关于雾霾构成及成因的研究

自20世纪70年代以来，科学家发现大气中的颗粒物能够影响大气能见度和太阳辐射，从而对全球气候效应有着重要影响，成为被广泛关注的一个重要领域。美国、澳大利亚、加拿大、韩国、日本等国家对近地面由于颗粒物导致能见度下降的问题进行了研究。1995～1999年，美国、欧洲和印度的科学家通过地面和卫星雷达观测资料，发现在亚洲的上空经常会出现一层大约3000米厚的颗粒物云，呈现棕色，这是由于云中含有大量的硫酸盐、硝酸盐和铵盐等颗粒物，后来被称作亚洲棕色云，也叫做霾污染。[1]随着霾污染现象越来越频繁的出现，已经引起了大众的广泛关注。

Appel等认为霾污染过程中，细粒子中硝酸盐粒子的光散射效率要比硫酸盐粒子高; 硫酸盐、硝酸盐和元素碳颗粒物消光效率的贡献占大气总消光的一半以上。[2]Senaratne对奥克兰地区的霾污染过程观测研究发现，机动车尾气排放是造成该地区霾污染出现的主要原因。[3]Sisler和Malm研究发现美国霾天细粒子中水溶性粒子 (硫酸盐、硝酸盐和有机物) 浓度较高，认为水溶性粒子是造成美国能见度下降的主要原因。[4]Chen等发现亚特兰大市中部地区夏季霾污染过程中硫酸根离子的浓度很高，认为颗粒物中的硫酸盐对霾污染的形成有非常重要的作用。[5]Waston等对城市霾污染的研究认为，人为排放的气体污染物经过化学反应转化形成的细粒子是霾天出现的主要原因。[6]Schichtel等对美国的霾污染类型和变化趋势进行了研究，结果发现随着PM2．5和二氧化硫排放量的减少，霾污染出现的次数也在减少。[7]Muraleedharan等对东南亚文莱地区1998年4月经历的一次严重的霾污染过程中的VOCs、重金属元素、碱性金属元素、N、C、S、Cl、O3和NO2进行了观测，结果发现当地的森林火灾是霾污染中细粒子的主要来源。[8]Chameides等研究了中国气溶胶光学厚度和区域霾污染对水稻和小麦产量的影响，结合农作物的生长模式得出结论: 区域霾污染能造成中国70%的水稻和小麦减产5%～30%。[9]

除此之外，国外学者还较早地研究了霾的组成及其气候特征效应，而且就区域性霾污染对气候的影响进行了深入的研究。1992年Malm对美国自然能见度和气溶胶的时空变化趋势进行了估算，并通过对霾污染的时空演变的定量分析，追踪和模拟了霾污染产生的源头;[10]1995年Kerr对霾的气候致冷机制进行了研究，发现霾污染越严重，制冷效应越强。[11]Vautard等人对欧洲过去30年的水平能见度数据分析得出: 低能见度产生的条件如雾、霾在欧洲出现的频率已经开始下降，能见度的下降与二氧化硫在时间和空间上的排放趋势有关。[12]美国对霾的研究起步早，其研究方法和实验设备先进; 此外，还采用多种卫星产品辅助研究霾，在全国范围内建立了监测网，并且制定了明确的提高能见度的规划图与时间表。

相对于国外，国内研究仍处于初期阶段，包括对致霾粒子的粒径分布、时空分布、化学组成及源解析等方面。[13]迄今为止，我国开展的研究工作包括: 2002年12月15日在北京召开“我国区域大气灰霾形成机制及其气候影响和预报预测研讨会”[14]; 2005年中国气象局下发的《天气预报等级用语业务规定 (试行)》规定了霾预报等级用语; 2006年6月1日广东省正式开始发布霾预警信号[15]; 另外，在桂林、南昌、珠江三角洲等多个省市对霾污染形成的物理化学条件以及必要的气象条件进行了观测研究，并对霾与雾的区分做了详细的分析。[16]目前，国内大气颗粒物研究尤其是对霾污染期间颗粒物的化学特性的研究已经取得很大进展，包括颗粒组成、粒径分布和污染特征等。但由于受到目前分析监测水平和监测仪器的限制，现在对大气中霾粒子的产生机理、有机成分和毒性组成的研究还不够深入，对人体健康危害机理了解仍不充分，有效防治措施的提出还有待深入研究。此外，霾污染严重制约经济发展，并与生态平衡和人类健康有着密切关系。因此，未来我国霾污染的研究工作应该着重在先进分析监测水平和监测仪器的开发应用，利用系统工程方法对颗粒物的产生机理、有机成分和毒性机理开展综合研究。[17]从2008年开始，我国部分城市开始建立霾监测预警机制: 2008年广州开始建立霾监测站，2009年连云港市开展霾监测工作，2010年南京、苏州、宁波、武汉等一些大中城市也相继开始建立霾监测网络。在城市周边地区设立地基光学观测点以及水平和垂直能见度观测站，开展AOD监测以及水平和垂直能见度的监测，并将AOD监测数据与卫星遥感资料进行对比，这是目前较为常见的监测方法。[18]

