中国雾霾说明书

本文首发于微信公众号“星球研究所”,较原文有所删减。作者:桢公子,头图来源:IC photo

雾霾不断消散,又不断重来,关于它的信息也纷繁复杂,令人疑惑连连。本文中我们试图全面呈现它的成因及解决之道全面呈现这场涉及每个人的对流层保卫战。

伟大的对流层,平均厚度约10千米,几乎所有的人类活动都在这里完成。

这是我们一生中无可替代的生存空间。

(国际空间站拍摄的大气层,对流层是最靠近地面的一层,图片来源@NASA)▼

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然而,工业时代以来,我们的对流层却变得越发浑浊。

到了2013年,全年平均35.9天里,北京的对流层是这样的。

成都的对流层是这样的。

(请横屏观看,下图左侧是被霾笼罩的四川盆地,右侧是川西连绵的山地,摄影师@行影不离)▼

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乌鲁木齐的对流层则是这样的。

(请横屏观看,大霾笼罩的乌鲁木齐城区,摄影师@李杰)▼

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也正是那一年的1月,约1/4国土上空的对流层在一夜之间全部沦陷。自此,“雾霾”这个词便与近6亿人息息相关。

(2013年1月,我国发生有记录以来极为严重的一次大规模区域性灰霾天气,范围覆盖17个省级行政区,影响近6亿人,下图为当时的卫星图像,灰色的是霾,白色是上方的云层,制图@陈思琦/星球研究所)▼

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时至今日,政府官员、科学家、工程师,无数人仍在致力于驱散“雾霾”,保卫我们的对流层。

可是1年、2年、3年、4年、5年、6年、7年过去,它却依然一次次卷土重来。

“雾霾”究竟因何而生?还将持续多久?我们该怎么做?有胜利的希望吗?

要回答这种种疑问,必须从“雾霾”的本质开始说起。

“雾霾”的本质

“雾”和“霾”本不应混为一谈,它们是对流层中两种不同的天气现象,但形成的关键均在于空气中稳定悬浮的颗粒物。对于雾,是小水滴,对于霾,则多为干尘粒。

因此,雾常呈乳白色,相对湿度可达到90%以上,水平方向的能见度不到千米,随着地表温度上升便可逐渐消失。

霾则相对灰黄,相对湿度一般不超过80%,水平能见度不到10千米,有时甚至能持续多日难以消散

其中,直径不超过10微米的颗粒,人称PM10,它们能越过人体的重重防线在呼吸道中沉积,也称“可吸入颗粒物”。而直径不到2.5微米的颗粒,便是PM2.5,它们更加微小,更易吸附有毒物和病原体,还能畅通无阻地深入支气管甚至肺泡,引发呼吸道、心脑血管和肺癌等疾病,造成我国每年近100万人因此死亡。

(上文数据源自参考文献[6];本文中的直径均指空气动力学等效直径,即当粒子和密度为1g/cm3的球体有相同降落速率时,球体的直径大小;下图为不同粒径颗粒物的大小对比,制图@郑伯容/星球研究所)▼

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那么,这些颗粒物从何而来?有时,它们来自自然界,森林大火、火山喷发、海浪飞溅、荒漠扬沙都能成为颗粒物的来源。

但更多时候,它们来自人类社会,从烹饪油烟到工地扬尘,从汽车尾气到工厂烟尘,形形色色、不胜枚举。

有时,它们一“出生”便是颗粒物。由污染源直接排放进入大气,称为“一次颗粒物”。

但更多时候,它们“出生”时还只是气体,在大气中“进化”成为颗粒物,是为“二次颗粒物”。

例如,由二氧化硫(SO2)氧化形成的硫酸盐颗粒(SO42-)是二次颗粒物;由氮氧化物(NOx)挥发性有机物(VOCs)在光照条件下反应形成的硝酸盐颗粒(NO3)和有机物颗粒是二次颗粒物;由氨气(NH3)与大气中的硫酸、硝酸等酸碱中和形成的铵盐颗粒(NH4+)同样也是二次颗粒物。

