確大氣污染物的主要健康危害、致病因子、風險水平和易感人群。
3.3 發展控制技術和設備，并在省級區域進行應用，為國家治理灰霾污染提供示范
針對我國不同區域大氣污染特點，選擇重點污染省份，開展高效控制技術與設備研發，完成技術集成和工程示范，形成大氣污染綜合治理技術方案。在河北省，重點發展電力、冶金企業脫硫、脫硝、除塵等多污染物協同控制技術，完善冶金、建材等行業脫硝技術和催化劑規模化生產技術，重點控制NOx和SO2排放；在上海、江蘇、浙江等東部省市重點開展燃煤、機動車行業技術示范，控制煙氣細顆粒、NOx、VOCs、NH3等排放；在廣東省重點開展典型行業VOCs減排和運輸行業機動車排放控制工程技術應用，加大臭氧污染控制研究，推動綠色清潔技術發展，促進化工、家具、家電、汽車等行業產業升級。
3.4 加快重大科技基礎設施建設，為我國大氣環境研究和治理提供重要平臺
大氣環境模擬艙是研究環境大氣痕量氣體和顆粒物反應演化的關鍵技術手段，在艙內可以模擬現在、將來的各種或特定大氣狀態，研究大氣二次污染形成的機制。建設大氣環境模擬艙有助于開展灰霾污染形成過程與機理方面的基礎研究，并帶動我國相關模型與儀器設備研發水平的提升，為我國大氣環境研究和污染治理提供重要平臺。
高塔作為低層大氣綜合探測系統，可以實現數百米高度內的大氣通量、大氣成分、氣象場等參量的綜合自動觀測。在重點區域建設高塔觀測超級站，可以實現對流層大氣成分和氣象參數的長期、綜合、立體觀測。
利用地基MAX-DOAS（多軸差分吸收光譜儀）建設“灰霾及其前體物立體監測網絡”，開展SO2、NO2、 HCHO（甲醛）等大氣細顆粒氣態前體物和顆粒物PM10（可吸入顆粒物）/PM2.5的垂直總量和廓線的監測研究，將彌補目前環保監測網絡單一地面監測數據的不足，為研究灰霾的形成、演變和區域輸送規律、開展霧霾準確預報提供技術手段。
3.5 推動城市大氣環境卓越中心建設，凝聚優秀人才隊伍，為我國城市大氣復合污染控制提供持續保障
中科院在大氣物理、大氣化學、環境光學、大氣污染控制和環境政策等研究領域擁有一支成建制的研究隊伍，逐步形成大氣復合污染外場觀測、實驗室研究、模式模擬、相關儀器研發與污染控制技術研究學科體系和緊密合作的科研團隊。依托“大氣灰霾追因與控制”專項建立“城市大氣環境卓越中心”，有利于從制度上凝聚和穩定這支隊伍。在開展灰霾追因與控制研究的基礎上，進一步揭示我國不同區域城市大氣復合污染的形成機制，獲得不同時空條件下我國各區域的污染物環境容量，為最終控制我國城市大氣復合污染提供科學依據和實施方案。
選自：《中國科學院院刊》2014年第3期
作者：白春禮（化學家和納米科技專家。中科院院長，黨組書記，學部主席團執行主席，發展中國家科學院院長，中共十八屆中央委員會委員。1953年9月出生，遼寧人。博士。中科院、發展中國家科學院、美國國家科學院、英國皇家學會、俄羅斯科學院等10余個國家科學院或工程院院士。兼任中國微納協會名譽理事長、國家納米科技指導協調委員會首席科學家等；中央人才工作協調小組、國家教育改革領導小組、國家“十二五”國民經濟社會發展規劃專家組成員，國家科技獎勵委員會副主任委員等；若干化學和納米科技領域重要國際學術刊物的共同主編或國際顧問編委。）