谭吉华等在广州地区观测发现，霾天的颗粒物中有机碳和元素碳的比值(OC/EC) 为3．2～4．7，而非霾天是1．8～2．8，表明霾天颗粒物中的有机污染物增多，即二次颗粒物的转化生成是造成霾污染形成重要原因，通过相关性分析表明硝酸盐和总碳 (TC) 是造成大气能见度下降的主要成份; 此外，包括温度、风速和相对湿度等气象因素也对霾天的形成起到重要作用，冬季机动车尾气排放和化石燃料用量的增长以及不利的气象条件是导致霾污染发生的主要原因; 霾天的颗粒物中主要含有OC、硝酸盐和硫酸盐，而非霾天主要有OC、EC和硫酸盐组成。[19]霾天颗粒物中的EC、Ca2+和K+分别是非霾天的3．2～3．4倍，而N0－3、S02－4和NH+4分别是非霾天的6．5、3．9和5．3倍; 霾天二次污染物中SOC、N0－3、S02－4和NH+4的浓度都会增加，尤其是N0－3增加最为明显，是造成霾天空气质量恶化的主要原因。从广州周边污染物排放源的距离来看，较近的排放源对广州市区霾天贡献更大，霾天二次污染物主要是硫和氮的氧化产物。[20]

吴兑等对珠江三角洲地区的霾污染进行观测研究，认为该地区霾天的颗粒物污染主要是细粒子污染，细粒子污染形成的霾污染天气是造成能见度下降的主要原因，而且大气污染物的稀释扩散还受到近地层输送条件的影响。[21]使用矢量和分析方法，吴兑等在2008年分析了珠江三角洲地区近地层风对严重霾污染过程的影响，结果发现区域内出现静小风天气容易发生区域霾污染，而在强平流输送天气条件下，不易出现霾污染; 广州市霾污染与大气中细粒子浓度的增加密切相关，是造成大气能见度下降的的主要原因，卫星遥感观测数据表明2001～2004年该地区550nm的气溶胶光学厚度在0．7～1．2之间; 在雨季，含有吸湿成分的颗粒物会吸湿增长，导致颗粒物的散射系数增加，总消光系数随之增加，大气的光学厚度增加。[22]刘新罡等分析了广州市2004年10～11月颗粒物散射系数和吸收系数以及其化学成分，对影响广州市大气能见度因子的贡献进行计算，结果发现颗粒物散射和吸收贡献最大，其次是气体污染物和水汽，贡献最低的是大气分子。[23]

刘红年等模拟了PM2．5中主要成分的浓度分布，根据颗粒物浓度分布计算了城市大气能见度，从而预测城市霾污染天气的数值预报模式，利用该模式对南京地区两次霾污染过程进行了模拟，结果表明颗粒物是造成该地区能见度下降的主要原因，其消光系数占总消光系数的95%以上，其中硫酸盐和有机物是造成能见度下降的主要成分，其次为黑碳、粗粒子和土壤。[24]张远航认为大气复合污染是内因，而大气中颗粒物的消光作用是造成霾污染的外因。[25]宋宇等人观测发现大气中的颗粒物是造成北京市大气能见度降低的主要原因，细粒子浓度越高，消光作用越强，能见度越低，两者呈现较好的负相关。[26]朱先磊等利用CMB受体模型对北京地区PM2．5的来源进行了研究，结果发现化石燃料和生物质燃烧尾气、机动车尾气、工业扬沙、建筑扬尘、二次气溶胶等颗粒物是北京地区细粒子的主要来源，化石燃料和生物质燃烧、扬尘、二次气溶胶随季节变化比较明显，但不同区域的污染源贡献率相似。[27]Sun等对北京地区雾污染天颗粒物的变化特征进行了观测研究，认为不利的气象条件与霾天严重的细粒子污染密切相关，人为源的排放是污染物的主要来源。在静稳天气情况下，随着前体污染物排放量的增多，气体污染物可以通过光化学反应等生成二次颗粒物，改变大气颗粒物的组成。[28]胡晓宇等利用CMAQ模式，通过敏感性分析获得了珠江三角洲地区不同城市PM10浓度随不同污染源削减的变化情况，对城市间空气污染的相互影响进行了定量分析，结果显示该地区已形成了PM10区域性污染的格局，并且城市间污染物的输送是造成该地区PM10浓度较高的重要原因。[29]

