路 娜，周靜博，李治國，王耀濤，靳 偉

（石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北石家莊 050022）

有別于霧，霾是一種災害性天氣現(xiàn)象，是大量極細微的干塵粒等均勻地漂游在空中，導致空氣透明度下降，水平能見度小于10km，空氣普遍混濁的天氣現(xiàn)象［1］。顆粒物的大量存在是霾形成的起因，這些顆粒物的特性和來源是影響霾天氣的主要因素。

近幾年，中國國內多地由于多種因素促成空氣質量加速惡化，導致霧霾天氣頻發(fā)，對社會正常秩序和公眾身體健康造成嚴重影響。京津冀、珠三角、長三角、關中地區(qū)等城市經濟帶空氣質量惡化情況尤為顯著，其中最典型且影響最大的地區(qū)為京津冀區(qū)域。經濟的快速發(fā)展是大氣霧霾天氣的直接誘因。城市不斷向高空發(fā)展，地表粗糙度增加，城市冠層抬升，熱島效應顯著，局地環(huán)流增強，空氣擴散能力減弱。大氣邊界層結構日趨復雜，污染物跨界輸送、相互污染越來越嚴重。因此，如何協(xié)調區(qū)域經濟合理快速發(fā)展與大氣環(huán)境質量改善之間的關系，已成為各方關注的焦點，開展大氣霧霾污染形成機制及調控原理研究具有重要的科學意義和迫切的現(xiàn)實需求。

本文就近幾年研究的熱點問題——大氣霧霾污染形成機制的研究現(xiàn)狀進行了綜述，分析了顆粒物的成分、污染物的來源、氣象條件以及特殊時期的污染特征，并提出了一些治理建議，為深入了解霧霾成因，科學地解決大氣污染提供支撐。

1 氣溶膠顆粒物是霾天氣污染的主因

隨著人類活動的加劇，大氣氣溶膠污染日趨嚴重。尤其在中國近二三十年，大城市每年霧霾天數(shù)平均超過100天，個別城市甚至超過200天，此外霧霾天氣的污染強度也越來越大，能見度可以惡劣到1～2km［2］。經過分析氣溶膠與能見度數(shù)據(jù)關系后得出，人為排放的氣溶膠顆粒物是導致近年中國中東部地區(qū)霧霾天氣頻發(fā)的主因［3］。

以下通過對氣溶膠顆粒物的粒徑分布、成分組成及其來源分析，分別闡述了各組成成分對霧霾污染形成的影響。

1.1 粒徑分布

顆粒物粒徑越小，在大氣中停留時間越長，傳輸距離越遠，去除機制越復雜，反之亦然。顆粒物的粒徑大小受來源和化學成分等因素影響［4］。

劉慶陽等［5］和常清等［6］對北京冬季重污染過程顆粒物及其化學組分的粒徑分布特征研究都表明：重污染主要由細顆粒物污染引起。白鶴鳴［7］在京津冀地區(qū)空氣污染時空分布研究中表明：京津冀地區(qū)3個典型城市在2001年至2010年期間，占主導的首要污染物都為可吸入顆粒物。張妍芬等［8］研究得出2013年石家莊市首要空氣污染物為可吸入顆粒物和細顆粒物。

1.2 成分組成

一般來說，大氣顆粒物主要成分是水溶性無機鹽、不可溶礦物質和含碳物質等。這里的水溶性無機鹽是指，，等酸性離子和Ca2＋，Na＋，K＋等金屬離子；不可溶礦物質則是指含硅、鋁和鐵等元素的地殼物質；含碳物質包括無機碳（EC）和有機碳（OC）［4］。

1.2.1 水溶性無機鹽是主要來源

常清等［6］對北京冬季霧霾天氣下顆粒物及其化學組分進行分析，結果顯示，氣溶膠顆粒物中，，Cl-和Ca2＋是最主要的水溶性離子。隨著大氣污染加重，此類水溶性離子質量濃度也明顯升高。特別是6級污染時占水溶性離子總質量的比例增加至2級良時的2倍。類似地，高怡等［9］的研究得出，大氣中硝酸鹽濃度上升對重度霧霾形成的貢獻巨大。在水溶性無機鹽的形成問題上，常清等經過研究認為，主要是燃煤排放的SO2在高濕、穩(wěn)定的氣象條件下，通過氣粒轉化及非降水的云滴或者霧滴反應不斷累積生成的。主要來自于機動車尾氣排放物NOx的二次轉化。王躍思等［10］對2013年1月中國中東部地區(qū)強霧霾污染成因分析得出，煤、石油類燃料燃燒排放的NOx可加速氣態(tài)SO2向顆粒態(tài)轉化。