这些二次颗粒物的直径大多集中在2微米以内,可长时间存在、远距离传输,是PM2.5至关重要的组分。而催生它们的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、挥发性有机物(VOCs)以及氨气(NH3)等气态前体物,虽不是导致“雾霾”的直接原因,却是幕后的“始作俑者”。

(PM2.5主要组分示意,注意:一次颗粒物和二次颗粒物中可能存在相同的物质成分,但来源不同,制图@郑伯容/星球研究所)

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但是,一次颗粒物也好,气态前体物也罢,它们的“幕后推手”又是谁呢?

增长的代价

回顾1990~2013年间,我国GDP增长达300%,创造了人类经济史上的一个奇迹,但与此同时,我们还创造了313%的氮氧化物排放增长、168%的挥发性有机物排放增长、131%的二氧化硫排放增长、29%的氨气排放增长,以及28%的一次PM2.5排放增长。

(1990-2013年全国主要大气污染物排放量变化,数据源自大气污染源排放清单,制图@郑伯容/星球研究所;另:2013年是我国霾污染形势最为严峻的一年,因此下文主要选取当年的数据进行分析)

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以至于到了2013年,当74个城市率先开始PM2.5监测时,人们却发现,仅有拉萨、舟山、海口三个城市能够达到空气质量标准。而污染最为严重的京津冀地区,年均PM2.5浓度更是超标2倍之多。一场对流层保卫战已然迫在眉睫。

(上述“达标”指《环境空气质量标准 GB3095-2012》中的二级标准,下文同;下图为2013年74个城市年均PM2.5浓度,制图@陈思琦&郑伯容/星球研究所)▼

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而此时人们首先要做的,便是追根溯源。

2013年时,我国已持续多年位列总发电量世界第一、煤炭产量世界第一、钢铁产量世界第一、水泥产量世界第一、有色金属产量世界第一,堪称名副其实的“世界工厂”。

然而,滚滚向前的工业,不仅消耗了全国当年95%的煤炭和99.7%的原油,也贡献了全国人为排放中85%的二氧化硫、71%的氮氧化物、69%的挥发性有机物,以及60%的一次PM2.5。

(上文中的“工业”以国家统计局的统计范畴为准;下图以二氧化硫和氮氧化物为例,各省的排放量和煤炭消费量之间有高度一致的规律,制图@陈思琦&郑伯容/星球研究所)▼

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其中,又以电力和热力行业占据了煤炭消耗的半壁江山,尤其在江苏,煤炭供给着近1亿人的电力需求,火力发电量也长年位列全国第一,山东则紧随其后,甚至在2015年时一举超越江苏,跻身全国火力发电量第一大省。

在内蒙古,则生产着全国最多的原煤,运行着全球规模最庞大的坑口电厂。

这三个火电大省(区)中,仅电力和热力这一行业就贡献了全省超过40%的二氧化硫和氮氧化物,而在内蒙古、黑龙江、辽宁等冬季气候寒冷的供热大省(区)中,电力和热力行业则贡献了全省30%-45%的一次颗粒物,其影响之显著可见一斑。[2]

另一个耗煤巨头则是钢铁行业。

中国是一个不折不扣的钢铁大国,无论是辽阔的西北大地,还是繁荣的东部地区,钢铁厂可谓遍地开花。

而河北省,更堪称中流砥柱。

其2013年时便已年产粗钢近1.9亿吨,是第二名江苏省的2倍之多,即便放诸世界也“傲视群雄”。

(世界粗钢产量排名,制图@郑伯容/星球研究所)

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但与此同时,其污染排放同样“一枝独秀”,几乎是第二名省份的2-3倍,可贡献全省36%和14%的二氧化硫和氮氧化物以及47%的一次颗粒物。