此外，国内外还通过后向轨迹的聚类统计，将不同区域的排放源对局地污染的贡献进行了分析。Baker对英国伯明翰地区1998～2010年的观测资料进行了统计分析，并将资料与不同高度不同来向的后向轨迹对比，结果发现气体污染物浓度随不同来向的后向轨迹具有明显的差异。[30]王艳等用中尺度大气数值预报模式和Hysplit－4气流轨迹模式对长江三角洲地区进行了长期观测研究，结果显示该地区的空气质量在不同季节，不同地理位置的城市变化较大，说明不同城市的大气污染物受污染源分布及季节主导风向的影响。[31]单文坡等运用后向轨迹对济南市出现的O3高值现象进行了研究，结果发现当济南受来自京津冀地区和长三角地区污染性气团控制时，济南市容易出现O3高值，表明远程输送对局地污染物有很大的影响。[32]吉东生等人利用Hysplit－4气流轨迹模式对中国华北地区的一次重污染过程进行分析，结果发现当轨迹的起始点由西北和北变为西南和南的时候，颗粒物的浓度急剧增加，空气变得更加潮湿，而当轨迹的起始点由西南和南变为西北和北的时候颗粒物的浓度忽然减小，空气变得干燥。[33]邓雪娇等基于WRF中尺度气象模式和Hysplit－4气流轨迹模式对2003～2004年在深圳地区发生的六次污染过程进行了分析，发现当空气污染严重时，该地区处于珠江三角洲上游地区的气团控制; 而当该地区处于海上清洁气团控制时，大空气质量较好。[34]赵恒等人对获得的后向轨迹进行聚类分析得到影响香港大气污染物浓度的气团可以分来自大陆的气团、局地输送性气团和海洋性气团等六类; 相对于其他气团，在大陆性气团影响下，气体污染物O3、SO2、CO的平均浓度明显偏高。[35]陆晓波等对2008年10月28日南京市出现的一次重度霾污染天气进行了相关分析，结果显示在东北气流的引导下，周边地区秸秆焚烧产生的大量颗粒物向南京市城区方向输送，是造成此次霾污染的主要原因。[36]

[1] Ramanathan V，Crutzen P J，Mitra A P，et a1． The Indian Ocean experiment and the Asian brown cloud［J］ ． Current Science，2002，83 (8) : 947 － 955．

[2] Appel B R，Tokiwa J H，Hsu J，et a1． Visibility as related to atmospheric aerosol constituents［J］ ． At－mospheric Environment，1985，19 (9) : 1525 － 1534．

[3] Senaratne I． Elemental composition in source identification ofbrown haze in Auckland，New Zealand［J］ ．Atmospheric Environment，2004，38 (19) : 3049 － 3059．

[4] Sisler J F，Malm W C． The relative importance of soluble aerosols to spatial and seasonal trends of impaired visibility in the United States ［J］ ． Atmospheric Environment，1994，28 (5) : 851 － 862．

[5] Chen L W A，Chow J C，Doddfidge B G，et a1． Analysis of a summertime PM2． 5 and haze episode in the mid － Atlantic region ［J］ ． Jounal of Air＆Waste Manage Association，2003，(53) : 946 － 956．

[6] Watson J G． Visibility: Science and regulation ［J］ ． Journal of the Air＆Waste Management Association，2002，52 (6) : 628 － 713．

[7] Schichtel B A，Husar R B，Falke S R，et a1． Haze trends over the United States，1980 － 1995 ［J］ ．Atmospheric Environment，2001，35 (30) : 5205 － 5210．

[8] Muraleedharan T R，Radojevic M，Waugh A，et a1． Chemical characterization of the haze in Brunei Darussalam during the 1998 episode ［J］ ． Atmospheric Environment，2000，34 (17) : 2725 － 2731．

[9] Chameides W L，Yu H，Liu S C，et a1． Case study of the effects of atmospheric aerosols and regional haze on agriculture An opportunity to enhance crop yields in China through emission controls ［J］ ． Joumal of geophysical research，1999，96 (24) : 1029 － 2001．

