霧霾不斷消散，又不斷重來，關於它的信息也紛繁複雜，令人疑惑連連。本文中我們試圖全面呈現它的成因及解決之道全面呈現這場涉及每個人的對流層保衛戰。
偉大的對流層，平均厚度約10千米，幾乎所有的人類活動都在這裡完成。
這是我們一生中無可替代的生存空間。
（國際空間站拍攝的大氣層，對流層是最靠近地面的一層，圖片來源@NASA）▼
然而，工業時代以來，我們的對流層卻變得越發渾濁。
到了2013年，全年平均35.9天裡，北京的對流層是這樣的。
成都的對流層是這樣的。
（請橫屏觀看，下圖左側是被霾籠罩的四川盆地，右側是川西連綿的山地，攝影師@行影不離）▼
烏魯木齊的對流層則是這樣的。
（請橫屏觀看，大霾籠罩的烏魯木齊城區，攝影師@李傑）▼
也正是那一年的1月，約1/4國土上空的對流層在一夜之間全部淪陷。自此，「霧霾」這個詞便與近6億人息息相關。
（2013年1月，我國發生有記錄以來極為嚴重的一次大規模區域性灰霾天氣，範圍覆蓋17個省級行政區，影響近6億人，下圖為當時的衛星圖像，灰色的是霾，白色是上方的雲層，製圖@陳思琦/星球研究所）▼
時至今日，政府官員、科學家、工程師，無數人仍在致力於驅散「霧霾」，保衛我們的對流層。
可是1年、2年、3年、4年、5年、6年、7年過去，它卻依然一次次捲土重來。
「霧霾」究竟因何而生？還將持續多久？我們該怎麼做？有勝利的希望嗎？
要回答這種種疑問，必須從「霧霾」的本質開始說起。
「霧霾」的本質
「霧」和「霾」本不應混為一談，它們是對流層中兩種不同的天氣現象，但形成的關鍵均在於空氣中穩定懸浮的顆粒物。對於霧，是小水滴，對於霾，則多為幹塵粒。
因此，霧常呈乳白色，相對溼度可達到90%以上，水平方向的能見度不到千米，隨著地表溫度上升便可逐漸消失。
霾則相對灰黃，相對溼度一般不超過80%，水平能見度不到10千米，有時甚至能持續多日難以消散
其中，直徑不超過10微米的顆粒，人稱PM10，它們能越過人體的重重防線在呼吸道中沉積，也稱「可吸入顆粒物」。而直徑不到2.5微米的顆粒，便是PM2.5，它們更加微小，更易吸附有毒物和病原體，還能暢通無阻地深入支氣管甚至肺泡，引發呼吸道、心腦血管和肺癌等疾病，造成我國每年近100萬人因此死亡。
（上文數據源自參考文獻[6]；本文中的直徑均指空氣動力學等效直徑，即當粒子和密度為1g/cm3的球體有相同降落速率時，球體的直徑大小；下圖為不同粒徑顆粒物的大小對比，製圖@鄭伯容/星球研究所）▼
那麼，這些顆粒物從何而來？有時，它們來自自然界，森林大火、火山噴發、海浪飛濺、荒漠揚沙都能成為顆粒物的來源。
但更多時候，它們來自人類社會，從烹飪油煙到工地揚塵，從汽車尾氣到工廠煙塵，形形色色、不勝枚舉。
有時，它們一「出生」便是顆粒物。由汙染源直接排放進入大氣，稱為「一次顆粒物」。
但更多時候，它們「出生」時還只是氣體，在大氣中「進化」成為顆粒物，是為「二次顆粒物」。
例如，由二氧化硫氧化形成的硫酸鹽顆粒是二次顆粒物；由氮氧化物揮發性有機物在光照條件下反應形成的硝酸鹽顆粒和有機物顆粒是二次顆粒物；由氨氣與大氣中的硫酸、硝酸等酸鹼中和形成的銨鹽顆粒同樣也是二次顆粒物。
這些二次顆粒物的直徑大多集中在2微米以內，可長時間存在、遠距離傳輸，是PM2.5至關重要的組分。而催生它們的二氧化硫、氮氧化物、揮發性有機物以及氨氣等氣態前體物，雖不是導致「霧霾」的直接原因，卻是幕後的「始作俑者」。
（PM2.5主要組分示意，注意：一次顆粒物和二次顆粒物中可能存在相同的物質成分，但來源不同，製圖@鄭伯容/星球研究所）
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但是，一次顆粒物也好，氣態前體物也罷，它們的「幕後推手」又是誰呢？
增長的代價
回顧1990~2013年間，我國GDP增長達300%，創造了人類經濟史上的一個奇蹟，但與此同時，我們還創造了313%的氮氧化物排放增長、168%的揮發性有機物排放增長、131%的二氧化硫排放增長、29%的氨氣排放增長，以及28%的一次PM2.5排放增長。
（1990-2013年全國主要大氣汙染物排放量變化，數據源自大氣汙染源排放清單，製圖@鄭伯容/星球研究所；另：2013年是我國霾汙染形勢最為嚴峻的一年，因此下文主要選取當年的數據進行分析）