不过,纵使钢铁行业体量庞大,但煤炭消耗量也只屈居第三。位列第二的是石化化工行业,其产品包括汽油、柴油、焦炭、农药、涂料、化肥、化纤、轮胎、塑料等等,几乎覆盖现代人生活的方方面面。

更重要的是,它不仅消耗了全国17%的煤炭,更消耗了全国97.5%的原油。而在这些产品的生产、加工、运输、使用等整个上中下游产业链中,一年可向对流层贡献挥发性有机物1500多万吨。

(上文挥发性有机物数据源自参考文献[3],不包括机动车燃油使用;下图为中国石油辽宁辽阳化纤厂,摄影师@雁海;另:文中的石化化工行业是指“石油加工、炼焦和核燃料加工业”以及“化学原料和化学制品制造业”)

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在形形色色的工业行业中,绝大多数煤炭都将进入集中式的电厂、工厂,然而还有数亿吨的煤炭,它们未经加工、煤质较差,且燃烧分散、缺乏废气处理,常用于中小型工业窑炉以及人们日常的生活。

这便是“散煤”,据估算1吨散煤的燃烧排放可达1吨电煤的10-15倍之多。

尤其在内蒙古、山西、河北、黑龙江等北方农村地区,冬季常以散煤燃烧采暖,成为最难以监控的污染源,也令当地冬季的空气质量雪上加霜。

(以石家庄为例,采暖季和非采暖季空气质量有明显差距,制图@郑伯容/星球研究所)

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此外人们生活中的另一大污染物来源,便是农村中的生物质燃烧,比如秸秆焚烧。

2011年5月末,正值江南一带冬小麦收割的季节,杭州、南京、上海、宁波、苏州一众长三角地区城市大霾,人们发现,在超标达5倍的PM2.5中,秸秆焚烧产生的有机碳贡献可高达48%-86%。

类似的情景同样在东北平原上演。

2015年11月初沈阳、长春、哈尔滨大霾,周边共计836个秸秆焚烧点,令三座城市的PM2.5日均浓度最大超标达24倍。

而除工厂、农村,这些相对固定的排放源外,交通带来的排放更是随时随地都在发生。

道路之上,小型客车的数量最为庞大,是有机物、一氧化碳的主要来源。而重型货车的数量虽仅占2%,却排放了46%的氮氧化物和58%的一次颗粒物。

(2013年时,不同类型机动车保有量和污染物排放量的对比,制图@郑伯容/星球研究所)▼

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尤其在一些工厂密布、港口集中的地区,往往更是货车密集,其氮氧化物和有机物的排放可高达全国平均水平的4-5倍。

机动车外,农田间的农业机械、城市中的工程机械以及在内河、海洋中穿行的船舶等又多使用质量较差的燃油,污染物排放更为严重。

时至今日,全国机动车保有量仍与日俱增,尤其在北上广深等大型城市,机动车排放正逐渐超越工业成为当地PM2.5的首要贡献者。

最后,在这个农业规模同样庞大的国家里,种植业中的化肥施用、养殖业中的动物排泄则贡献了人为源中超过90%的氨气排放。

(各省份中种植业和养殖业的氨排放量,制图@陈思琦&郑伯容/星球研究所)

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一年中,全国约有3200万吨氮肥进入农田,其中12.2%的氮将转化为氨气(NH3)逸出土壤。而以华北平原为代表的北方地区,由于土壤碱性更强,挥发率则可能超过20%。[3]

同时,动物排泄物中的尿素将在微生物作用下转化为氨气,因而养猪业集中的四川、河南,蛋禽养殖集中的山东、河南、河北,以及毛用羊养殖集中的内蒙古、新疆,氨排放量纷纷名列前茅。

