涨知识| 尺度分析雾霾成因
在我看来，《大气动力学》课程的精髓在于“尺度分析”，通过尺度分析才能认识复杂关系中最核心的规律。“尺度分析”也可以通用于其他复杂的事务，从数千年历史的发展脉络，到错综复杂的经济形势和国际关系等。对雾霾的成因做个“尺度分析”，结果连我自己都大吃一惊，原来散煤燃烧、餐饮业，甚至机动车都不是最大的问题，最大的问题来自于工业，其中最主要为电力热力企业，这些企业在脱硫脱硝上的弄虚作假和各种手段，成为目前最大的污染来源，说到底是腐败和管理的问题。
前5年，本人在中国科学院大学教两门《大气动力学》课程（导论和高等），每次在复习考试的时候，不免要对课程进行总结，这时候，我会把全年的课程总结为四个字，即“尺度分析”。
我给同学们说，如果你能理解尺度分析的精髓，不仅对这两门课程，而且对你的人生、人际关系都至关重要，也有助于你认识世界，认识我们千年的历史，甚至有助于你形成积极的三观。
这次，我尝试用尺度分析看看雾霾从哪里来的。
一、“尺度分析”是个什么鬼
这个尺度可不是“大尺度写真”等里面的尺度，而是指重要程度。
所谓尺度分析，就是对一个非常复杂的等式，进行重要程度分析，从而简化方程比如下面这个方程：
这个方程的特点就是复杂，左边第一项还可以进一步展开成偏微分，最后的摩擦力项还可以继续展开，方程左边一大堆，右边一大堆，等式里每一项意义不同，相互作用复杂多变。
气象学家恰尼(Jule Gregory Charney，1917-1981)于1948提出了“尺度分析”，对以上方程中的每一项的大小进行比较，一比吓一跳，原来这个方程里各项大小有数量级的巨大差别，比如自由大气里，对于天气系统而言，摩擦力的量级是10-13次，而气压梯度力和科氏力的量级是10-3次。如此巨大的差别，只要最大项稍微有哪怕一丁点的误差就远远超过那些小项，于是根据这种量值的差别，把方程里的小项逐一去掉，就可以得到最大项组成的方程组，获得大气运动里最主要的规律，方程式如下：
即“地转风”关系和“静力平衡”关系，这才是大气运动里面的终极规律。
总结起来，所谓“尺度分析”即使抓住事物里最最主要的主宰因子，从而把握核心。
比如某女孩子当天有很多事情：
1) 上专业课
2) 某帅哥要约会
3) 宿舍有人看了我一眼，似乎对我有意见
4) 中午吃哪家？
5) 想起吃饭就想起减肥
6) 想起减肥就想起健身
7) 健美操协会
8) 要给闺蜜电话
……
这些事情里，每件事情在人生中的价值并不相同，有些可能会影响一生，比如专业课很可能是未来安身立命之本，而和舍友的宫斗、中午吃什么饭等，基本上在几周或者几个月之后你都会彻底忘记，重要性完全不同，所以不可以颠倒轻重。
如果把“尺度分析”用到读历史，也许需要看几千年的大走向和现在所处的阶段；如果要认识现在中国，也许需要看占人口大多数的农村户籍人口的生活状态；如果用来看经济，可能需要看货币供应量（瞎猜的）……
总之，尺度分析来自于气象，但是有可能在其他行业有广泛应用。
雾霾“红警”期间，拿尺度分析一下雾霾，也许会让你大吃一惊。
二、关于雾霾解析
也许会有人疑惑，雾霾的来源分析不是已经有了很多源解析了么？比如2014年4月17日，北京市环保局发布了北京PM2.5来源解析的结果，最近成都市也发布了成都市的PM2.5源解析，对于这些结果，个人认为只是有借鉴价值，源解析的技术目前还有需要进一步完善之处，相信并非最终结果。
另外，个人认为源解析得到饼图失之笼统，并不能对决策提供很强的借鉴意义，比如说燃煤是重要原因，结果很有可能把执法力量指引到关停家家户户煤炉子去了，说餐饮有贡献，执法力量可能也全跑去餐馆封炉子去了，比如下面这张图可就是廊坊环保局干出来的事情，我只能说，面对长江决口，封堵门口的小溪流有什么用？
廊坊市环保局威武霸气！
三、污染物总量的尺度分析
不用特意找数据，随便找个环保部的《****年环境污染物排放量统计年报》，即可做个分析，比如以2013年为例。以下为对三种主要污染物的尺度分析：
二氧化硫排放量
《2013年环境污染物排放量统计年报》二氧化硫排放量统计结果