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以至於到了2013年，當74個城市率先開始PM2.5監測時，人們卻發現，僅有拉薩、舟山、海口三個城市能夠達到空氣品質標準。而汙染最為嚴重的京津冀地區，年均PM2.5濃度更是超標2倍之多。一場對流層保衛戰已然迫在眉睫。
（上述「達標」指《環境空氣品質標準 GB3095-2012》中的二級標準，下文同；下圖為2013年74個城市年均PM2.5濃度，製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所）▼
而此時人們首先要做的，便是追根溯源。
2013年時，我國已持續多年位列總發電量世界第一、煤炭產量世界第一、鋼鐵產量世界第一、水泥產量世界第一、有色金屬產量世界第一，堪稱名副其實的「世界工廠」。
然而，滾滾向前的工業，不僅消耗了全國當年95%的煤炭和99.7%的原油，也貢獻了全國人為排放中85%的二氧化硫、71%的氮氧化物、69%的揮發性有機物，以及60%的一次PM2.5。
（上文中的「工業」以國家統計局的統計範疇為準；下圖以二氧化硫和氮氧化物為例，各省的排放量和煤炭消費量之間有高度一致的規律，製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所）▼
其中，又以電力和熱力行業佔據了煤炭消耗的半壁江山，尤其在江蘇，煤炭供給著近1億人的電力需求，火力發電量也長年位列全國第一，山東則緊隨其後，甚至在2015年時一舉超越江蘇，躋身全國火力發電量第一大省。
在內蒙古，則生產著全國最多的原煤，運行著全球規模最龐大的坑口電廠。
這三個火電大省（區）中，僅電力和熱力這一行業就貢獻了全省超過40%的二氧化硫和氮氧化物，而在內蒙古、黑龍江、遼寧等冬季氣候寒冷的供熱大省（區）中，電力和熱力行業則貢獻了全省30%-45%的一次顆粒物，其影響之顯著可見一斑。
另一個耗煤巨頭則是鋼鐵行業。
中國是一個不折不扣的鋼鐵大國，無論是遼闊的西北大地，還是繁榮的東部地區，鋼鐵廠可謂遍地開花。
而河北省，更堪稱中流砥柱。
其2013年時便已年產粗鋼近1.9億噸，是第二名江蘇省的2倍之多，即便放諸世界也「傲視群雄」。
（世界粗鋼產量排名，製圖@鄭伯容/星球研究所）
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但與此同時，其汙染排放同樣「一枝獨秀」，幾乎是第二名省份的2-3倍，可貢獻全省36%和14%的二氧化硫和氮氧化物以及47%的一次顆粒物。
不過，縱使鋼鐵行業體量龐大，但煤炭消耗量也只屈居第三。位列第二的是石化化工行業，其產品包括汽油、柴油、焦炭、農藥、塗料、化肥、化纖、輪胎、塑料等等，幾乎覆蓋現代人生活的方方面面。
更重要的是，它不僅消耗了全國17%的煤炭，更消耗了全國97.5%的原油。而在這些產品的生產、加工、運輸、使用等整個上中下遊產業鏈中，一年可向對流層貢獻揮發性有機物1500多萬噸。
（上文揮發性有機物數據源自參考文獻[3]，不包括機動車燃油使用；下圖為中國石油遼寧遼陽化纖廠，攝影師@雁海；另：文中的石化化工行業是指「石油加工、煉焦和核燃料加工業」以及「化學原料和化學製品製造業」）
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在形形色色的工業行業中，絕大多數煤炭都將進入集中式的電廠、工廠，然而還有數億噸的煤炭，它們未經加工、煤質較差，且燃燒分散、缺乏廢氣處理，常用於中小型工業窯爐以及人們日常的生活。
這便是「散煤」，據估算1噸散煤的燃燒排放可達1噸電煤的10-15倍之多。
尤其在內蒙古、山西、河北、黑龍江等北方農村地區，冬季常以散煤燃燒採暖，成為最難以監控的汙染源，也令當地冬季的空氣品質雪上加霜。
（以石家莊為例，採暖季和非採暖季空氣品質有明顯差距，製圖@鄭伯容/星球研究所）
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此外人們生活中的另一大汙染物來源，便是農村中的生物質燃燒，比如秸稈焚燒。