至此,工业、生活、交通、农业,支撑这个国家运转的各个部门都在源源不断地向我们的对流层中贡献着各类污染物。

(2013年各污染物的主要贡献来源示意,向左滑动可查看2017年数据;注意:下图是全国范围数据,各局部地区情况会存在差异,制图@郑伯容/星球研究所)▼

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人类文明制造烟雾的能力,

绝非消除烟雾的能力所能望其项背。

——引自《洛杉矶雾霾启示录》

“雾霾”的源头,也绝非是一两根烟囱、三四辆汽车,而是整个飞速前进中的社会。

最后一根稻草

大量的颗粒物,已成为对流层中日益沉重的负担,此时,只需“最后一根稻草”,一场大霾便在所难免,这根“稻草”就是气象条件,例如垂直方向上的逆温层。

理论上,对流层的空气温度将随着垂直高度的增加而降低,即“下暖上冷”。但当逆温层产生时

这个规律却截然相反,即“下冷上暖”。

(逆温层示意,制图@郑伯容/星球研究所)

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由于下层空气温度较低,因而密度更大、难以上升流动,如同一个穹顶扣在城市之上。

无法穿过逆温层的污染物,只能在其下方积聚、扩散,且逆温层高度越低,扩散空间越小,污染也越严重,一旦湿度增加,大霾便顷刻笼罩。

而逆温层形成的原因,可谓多种多样。例如,在晴朗的夜晚,地表温度迅速降低,令下方贴近地面的空气温度,逐渐低于高空气温,便形成“辐射逆温”。冬季节夜晚漫长,辐射逆温尤为强烈,令大江南北“雾霾”频发。

一般情况下,随着日出后地面升温,辐射逆温便逐渐消失,然而在严寒的北方,白天地表散失的热量仍远高于太阳辐射,则形成昼夜持续的逆温层。

除此之外,在山间谷地,冷空气沿山坡一路流入山谷,将山谷中的热空气挤到高空,可产生逆温层。在山脉脚下,气流翻越高山后逐渐下沉,空气团上部的升温幅度高于下部,也可产生逆温层。

而在近海地带,暖空气直接平流至冷空气上方,冷暖交界处可产生平流雾,同样可产生逆温层。

由于逆温层的存在,污染物在垂直方向上的扩散已然希望渺茫,人们只能指望水平方向上的风打破静稳天气,驱散“雾霾”。

然而,由于气候变化等因素,我国冬季风逐年减弱,年平均风速逐年减小,这无疑是火上浇油。

(京津冀地区地面年平均风速变化,“距平”是指该点数值与平均值的差,制图@郑伯容/星球研究所)

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甚至在地形的影响下,风还成为了“帮凶”。甘肃兰州、河北蔚县、山西大同、太原、临汾等城市坐落在群山包围之中,夜晚气流从山坡吹往谷地形成山风,白天则从谷地吹向山坡形成谷风。

(山谷风形成原理示意,制图@郑伯容/星球研究所)

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交替变换的山谷风,令污染物在山间来回往复、难以扩散,也令山谷中的城市常常笼罩在一片朦胧之中。

陕西西安则地处秦岭以北的关中平原,风中的污染物遭遇南部山脉的阻挡,在山前大量聚集、滞留,因而在这里,东北风下的霾日数占比可达31.2%,相较之下静风时的霾日数则仅占17.7%。[7]

而在京津冀地区,一方面,燕山、太行山盘踞在北侧和西侧,来自平原的东南风与来自西北的山风在山脉前短兵相接、僵持不下,形成一条沿山脉走向的“风向辐合带”。

也是一条污染物的汇聚带。

(京津冀地区的风向辐合带示意,制图@陈思琦&郑伯容/星球研究所)

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另一方面,汇聚带沿线的城市,如同串联的热岛,随着热空气上升,将周边的冷空气向城市抽吸,加剧了郊区工厂排放的污染物向城市汇聚。

而第三方面,“热岛效应”下,冷空气往往从低空汇入城市,导致垂直方向上“下冷上暖”,产生逆温。

三管齐下,令汇聚带沿线的城市,唐山、保定、石家庄、邢台、邯郸等相继成为“雾霾”重灾区。

(河北是我国霾污染最严重的省份之一,下图为霾中的河北保定,摄影师@韩阳)

