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【摘要】文章系統(tǒng)梳理了中科院近年在大氣灰霾研究領(lǐng)域開展的相關(guān)工作，包括建設大氣質(zhì)量觀測與模擬平臺、研發(fā)監(jiān)測設備與源頭減排技術(shù)，開展國家重大活動的空氣質(zhì)量保障等，在致霾機理、污染源解析和控制技術(shù)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(huán)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(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國大氣污染日趨嚴重，突出表現(xiàn)為大氣能見度急劇下降，重霾鎖城事件頻繁發(fā)生，并不斷蔓延至全國20多個?。▍^(qū)、市）。不僅在京津冀、長三角和珠三角等城市密集區(qū)域，關(guān)中、長株潭、遼中南、成渝等地區(qū)的大氣灰霾污染近年來也日趨嚴重。

大氣灰霾對氣候、環(huán)境、健康等多方面產(chǎn)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(guān)注。中科院作為國家重要科技力量，與國家有關(guān)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(shù)等領(lǐng)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(jiān)測和系統(tǒng)研究，其中（西安）地球環(huán)境所擁有國內(nèi)唯一的連續(xù)10余年P(guān)M2.5質(zhì)量及全組分監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(zhì)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(zhì)量聯(lián)合觀測網(wǎng)，覆蓋京津冀、長三角、珠三角等重點區(qū)域，對我國大氣質(zhì)量開展長期、定位和聯(lián)網(wǎng)觀測。在京津冀區(qū)域，中科院建立了由16個國際標準空氣質(zhì)量觀測站組成的地面監(jiān)測網(wǎng)，對京津冀城市群及周邊地區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度、化學成分及氣態(tài)污染物等進行綜合立體監(jiān)測，與北京市環(huán)保局的常規(guī)監(jiān)測相互補充。在珠三角區(qū)域，中科院近年來關(guān)于PM2.5質(zhì)量濃度及其主要化學組成的監(jiān)測數(shù)據(jù)，彌補了當?shù)丨h(huán)保部門前期數(shù)據(jù)的不足，被地方政府廣泛采用。

中科院利用自主研發(fā)的大氣探測激光雷達（LIDAR）、紫外可見差分吸收光譜儀（DOAS）、調(diào)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(huán)境光學監(jiān)測設備，初步建立了城市大氣污染時空分布監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)，組織實施了我國典型城市大氣環(huán)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(nèi)目前******的室內(nèi)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(fā)大氣環(huán)境監(jiān)測設備

針對我國大氣環(huán)境監(jiān)測設備受制于發(fā)達國家的狀況，中科院組織有關(guān)研究所開展大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)攻關(guān)，為我國大氣環(huán)境監(jiān)測能力的提升做出了重要貢獻。目前，中科院與合作企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的PM2.5監(jiān)測設備通過了環(huán)保部的檢測，批量應用于PM2.5監(jiān)測業(yè)務。在各?。▍^(qū)、市）開展的灰霾監(jiān)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(jiān)測設備，占全國總量的70%以上。在環(huán)保部的國控城市空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)（338個城市，1 462個空氣質(zhì)量監(jiān)測站點）和1 200余個地方城市空氣質(zhì)量監(jiān)測點中，近2/3的站（點）采用了中科院研發(fā)的技術(shù)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(chǎn)，并在中國氣象局觀測網(wǎng)、交通安全領(lǐng)域安裝300余套，也應用于環(huán)保部的空氣質(zhì)量監(jiān)測站點。

1.3　研發(fā)大氣污染源頭控制技術(shù)

中科院在工業(yè)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(shù)研發(fā)和應用示范。

針對工業(yè)煙氣達標排放的迫切需求，中科院與生產(chǎn)企業(yè)緊密配合，積極組織大氣污染源頭控制技術(shù)的研發(fā)。目前中科院的脫硫技術(shù)已廣泛應用于熱電、鋼鐵和建材等行業(yè)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(fā)出適合脫硝催化劑工業(yè)化再生的全套技術(shù)與裝備，正在籌建全國首套燒結(jié)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(jīng)過充分論證，開發(fā)了具有國際先進水平的選擇性催化還原（SCR）氮氧化物技術(shù)與催化體系，實現(xiàn)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(yè)建立的催化轉(zhuǎn)化器生產(chǎn)線業(yè)已投產(chǎn)。該技術(shù)打破了國外企業(yè)壟斷，培育和引領(lǐng)民族企業(yè)快速發(fā)展，取得了良好的經(jīng)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(huán)境質(zhì)量，中科院組建了“北京及周邊地區(qū)奧運大氣環(huán)境監(jiān)測和預警研究項目組”，與北京市環(huán)保局緊密合作，系統(tǒng)監(jiān)測了北京及周邊地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量，成功發(fā)布了“奧運空氣質(zhì)量日報”，這些科學、翔實的數(shù)據(jù)為我國政府制定控制措施改善大氣環(huán)境提供了有力的科技支撐，為我國政府兌現(xiàn)關(guān)于奧運空氣質(zhì)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(fā)的大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測系統(tǒng)和空氣質(zhì)量預報系統(tǒng)，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(jiān)控預警夏季聯(lián)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(fā)揮自身研究特色和技術(shù)優(yōu)勢，組織全院力量，在探索灰霾成因的基礎(chǔ)上，先后針對京津冀、珠三角、陜西關(guān)中等不同類型的重污染區(qū)域開展了PM2.5源解析工作，為當?shù)卮髿馕廴痉乐尾呗约耙?guī)劃的制定提供了科學依據(jù)。同時，突破機動車尾氣及冶金等重污染行業(yè)用工業(yè)窯爐煙氣凈化等關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備，為大氣污染的源頭治理提供了技術(shù)保障。