[10] Malm W C． Characteristics and origins of haze in the continental united － states ［J］ ． Earth － Science Reviews，1992，33 (1) : 1 － 36．

[11] Kerr R A． Climate study unveils climate cooling caused by pollutant haze ［J］． Science，1995，26 (8) : 521 －802．

[12] Robert Vautard． Decline of fog，mist and haze in Europe over the past 30 years ［J］ ． Nature Geoscience，2009，2: 115 － 119．

[13] 候美伶，王杨君． 灰霾成因、污染特征及健康危害［J］． 广东化工，2011，6 (38): 134－135．

[14] 许嘉玲，陈美蓉． 柳州市灰霾天气的气候特征分析及对策研究［J］． 安徽农业科学，2009，37 (1): 252－253，256．

[15] 吴兑． 大城市区域霾与雾的区别和灰霾天气预警信号发布［J］． 环境科学与技术，2008，31 (9): 1－7．

[16] 刘俊，袁鸾． 珠江三角洲一次大范围灰霾天气下的空气污染特征分析［J］． 环境科学导刊， 2009，28 (4): 78－82．

[17] 李新姝，于兴娜． 灰霾期间颗粒物化学特性研究进展［J］． 中国科技论文在线，2011，6 (9):661－664．

[18] 郭红霞． 灰霾天气监测预警的探讨与研究［J］． 中国科技博览，2010，(36): 579．

[19] Tan J，Duan J，Chen D，et a1．Chemical characteristics of haze during summer and winter in Guangzhou ［J］．Atmospheric Research，2009，94 (2): 238－245．

[20] Tan J，Duan J，He K，et a1．Chemical characteristics of PM2．5 during a typical haze episode in Guang－zhou［J］．Journal of Environmental Sciences，2009，21 (6): 774－781．

[21] 吴兑，邓雪娇，毕雪岩等． 细粒子污染形成灰霾天气导致广州地区能见度下降［J］． 热带气象学报，2007，23 (1): 1－6

[22] 吴兑，廖国莲，邓雪娇等． 珠江三角洲霾天气的近地层输送条件研究［J］． 应用气象学报， 2008，19 (1): 1－9．

[23] 刘新罡，张远航，曾立民等． 广州市大气能见度影响因子的贡献研究［J］． 气候与环境研究， 2006，11 (6): 732－738．

[24] 刘红年，胡荣章，张美根． 城市灰霾数值预报模式的建立与应用［J］． 环境科学研究，2009，22 (6): 631．

[25] 张远航． 大气复合污染是灰霾内因［J］． 环境，2008，07: 56－57．

[26] 宋宇，唐孝炎，方晨等． 北京市能见度下降与颗粒物污染的关系［J］． 环境科学学报，2003，23 (4): 468－471．

[27] 朱先磊，张远航，曾立民等． 北京市大气细颗粒物PM2．5的来源研究［J］． 环境科学研究， 2006，18 (5): 1－5．

[28] Sun Y，Zhuang G，Tang A，et a1．Chemical Characteristics of PM2．5 and PM 10 in haze－fog episodes in Beijing［J］．Environment Science＆Technology，2006，40: 3148－3155．

[29] 胡晓宇，李云鹏，李金凤等． 珠江三角洲城市群PMl0的相互影响研究［J］． 北京大学学报， 2011，47 (3): 519－524．

[30] Baker JA．cluster analysis of long range air transport pathways and associated pollutants concentration with－in the UK［J］．Atmospheric Environment，2010，44 (4): 563－571．

[31] 王艳，柴发合，刘厚风等． 长江三角洲地区大气污染物水平输送场特征分析［J］． 环境科学研究，2008，21 (1): 22－29．

[32] Shah W，Yin Y，Zhang J，et a1．Observational study of surface ozone at an urban site in East China［J］． Atmospheric Research，2008，89 (3): 252－261．

[33] Ji Dongsheng，Wang Yuesi，Wang Lili，et a1．Analysis ofheavy pollution episodes in sele cted cities ofnorthern China［J］．Atmospheric Environment．2012，50: 338－348．

[34] 邓雪娇，吴兑，毕雪岩等． 深圳地区典型大气污染过程分析［J］． 中国环境科学，2006，26 (9): 7－11．

[35] 赵恒，王体健，江飞等． 利用后向轨迹模式研究TRACE－P期间香港大气污染物的来源［J］．热带气象学报，2009，25 (2): 181－186．

[36] 陆晓波，许建华． 一次典型灰霾天气过程及成因分析［J］． 环境监控与预警，2009，1 (1):10－13．