2011年5月末，正值江南一帶冬小麥收割的季節，杭州、南京、上海、寧波、蘇州一眾長三角地區城市大霾，人們發現，在超標達5倍的PM2.5中，秸稈焚燒產生的有機碳貢獻可高達48%-86%。
類似的情景同樣在東北平原上演。
2015年11月初瀋陽、長春、哈爾濱大霾，周邊共計836個秸稈焚燒點，令三座城市的PM2.5日均濃度最大超標達24倍。
而除工廠、農村，這些相對固定的排放源外，交通帶來的排放更是隨時隨地都在發生。
道路之上，小型客車的數量最為龐大，是有機物、一氧化碳的主要來源。而重型貨車的數量雖僅佔2%，卻排放了46%的氮氧化物和58%的一次顆粒物。
（2013年時，不同類型機動車保有量和汙染物排放量的對比，製圖@鄭伯容/星球研究所）▼
尤其在一些工廠密布、港口集中的地區，往往更是貨車密集，其氮氧化物和有機物的排放可高達全國平均水平的4-5倍。
機動車外，農田間的農業機械、城市中的工程機械以及在內河、海洋中穿行的船舶等又多使用質量較差的燃油，汙染物排放更為嚴重。
時至今日，全國機動車保有量仍與日俱增，尤其在北上廣深等大型城市，機動車排放正逐漸超越工業成為當地PM2.5的首要貢獻者。
最後，在這個農業規模同樣龐大的國家裡，種植業中的化肥施用、養殖業中的動物排洩則貢獻了人為源中超過90%的氨氣排放。
（各省份中種植業和養殖業的氨排放量，製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所）
一年中，全國約有3200萬噸氮肥進入農田，其中12.2%的氮將轉化為氨氣逸出土壤。而以華北平原為代表的北方地區，由於土壤鹼性更強，揮發率則可能超過20%。
同時，動物排洩物中的尿素將在微生物作用下轉化為氨氣，因而養豬業集中的四川、河南，蛋禽養殖集中的山東、河南、河北，以及毛用羊養殖集中的內蒙古、新疆，氨排放量紛紛名列前茅。
至此，工業、生活、交通、農業，支撐這個國家運轉的各個部門都在源源不斷地向我們的對流層中貢獻著各類汙染物。
（2013年各汙染物的主要貢獻來源示意，向左滑動可查看2017年數據；注意：下圖是全國範圍數據，各局部地區情況會存在差異，製圖@鄭伯容/星球研究所）▼
人類文明製造煙霧的能力，
絕非消除煙霧的能力所能望其項背。
——引自《洛杉磯霧霾啟示錄》
「霧霾」的源頭，也絕非是一兩根煙囪、三四輛汽車，而是整個飛速前進中的社會。
最後一根稻草
大量的顆粒物，已成為對流層中日益沉重的負擔，此時，只需「最後一根稻草」，一場大霾便在所難免，這根「稻草」就是氣象條件，例如垂直方向上的逆溫層。
理論上，對流層的空氣溫度將隨著垂直高度的增加而降低，即「下暖上冷」。但當逆溫層產生時
這個規律卻截然相反，即「下冷上暖」。
（逆溫層示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）
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由於下層空氣溫度較低，因而密度更大、難以上升流動，如同一個穹頂扣在城市之上。
無法穿過逆溫層的汙染物，只能在其下方積聚、擴散，且逆溫層高度越低，擴散空間越小，汙染也越嚴重，一旦溼度增加，大霾便頃刻籠罩。
而逆溫層形成的原因，可謂多種多樣。例如，在晴朗的夜晚，地表溫度迅速降低，令下方貼近地面的空氣溫度，逐漸低於高空氣溫，便形成「輻射逆溫」。冬季節夜晚漫長，輻射逆溫尤為強烈，令大江南北「霧霾」頻發。
一般情況下，隨著日出後地面升溫，輻射逆溫便逐漸消失，然而在嚴寒的北方，白天地表散失的熱量仍遠高於太陽輻射，則形成晝夜持續的逆溫層。
除此之外，在山間谷地，冷空氣沿山坡一路流入山谷，將山谷中的熱空氣擠到高空，可產生逆溫層。在山脈腳下，氣流翻越高山後逐漸下沉，空氣團上部的升溫幅度高於下部，也可產生逆溫層。
而在近海地帶，暖空氣直接平流至冷空氣上方，冷暖交界處可產生平流霧，同樣可產生逆溫層。
由於逆溫層的存在，汙染物在垂直方向上的擴散已然希望渺茫，人們只能指望水平方向上的風打破靜穩天氣，驅散「霧霾」。
然而，由於氣候變化等因素，我國冬季風逐年減弱，年平均風速逐年減小，這無疑是火上澆油。