2.1　發(fā)現(xiàn)SO2-NO2復合致霾效應，提出優(yōu)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(guān)。中科院研究發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)化速率顯著加快，即NOx是促進SO2轉(zhuǎn)化為硫酸鹽的關(guān)鍵因素。該結(jié)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(qū)強霾期間的觀測數(shù)據(jù)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(guān)鍵！

2.2　根據(jù)京津冀地區(qū)PM2.5動態(tài)源解析的結(jié)果，提出了該區(qū)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(jié)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(zhì)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(yè)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(qū)需要加強聯(lián)防聯(lián)控與污染物協(xié)同減排，對控制短期強霧霾事件發(fā)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(qū)域大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

對2009—2011年京津冀PM2.5來源解析結(jié)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(yè)和餐飲，其中，河北省相關(guān)城市燃煤、機動車、工業(yè)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(nóng)業(yè)和生物質(zhì)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(qū)中長期的空氣質(zhì)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(zhì)量（包括河北、天津的油品質(zhì)量）；（3）建立并完善氨（NH3）和揮發(fā)性有機化合物（VOCs）排放標準；（4）完善餐飲業(yè)、油印廠、建筑裝修和噴涂行業(yè)等排放標準；（5）提高農(nóng)業(yè)氮肥使用效率，減少畜牧業(yè)氨排放，提高生物質(zhì)燃料使用效率，采用更加環(huán)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(jié)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******的成分是硫酸鹽和有機氣溶膠的結(jié)論。該結(jié)論被后續(xù)定位觀測所證實，并成為當?shù)卣贫ɑ浉勐?lián)合脫硫政策的科學依據(jù)。

2009年，中科院受廣州市政府委托，通過代表性站點觀測，系統(tǒng)解析了當?shù)豍M2.5來源，結(jié)果表明，其來源包括工業(yè)（約占33%，含電力）、機動車（約占26%)、生物質(zhì)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(jié)果被廣州市政府所采納，并作為官方數(shù)據(jù)予以公布，同時當?shù)卣源藶榛A(chǔ)，制定空氣質(zhì)量達標規(guī)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(zhì)燃燒對有機氣溶膠的貢獻可達25%左右。據(jù)此，中科院向廣州市政府提出了控制生物質(zhì)燃燒的對策建議。

中科院還對珠三角地區(qū)2007—2010年VOCs排放情況做了研究，發(fā)現(xiàn)苯系物在該區(qū)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(jié)果顯示，苯系物最重要的3個來源分別是工業(yè)溶劑、機動車尾氣和生物質(zhì)燃燒。上述研究結(jié)果為廣東省政府出臺地方行業(yè)排放控制標準提供了科學依據(jù)。

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(huán)境治理中發(fā)揮了重要作用

從2002年起，中科院開始對西安市PM2.5質(zhì)量濃度與化學組分進行監(jiān)測與分析，結(jié)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(qū)之一。觀測、模擬和衛(wèi)星觀測等多種手段的聯(lián)合研究表明，導致關(guān)中地區(qū)大氣污染的燃煤、機動車排放、揚塵和生物質(zhì)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(huán)保工作的開展，使西安地區(qū)PM2.5濃度自2003年以來以每年 4μg/m3的速率下降。

2.5　研發(fā)出適合我國國情的柴油車排放控制后處理技術(shù)系統(tǒng)，為快速提升我國柴油車排放標準提供了技術(shù)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(jīng)過大量實驗室模擬、發(fā)動機臺架和裝車試驗研究，中科院研發(fā)出包含發(fā)動機調(diào)整匹配、車載自動診斷（OBD）控制、催化轉(zhuǎn)換器、還原劑供給等單元的柴油車尾氣后處理技術(shù)系統(tǒng)，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(shù)支撐，研發(fā)的技術(shù)系統(tǒng)已獲得規(guī)?；瘧?，并為國V及以上更嚴格的排放法規(guī)達標提供技術(shù)儲備。