工业二氧化硫排放量1835.2万吨，占全国二氧化硫排放总量的89.8%。城镇生活二氧化硫排放量208.5万吨，占全国二氧化硫排放总量的10.2%。
调查统计的41个工业行业中，二氧化硫排放量位于前3位的行业依次为电力、热力生产和供应业，黑色金属冶炼及压延加工业，非金属矿物制品业，3个行业共排放二氧化硫1151.8万吨，占重点调查工业企业二氧化硫排放总量的68.2%。
结论1：二氧化硫污染物的主要排放源为工业生产，工业里最大两户为电力、热力生产
2
氮氧化物排放量
《2013年环境污染物排放量统计年报》各地区氮氧化物排放量统计结果
工业氮氧化物排放量1545.6万吨，占全国氮氧化物排放总量的69.4%。城镇生活氮氧化物排放量40.7万吨，占全国氮氧化物排放总量的1.8%。机动车氮氧化物排放量640.6万吨，占全国氮氧化物排放总量的28.8%。
2013年，调查统计的工业行业中，氮氧化物排放量位于前3位的行业依次为电力、热力生产和供应业，非金属矿物制品业，黑色金属冶炼及压延加工业，3个行业共排放氮氧化物1268.3万吨，占重点调查工业企业氮氧化物排放总量的86.6%。
结论2：氮氧化物污染物的主要排放源为工业生产，工业里最大两户为电力、热力生产。
3
烟（粉）尘排放量
《2013年环境污染物排放量统计年报》各地区烟（粉）尘排放量统计结果
工业烟（粉）尘排放量1094.6万吨，占全国烟（粉）尘排放总量的85.6%。城镇生活烟尘排放量123.9万吨，占全国烟（粉）尘排放总量的9.7%。机动车颗粒物排放量59.4万吨，占全国烟（粉）尘排放总量的4.6%。
2013年，调查统计工业行业中，烟（粉）尘排放量位于前3位的行业依次为电力、热力生产和供应业，非金属矿物制品业，黑色金属冶炼及压延加工业，3个行业共排放烟（粉）尘722.6万吨，占重点调查工业企业烟（粉）尘排放量的70.7%。
结论3：烟（粉）尘污染物的主要排放源为工业生产，工业里最大两户为电力、热力生产。
工业在以上三种主要污染物的排放量都远超过一半，而居民生活和机动车等等都是分析中的小量。小量的含义在于如果要做减排和改善，只要最主要的排放源（工业排放）不改进，那么小量上的任何改进对总量而言都是微乎其微的。最大项哪怕只发生仅仅10%的变化，不仅有可能超过小量本身，而且也会远远大于小项上所有痛苦而艰辛的改善努力。
四、能源结构分析
对于以上污染物总量的分析，我们还可以从能源消耗结构上来进一步印证，
以下数据100%来自于国家统计局公开数据和公开报道。
全国能源消费构成
2015年全国能源消费构成，数据来自于国家统计局（http://www.stats.gov.cn）。
我国能源标准用的是标准煤，以此作为各种能源换算的标准，比如国际（GB2589-81）规定，每千克标准煤的热值是7000千卡（29171千焦），所以每千克原煤折合标准煤0.7143千克，没千克洗精煤折合0.9千克标准煤，而泥煤仅折合0.2857-0.4286千克，原油每千克折合1.4286千克标准煤，汽油和煤油是1.4714千克，而柴油味1.4571千克，油田天然气每立方米折合1.33千克标准煤，气田天然气每立方米折合1.2143千克标准煤，火力发电每千瓦小时相当于0.1229千克标准煤
在我国的能源的消费中，煤炭从来都是最大的部分，比其他的任何能源都大一个数量级，2015年算是历史中煤炭所占比例最小的一年，依然达到64%
结论4：我国能源消耗的最大项为煤炭。
2
各行业的煤炭消耗量
我国2014年各行业煤炭的消耗量，数据来自于国家统计局（http://www.stats.gov.cn）
2014年我国总共消耗煤炭41.16135亿吨，其中95%被工业消耗掉，总量达到39.04975亿吨，其次为生活消费，占2%左右，总消耗量为0.9253亿吨。
结论5：我国煤炭的主要消费者为工业生产
如果转个分类方式，按照终端消费煤炭和中间消费来区分，2014年终端消费煤炭11.94914亿吨，占比28.15%,当中又以工业消耗为主，消耗9.82225亿吨。