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直至一阵猛烈的西北风到来,稳定的气象条件终于被打破,城市上空的阴霾也终于消散。

然而正所谓,“甲之蜜糖,乙之砒霜”,随着冷空气一路南下,气流中裹挟的污染物也随之跨越千里,进入南方地区。

根据2014-2015年的数据,在京津冀、长三角等地,这样的跨区域传输对城市中PM2.5的贡献可达20%-35%,而本地排放则占65%-80%。

不仅如此,抵达南方的冷空气还可能形成冷锋插入暖空气下方,因而在锋面处形成逆温层,进一步阻碍污染物扩散,催生“雾霾”。

(锋面逆温形成示意,制图@郑伯容/星球研究所)

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总而言之,颗粒物造就了“雾霾”,气象条件催生了“雾霾”,地形条件加剧了“雾霾”。

我们似乎已找到了它的源头,只待对症下药,但不幸的是,我们无法控制自然界的排放,无法左右大气环流,更无法改变山川地貌。

这就意味着,在这场对流层保卫战中,除了与人为排放的污染物死磕到底,我们别无选择。

对流层保卫战

然而,污染物的源头几乎无处不在。

因此当这场对流层保卫战的号角吹响,一个国家,一个行业,一座城市,甚至每一个人的生活都将因此发生改变。

到2018年,在京津冀周边、长三角及汾渭平原等重点区域,约有610万户人家和2.3万台工业锅炉通过“煤改气”或“煤改电”,结束了散煤燃烧的历史。

而全国范围内,煤炭消耗的占比也在持续减少,我们的能源结构中,一场变革正在发生。

(上文散煤数据参考文献[1];下图为2010-2018年间我国能源结构变化,制图@郑伯容/星球研究所)

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催生这场变革的包括:

历时近20年建设、输气能力达720亿立方米、可跨越16个省级行政区,向东部100多座城市输送天然气的西气东输工程。

包括一年之内34%的光电装机容量增长、25%的核电装机容量增长、12%的风电装机容量增长和2.5%的水电装机容量增长。(2017-2018年增长数据)

也包括,线路回路总长超3.3万千米可将西北地区的光电、风电、以及西南地区的水电源源不断向东部输送的21项特高压输电工程。(2018年数据)

变革也发生在我们的工业和运输中。

2018年,全国几乎所有的煤电机组均已安装除尘、脱硫、脱硝等废气处理设施,其中更有80%的机组实现国际上最严格的“超低排放”。[4]

2018年,全国削减粗钢产量350万吨,淘汰落后煤炭产能2.7亿吨,重点区域中,钢铁、焦化、铸造、电解铝、水泥等高耗能、高排放的行业更被严格禁止新增产能。

而从2018到2020年,仅京津冀周边和汾渭平原地区,就将淘汰柴油货车超过100万辆。与此同时全国铁路货运量将增长超过20%。

变革还发生在我们的农村和城市中。

预计2020年,农村中85%的秸秆将变身为肥料、饲料、燃料、基料、原料,以取代直接焚烧。养殖业则将更加规模化,以加强动物排泄物的集中处理,并和种植业“珠联璧合”,以有机肥取代化肥。

城市中,将逐渐形成多中心的空间结构以避免高污染产业过于集中,避免交通过于密集。

变革同样发生在每一个人的生活中。

2018年时,我国平均每天有近2.3亿人次乘坐公共交通,比十年前增长了近20%,而在其背后,是分别突破5000公里和80万公里、比十年前增长近530%和498%的轨道交通和公交车运营线路里程。