（京津冀地區地面年平均風速變化，「距平」是指該點數值與平均值的差，製圖@鄭伯容/星球研究所）
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甚至在地形的影響下，風還成為了「幫兇」。甘肅蘭州、河北蔚縣、山西大同、太原、臨汾等城市坐落在群山包圍之中，夜晚氣流從山坡吹往谷地形成山風，白天則從谷地吹向山坡形成谷風。
（山谷風形成原理示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）
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交替變換的山谷風，令汙染物在山間來回往復、難以擴散，也令山谷中的城市常常籠罩在一片朦朧之中。
陝西西安則地處秦嶺以北的關中平原，風中的汙染物遭遇南部山脈的阻擋，在山前大量聚集、滯留，因而在這裡，東北風下的霾日數佔比可達31.2%，相較之下靜風時的霾日數則僅佔17.7%。
而在京津冀地區，一方面，燕山、太行山盤踞在北側和西側，來自平原的東南風與來自西北的山風在山脈前短兵相接、僵持不下，形成一條沿山脈走向的「風向輻合帶」。
也是一條汙染物的匯聚帶。
（京津冀地區的風向輻合帶示意，製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所）
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另一方面，匯聚帶沿線的城市，如同串聯的熱島，隨著熱空氣上升，將周邊的冷空氣向城市抽吸，加劇了郊區工廠排放的汙染物向城市匯聚。
而第三方面，「熱島效應」下，冷空氣往往從低空匯入城市，導致垂直方向上「下冷上暖」，產生逆溫。
三管齊下，令匯聚帶沿線的城市，唐山、保定、石家莊、邢臺、邯鄲等相繼成為「霧霾」重災區。
（河北是我國霾汙染最嚴重的省份之一，下圖為霾中的河北保定，攝影師@韓陽）
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直至一陣猛烈的西北風到來，穩定的氣象條件終於被打破，城市上空的陰霾也終於消散。
然而正所謂，「甲之蜜糖，乙之砒霜」，隨著冷空氣一路南下，氣流中裹挾的汙染物也隨之跨越千裡，進入南方地區。
根據2014-2015年的數據，在京津冀、長三角等地，這樣的跨區域傳輸對城市中PM2.5的貢獻可達20%-35%，而本地排放則佔65%-80%。
不僅如此，抵達南方的冷空氣還可能形成冷鋒插入暖空氣下方，因而在鋒面處形成逆溫層，進一步阻礙汙染物擴散，催生「霧霾」。
（鋒面逆溫形成示意，製圖@鄭伯容/星球研究所）
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總而言之，顆粒物造就了「霧霾」，氣象條件催生了「霧霾」，地形條件加劇了「霧霾」。
我們似乎已找到了它的源頭，只待對症下藥，但不幸的是，我們無法控制自然界的排放，無法左右大氣環流，更無法改變山川地貌。
這就意味著，在這場對流層保衛戰中，除了與人為排放的汙染物死磕到底，我們別無選擇。
對流層保衛戰
然而，汙染物的源頭幾乎無處不在。
因此當這場對流層保衛戰的號角吹響，一個國家，一個行業，一座城市，甚至每一個人的生活都將因此發生改變。
到2018年，在京津冀周邊、長三角及汾渭平原等重點區域，約有610萬戶人家和2.3萬臺工業鍋爐通過「煤改氣」或「煤改電」，結束了散煤燃燒的歷史。
而全國範圍內，煤炭消耗的佔比也在持續減少，我們的能源結構中，一場變革正在發生。
（上文散煤數據參考文獻[1]；下圖為2010-2018年間我國能源結構變化，製圖@鄭伯容/星球研究所）
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催生這場變革的包括：
歷時近20年建設、輸氣能力達720億立方米、可跨越16個省級行政區，向東部100多座城市輸送天然氣的西氣東輸工程。
包括一年之內34%的光電裝機容量增長、25%的核電裝機容量增長、12%的風電裝機容量增長和2.5%的水電裝機容量增長。