中间消费煤炭28.23553亿吨，占比66.5%，其中发电为大头，消耗量19.5177亿吨，占中间消费的比例为69%,而供热的消耗量为2.27095亿吨，只占中间消耗比例的8%，因此总拿北方冬季的供暖来说事，似乎并不妥当。
结论6：火电是煤炭的消耗大户。
3
各行业对电力的消耗量
我国2014年各行业对电力的消耗量,数据来自于国家统计局（http://www.stats.gov.cn）
很明显工业是电力消耗的主要力量，占全社会电力消耗量的72%，生活消费仅仅占到所有电力消耗的13%。
结论7：工业消耗了电力的主要部分
4
电力组成
我国2014年 水电、火电、核能、风能分别在我国电力生产中的比例,数据来自于国家统计局（http://www.stats.gov.cn）
尽管有各种新能源项目，新能源的发展似乎也展现出无穷的潜力，然而我国电力的主要来源来自于火电，比例高达78%，最被我看好的太阳能，在国家统计局里竟然都没有统计，估计装机容量远远无法和上面四种之一相提并论。
结论8：我国的电力主要来自于火电。
五、大气污染治理的核心是工业脱硫脱硝
目前脱硫和脱销技术基本上已经成熟，技术上脱硫和脱销效率达到95%以上没有太大问题，脱硫和脱销也在国内主要的火电厂、炼钢厂等强制执行，并且还有相关的法律保障和行业标准，比如2015年8月29日修订通过的《中华人民共和国大气污染防治法》，2011年7月29日发布《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011），火电行业推出的国家标准主要限制二氧化硫、氮氧化物和烟尘三种污染物，规定SO2和NOx排放标准都是100mg/m3，烟尘全部执行30mg/m3标准。
技术上有保障，法规上有限制，似乎对我国主要污染物的控制就可以实现，比如工业虽然消耗了95%的煤炭，但是如果脱硫和脱销能够达到95%的效率，折合成未经处理的煤炭，只有0.95*0.05=0.0475,即经过处理过的的煤炭燃烧只在未经处理的总煤炭量里相当于4.75%,仅仅比生活消费的2%高一点而已。
尽管2014年工业消耗了煤炭比例为95%，可是工业燃烧如果能对燃烧物进行脱硫脱硝处理，则工业在产生的污染物中的比例就可以大大低于95%。如果以95%的脱硫脱销效率来计算，那2014年工业对煤炭污染物的贡献则从95%迅速降到48%，而生活消费则提高到23%；如果再狠一点，假设脱硫和脱销的效率能达到99%，则工业比例就会降到0.9%，而生活消费则占到了43.42%，比较起来，生活消费一下子成了第一重要因子。简单估计，只要脱硫和脱硝技术效率变动2%，基本上就可以抵消掉生活消费的煤炭污染物。
所以治理大气污染的核心是工业污染的脱硫脱硝技术的应用！
六、脱硫脱硝治理存在的问题
脱硫脱硝总体上成本不菲，涉及到设备更新换代和增加相关设备，另外运营也需要成本，对于“唯利是图”的企业来说，能省一分是一分，没人管就不加设备，没人监督就不开设备，这种状况不仅仅在小企业如此，大企业更是如此，随便看看几个新闻。
这一罚款涉及企业：山西阳城国际发电有限公司、内蒙古上都发电有限公司、包头东华热电有限公司、江苏金坛加怡热电有限公司、江苏苏州惠龙热电有限公司、青海桥头铝电股份有限公司、安徽新源热电有限公司、河北邯郸热电股份有限公司、山东济宁运河发电厂、广东粤华发电有限公司。
这些公司的主要问题就是：擅自停运发电机组脱硫设施，脱硫设施未能与发电机组同步投运。以被罚款最大额的山西阳城国际发电有限公司为例，1、2、3、4号机组全年脱硫设施投运率为80%、80%、73%和62%。所有的设备都在运行，但是脱硫设施却被停运了，污染物未经处理就排放到空气里去了。
考虑两种情况，一种是全国工业企业的脱硫脱硝100%的投运，另外一种是62%的投运，那这两种差异所造成的差异，会远远大于当年全年生活消费对于污染物的贡献，也远远大于各项减排措施的综合
这19家企业涉及脱硫数据造假的公司，并不是小公司，其中不乏央企子公司。五大电力集团（华能、大唐、华电、国电、中国电力）和华润、中石油、神华等央企子公司均榜上有名。
然而这并不是五大电力集团和热电公司们的第一次被罚，网上随便一搜一大堆，可以说他们屡犯屡罚，屡罚屡犯，从不悔改。