2.6　突破了工業(yè)窯爐煙氣控制技術(shù)，在冶金等傳統(tǒng)行業(yè)的污染物控制方面發(fā)揮了重要作用

目前，工業(yè)窯爐煙氣污染控制是改善大氣環(huán)境的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。中科院在冶金等傳統(tǒng)行業(yè)煙氣治理方面的技術(shù)積累正在發(fā)揮支撐和引領(lǐng)作用。2004年，中科院完成石家莊東方熱電廠130t/h工業(yè)鍋爐內(nèi)外雙循環(huán)流化床（CFB）煙氣脫硫工程，為當時******************，脫硫效率達95%以上；2005年，中科院率先將CFB半干法脫硫技術(shù)用于冶金企業(yè)煙氣脫硫，完成濟南鋼廠120m2燒結(jié)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(jié)機CFB煙氣多污染物協(xié)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(yè)煙氣脫硫技術(shù)指標已達到或優(yōu)于國外同類技術(shù)水平，投資僅為國外技術(shù)工藝的40%—60%，運行費用僅為國外同類技術(shù)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(shù)的研究工作，組織研發(fā)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(jié)機煙氣脫硝工程，與企業(yè)合作完成150t/h工業(yè)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(tǒng)行業(yè)大氣污染綜合治理的技術(shù)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(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展長期部署的重點研究領(lǐng)域，今后將繼續(xù)予以大力支持，旨在為國家大氣灰霾治理持續(xù)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(jù)

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(guān)于氣態(tài)前體污染物如何在大氣中快速轉(zhuǎn)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(zhàn)性的科學前沿，也是實現(xiàn)二次細顆粒物來源的精準解析和大氣灰霾數(shù)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(fā)現(xiàn)的霾形成的新現(xiàn)象和新規(guī)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(shù)和措施效果、改進霾預報預警模式的參數(shù)化方案提供科學依據(jù)。

3.2　大氣環(huán)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(guān)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(huán)境毒理學的角度出發(fā)，發(fā)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(guān)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(huán)境、疾病、氣象條件之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過公共衛(wèi)生學與環(huán)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(fā)展控制技術(shù)和設備，并在省級區(qū)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(qū)域大氣污染特點，選擇重點污染省份，開展高效控制技術(shù)與設備研發(fā)，完成技術(shù)集成和工程示范，形成大氣污染綜合治理技術(shù)方案。在河北省，重點發(fā)展電力、冶金企業(yè)脫硫、脫硝、除塵等多污染物協(xié)同控制技術(shù)，完善冶金、建材等行業(yè)脫硝技術(shù)和催化劑規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)，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(yè)技術(shù)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(yè)VOCs減排和運輸行業(yè)機動車排放控制工程技術(shù)應用，加大臭氧污染控制研究，推動綠色清潔技術(shù)發(fā)展，促進化工、家具、家電、汽車等行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級。

3.4　加快重大科技基礎(chǔ)設施建設，為我國大氣環(huán)境研究和治理提供重要平臺

大氣環(huán)境模擬艙是研究環(huán)境大氣痕量氣體和顆粒物反應演化的關(guān)鍵技術(shù)手段，在艙內(nèi)可以模擬現(xiàn)在、將來的各種或特定大氣狀態(tài)，研究大氣二次污染形成的機制。建設大氣環(huán)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(chǔ)研究，并帶動我國相關(guān)模型與儀器設備研發(fā)水平的提升，為我國大氣環(huán)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(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)百米高度內(nèi)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(qū)域建設高塔觀測超級站，可以實現(xiàn)對流層大氣成分和氣象參數(shù)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(jiān)測網(wǎng)絡”，開展SO2、NO2、 HCHO（甲醛）等大氣細顆粒氣態(tài)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(jiān)測研究，將彌補目前環(huán)保監(jiān)測網(wǎng)絡單一地面監(jiān)測數(shù)據(jù)的不足，為研究灰霾的形成、演變和區(qū)域輸送規(guī)律、開展霧霾準確預報提供技術(shù)手段。

3.5　推動城市大氣環(huán)境卓越中心建設，凝聚優(yōu)秀人才隊伍，為我國城市大氣復合污染控制提供持續(xù)保障

中科院在大氣物理、大氣化學、環(huán)境光學、大氣污染控制和環(huán)境政策等研究領(lǐng)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(guān)儀器研發(fā)與污染控制技術(shù)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(huán)境卓越中心”，有利于從制度上凝聚和穩(wěn)定這支隊伍。在開展灰霾追因與控制研究的基礎(chǔ)上，進一步揭示我國不同區(qū)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(qū)域的污染物環(huán)境容量，為最終控制我國城市大氣復合污染提供科學依據(jù)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(zhí)行主席，發(fā)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(fā)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(xié)會名譽理事長、國家納米科技指導協(xié)調(diào)委員會首席科學家等；中央人才工作協(xié)調(diào)小組、國家教育改革領(lǐng)導小組、國家“十二五”國民經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)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(lǐng)域重要國際學術(shù)刊物的共同主編或國際顧問編委。）