也包括，線路迴路總長超3.3萬千米可將西北地區的光電、風電、以及西南地區的水電源源不斷向東部輸送的21項特高壓輸電工程。
變革也發生在我們的工業和運輸中。
2018年，全國幾乎所有的煤電機組均已安裝除塵、脫硫、脫硝等廢氣處理設施，其中更有80%的機組實現國際上最嚴格的「超低排放」。
2018年，全國削減粗鋼產量350萬噸，淘汰落後煤炭產能2.7億噸，重點區域中，鋼鐵、焦化、鑄造、電解鋁、水泥等高耗能、高排放的行業更被嚴格禁止新增產能。
而從2018到2020年，僅京津冀周邊和汾渭平原地區，就將淘汰柴油貨車超過100萬輛。與此同時全國鐵路貨運量將增長超過20%。
變革還發生在我們的農村和城市中。
預計2020年，農村中85%的秸稈將變身為肥料、飼料、燃料、基料、原料，以取代直接焚燒。養殖業則將更加規模化，以加強動物排洩物的集中處理，並和種植業「珠聯璧合」，以有機肥取代化肥。
城市中，將逐漸形成多中心的空間結構以避免高汙染產業過於集中，避免交通過於密集。
變革同樣發生在每一個人的生活中。
2018年時，我國平均每天有近2.3億人次乘坐公共運輸，比十年前增長了近20%，而在其背後，是分別突破5000公裡和80萬公裡、比十年前增長近530%和498%的軌道交通和公交車運營線路裡程。
同樣是2018年時，我國私家車保有量的增長率較上一年下降3個百分點，相當於減少新增私家車480萬輛，這幾乎是整個重慶的私家車保有量。
在其背後，則是北京、上海、廣州天津、杭州、深圳等城市中相繼實施的限購政策和形形色色的限行政策。
而我們的燃油汽車將面臨更加嚴格的車輛排放標準和燃油標準。例如當前的國家第六階段標準，即「國六」標準，不達標的汽車無法上牌，不達標的燃油無法上市。這意味著燃油車的排放將進一步削減，也意味著其成本將進一步攀升。
與此同時，全國新能源汽車的年產銷量預計在2020年達到200萬輛左右，比2018年增長約60%。重點城市中的公交車輛也將全部由新能源汽車取代。
此外，我們在城市之內嚴格控制道路和工地揚塵，城市之外則營造防護林防風固沙、保護農田，阻滯顆粒物、淨化空氣。
我們也維護溼地，減少地面揚塵。2018年我國「退耕還溼」達30萬畝，其淨化作用甚至可達森林的8-10倍。
儘管諸如此類種種改變，有的行之不易、有的代價高昂，但幸運的是，我們也看到了希望。
2018年，全國年均PM2.5濃度，相較2013年下降了46%。每年因PM2.5長期暴露導致過早死亡的人數，也下降了近8.9萬人。而達標城市的比例，則提高了近30個百分點，達標天數的比例，更是離規劃中80%的目標只差一步之遙。
（上文健康數據參考文獻[8]；2013-2020年全國空氣品質變化示意，以每年1月為例，製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所）
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當然，路依然很長。
即便我國已實施了新的空氣品質標準，但與發達國家仍有不小的差距。
以PM2.5的年均濃度限值為例，我國的標準是歐盟的1.4倍、日本的2.3倍、美國的2.9倍，單位國土面積上的監測點數也遠低於英國和日本。
即便全國年均PM2.5已大幅下降，但卻仍未達到標準要求。空氣品質超標的城市比例，仍高達64.2%。
即便全國各地藍天數日益增加，但新汙染物的威脅卻開始體現。尤其在京津冀、長三角等經濟較為發達的地區，以臭氧作為主要汙染物的天數已超過PM2.5位列第一。
（臭氧是光化學煙霧的重要成分；下圖為全國臭氧濃度達標城市佔比變化，製圖@鄭伯容/星球研究所）
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而在更宏觀的層面上，「霧霾」的出現不曾受到行政區劃的影響，「霧霾」的治理也絕非閉門造車能夠完成。城與城、省與省之間的聯動、合作、協調，已成為人們必須要做的選擇。
正所謂，「冰凍三尺，非一日之寒」，這場對流層保衛戰註定將困難重重，而我們所需要的不僅僅是科學技術的進步，還是能源結構的調整、產業結構的轉換、交通結構的優化以及生活方式的改變。