上面这个罚单中，因为对脱硫设施不正常运行、监测数据弄虚作假的涉及15家公司：河北钢铁集团、华电山西大同第一热电厂有限公司、华电内蒙古包头东华热电有限公司、神华内蒙古萨拉齐电厂、江苏通州美亚热电有限公司、江苏南通醋酸纤维有限公司、山东里彦发电有限公司、河南金冠嘉华电力有限责任公司、中国石油化工股份有限公司洛阳分公司、广西水利电力建设集团有限公司田东电厂、中国铝业股份有限公司广西分公司、中国石油天然气股份有限公司广西石化分公司、华电四川攀枝花三维发电厂、攀枝花钢铁(集团)公司、石河子市国能能源投资公司天河分公司。
事实上，2015年，环保部罚款总计42.5亿元，比2014年增长34%，其中下达行政处罚决定9.7万余份，全年对163个市开展综合督查，对31个市进行约谈、20个市县实施环评限批、176个问题挂牌督办。
是不是环保部监督越严，就能越抑制住企业偷排减排呢？
并不见得，2016年的罚单依然滚滚而来！
环境保护部宣传教育司官方微博消息：2016年10月，全国按日连续处罚案件67件，罚款数额13231.05万元；查封、扣押案件907件；限产、停产案件1020件；移送行政拘留417起；移送涉嫌环境污染犯罪案件145件。
污染这么严重，我行我素顶风作案的还大有人在。
比如这轮雾霾京津冀23个城市启动“红警”【北京市，天津市，河北省（石家庄、保定、廊坊、邢台、衡水、邯郸、唐山、沧州），山西省（太原、临汾、晋中、运城），山东省（德州、聊城、菏泽），河南省（郑州、濮阳、新乡、安阳、焦作、鹤壁）】
“红警”发布之后，12月15日起，环保部紧急派出的13个督查组奔赴北京、天津、河北等省份23个城市。16日下午在山西焦化股份有限公司督查的督察组发现：该企业目前尚未安装脱硫脱硝设施，导致二氧化硫、氮氧化物排放在线数据超标。17日，督查组对山西同士达煤化工集团有限公司等6家企业进行现场督查，发现山西三维瑞德焦化有限公司曾在15日夜间至16日凌晨二氧化硫超标排放8小时，……
因为白天冒黑烟容易被举报，企业选择夜间在夜幕掩护下排放，其中夜间超标排放8小时，也许是这个行业的标配吧，相当于脱硫设施投运率仅仅达到66.7%而已，剩下33%时间都是不受限制排放。前面讨论过，全国95%的煤炭是工业烧掉的，居民生活只是其中的2%，如果工业三分之一时间都是超额排放，相当于煤炭总量的31.7%,远远超过居民生活总和还多，此时管小散煤、小炉子和餐饮又有何用？
对于各种国字头的企业，罚款可能是在是小儿科，比如前面提到4.1亿元“最大罚单” 共涉及19家企业，平均下来一家企业也就2000多万，相比于治污的巨大成本来说，这个数目显得微不足道，央企根本就不care，违法成本实在是太低了，屡犯屡罚，越罚越犯，就当交“保护费”了。
坦白来说，虽然有成本，但是脱硫脱硝技术时至今日已经相当成熟，相关设施的安装要求提出日久，不仅有法律要求，而且还有国家财政补贴以咨鼓励，然而行业集体失守，导致劣币驱逐良币，企业靠弄虚作假蒙混过关，甚至还能套取国家补贴。
对于央企来说，罚钱说到底还是国家的钱，不是企业的钱，也不是企业领导人的钱，何痛之有？罚就罚呗。央企如此，其他规模小投入少的企业只能更是每况愈下，估计弄虚作假和玩猫捉老鼠的游戏更是得心应手吧。
实际上这些企业脱硫脱硝设备设施都有，只要工人打开电源、添加脱硫脱硝相关药剂，与生产同时运行即可，问题是企业宁愿不开！这里面涉及成本核算，关闭脱硫脱硝设备和药剂省出来钱，去处何方？也许是个需要纪委介入的问题。
考虑到以上，总是把雾霾的根源归到普通的机动车和正常做饭上面，让大老虎们不承担法律代价和道德压力，似乎不妥。
煤电企业的原料需求需要运煤专线的火车巨龙和望不到边的大卡车来供应
蜂窝煤/散煤的运输工具是板车和三轮车
拉蜂窝煤/散煤的三轮车板车与运煤专线上的火车卡车长龙比较起来，绝对是可以忽略不计的。
以上即为雾霾“红警”中做得一点“尺度分析”。
本期编辑：陈呈奕 付诗淇 杨芬
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