同样是2018年时,我国私家车保有量的增长率较上一年下降3个百分点,相当于减少新增私家车480万辆,这几乎是整个重庆的私家车保有量。

在其背后,则是北京、上海、广州天津、杭州、深圳等城市中相继实施的限购政策和形形色色的限行政策。

而我们的燃油汽车将面临更加严格的车辆排放标准和燃油标准。例如当前的国家第六阶段标准,即“国六”标准,不达标的汽车无法上牌,不达标的燃油无法上市。这意味着燃油车的排放将进一步削减,也意味着其成本将进一步攀升。

与此同时,全国新能源汽车的年产销量预计在2020年达到200万辆左右,比2018年增长约60%。重点城市中的公交车辆也将全部由新能源汽车取代。

此外,我们在城市之内严格控制道路和工地扬尘,城市之外则营造防护林防风固沙、保护农田,阻滞颗粒物、净化空气。

我们也维护湿地,减少地面扬尘。2018年我国“退耕还湿”达30万亩,其净化作用甚至可达森林的8-10倍。[3]


尽管诸如此类种种改变,有的行之不易、有的代价高昂,但幸运的是,我们也看到了希望。

2018年,全国年均PM2.5浓度,相较2013年下降了46%。每年因PM2.5长期暴露导致过早死亡的人数,也下降了近8.9万人。而达标城市的比例,则提高了近30个百分点,达标天数的比例,更是离规划中80%的目标只差一步之遥。

(上文健康数据参考文献[8];2013-2020年全国空气质量变化示意,以每年1月为例,制图@陈思琦&郑伯容/星球研究所)

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当然,路依然很长。

即便我国已实施了新的空气质量标准,但与发达国家仍有不小的差距。

以PM2.5的年均浓度限值为例,我国的标准是欧盟的1.4倍、日本的2.3倍、美国的2.9倍,单位国土面积上的监测点数也远低于英国和日本。

即便全国年均PM2.5已大幅下降,但却仍未达到标准要求。空气质量超标的城市比例,仍高达64.2%。

即便全国各地蓝天数日益增加,但新污染物的威胁却开始体现。尤其在京津冀、长三角等经济较为发达的地区,以臭氧作为主要污染物的天数已超过PM2.5位列第一。

(臭氧是光化学烟雾的重要成分;下图为全国臭氧浓度达标城市占比变化,制图@郑伯容/星球研究所)

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而在更宏观的层面上,“雾霾”的出现不曾受到行政区划的影响,“雾霾”的治理也绝非闭门造车能够完成。城与城、省与省之间的联动、合作、协调,已成为人们必须要做的选择。

正所谓,“冰冻三尺,非一日之寒”,这场对流层保卫战注定将困难重重,而我们所需要的不仅仅是科学技术的进步,还是能源结构的调整、产业结构的转换、交通结构的优化以及生活方式的改变。

本文在创作中得到了清华大学环境学院王书肖教授的大力支持,特此感谢!

【参考文献】

[1]中国生态环境部,中国生态环境状况公报,2013-2018.

[2]中国生态环境部,环境统计年报,2013-2015.

[3]郝吉明等,中国大气PM2.5防治策略与技术途径[M],科学出版社,2016.

[4]郝吉明等,京津冀大气复合污染防治:联发联控战略及路线图[M],科学出版社,2017.

[5]王书肖等,长三角区域霾污染特征、来源及调控策略[M],科学出版社,2016.

[6]杨静等,2006-2016年中国室外空气污染的归因死亡分析[J],中华流行病学杂志,2018.

[7]王珊等,1960-2012年西安地区雾霾日数与气象因素变化规律分析[J],环境科学学报,2014.

[8]王文兴等,新中国成立70年来我国大气污染防治历程、成就与经验[J],环境科学研究,2019.

[9]唐孝炎等,大气环境化学[M],高等教育出版社,2006.

[10]郝吉明等,大气污染控制工程[M],高等教育出版社,2010.


本文首发于微信公众号“星球研究所”,较原文有所删减。作者:桢公子,创作团队还包括:周天秀、任炳旭、郑伯容、陈思琦、云舞空城、张楠、王朝阳、王昆,专家审核:清华大学环境学院 段雷教授

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