1.2.2 含碳化合物對大氣能見度影響大

含碳氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分。含碳化合物中的EC具有強烈的吸光性，可造成大氣能見度的降低；含碳化合物中的OC，一方面可充當大氣化學反應氧化劑，另一方面也可發(fā)揮物理散射作用［4］?；姻财陂gOC和EC濃度水平普遍升高。唐傲寒等［4］分析認為，大氣顆粒物中的EC主要來自于采暖或交通源的直接排放。李新妹等［11］認為，大氣中的OC可能有2個來源：一是來自于機動車或煤燃燒直接排放；二是來自多環(huán)芳烴、有機酸等揮發(fā)性有機物在大氣中的二次轉化。此外，由秸稈焚燒產生的黑碳氣溶膠也是灰霾的重要組成部分。監(jiān)測結果表明，北京和天津區(qū)域大氣中的細顆粒物濃度會隨著華北平原麥秸焚燒現(xiàn)象出現(xiàn)而迅速升高，大氣中的氮氧化物和碳氫化合物濃度亦會相應升高［12-14］。

1.2.3 金屬元素加速二次氣溶膠的形成

鉛、鋅、銅等有毒有害的重金屬元素也時常存在于大氣顆粒物中，并產生潛在的氣候效應。這些重金屬元素對大氣和生態(tài)環(huán)境的影響周期相對更長，對人體健康也可產生致癌作用［15］。焦荔等［16］研究分析得出，鉛元素在杭州PM10樣品中化學元素含量的比例較高，由此引發(fā)的污染和危害不容忽視。另外，銅、錳等元素可在顆粒物表面部分液相和光化學反應中發(fā)揮催化作用，使大氣污染程度進一步加劇。張小曳等［17］研究表明，富含金屬元素的氣溶膠顆粒會因其非均相反應形成酸性界面，進而活躍表面的化學反應，形成更多二次有機氣溶膠。氣溶膠顆粒的金屬元素一方面可來自大自然中的沙塵和火山灰，另一方面可來自化石燃料燃燒及其他工業(yè)行為排放物。其中，大氣中Cu，Zn，Cd，Pb等元素含量受燃煤排放情況影響［18］。當類似工業(yè)區(qū)居于城市上風向時，大氣氣溶膠中As，Mn，Pb的濃度明顯升高［19］。交通運輸也是城市氣溶膠污染的重要來源，氣溶膠顆粒物中Cu，Zn，F(xiàn)e，Cr，Sb和Ba等元素都受到道路交通釋放的影響［19］。

1.2.4 銨鹽是促成PM2.5形成的催化劑［20］

重污染天氣中，因氨氣與空氣中氧化物結合形成的銨鹽的質量總和約占PM2.5中二次顆粒的50%甚至更高，越嚴重的污染天氣，比例越高。分析認為，氨氣可以說是促成PM2.5形成的“催化劑”。作為大氣中唯一的堿性氣體，氨氣在于與二氧化硫、氮氧化物等酸性物質反應生成的銨鹽，就形成了霧霾中的硫酸銨和硝酸銨。一般情況下兩者的質量濃度總和占PM2.5的10%～20%，但在重污染天氣里則劇升至40%～50%。此外，季節(jié)對二次顆粒物中銨鹽的濃度也有影響。大氣中氨氣排放的來源將近90%來自農業(yè)生產，非農業(yè)源不到10%，而在農業(yè)源中，畜牧業(yè)約占60%，農田占30%～40%。除農業(yè)氨氣排放外，工業(yè)和汽車尾氣的氨排放總量不大。

2 多種氣象因素誘發(fā)助推霧霾天氣形成

氣象條件和大氣邊界層結構變化雖然只是霧霾污染形成的外因，但在排放源相對穩(wěn)定的情況下，外因往往是決定性因素。多方研究結果表明，各種不利氣象因素對大氣污染的誘發(fā)助推作用不可小覷。其中低風速、高濕度、大氣緯向環(huán)流、大氣邊界層和逆溫層等氣象現(xiàn)象的出現(xiàn)都可能導致霧霾天氣的發(fā)生或加重。

2.1 靜穩(wěn)天氣誘發(fā)霧霾天氣形成

趙晨曦等［21］分析測量數(shù)據(jù)后得出，北京冬季PM2.5和PM10的質量濃度與風速負相關，并且和風速的相關程度較高。郎鳳玲等［22］研究北京大氣顆粒物數(shù)濃度粒徑分布特征及與氣象條件的相關性得出，風速對顆粒物數(shù)濃度分布影響最為顯著，核模態(tài)與風速呈顯著正相關，其他模態(tài)及總顆粒物數(shù)濃度均與之呈負相關。狄一安等［23］研究表明移動緩慢的氣團在經過污染排放較重的城市區(qū)域時易導致當?shù)卮髿庵须x子濃度二次升高和污染物累積。高健等［24］在對北京2011年10月典型灰霧霾天氣進行研究分析后總結認為，北京地區(qū)長時間的靜穩(wěn)天氣使得各地排放的污染物不能得到有效擴散，在局部區(qū)域內形成污染物堆積效應，進而導致高濃度大氣污染，引發(fā)嚴重霧霾天氣。研究人員采用不同方法對近年各地區(qū)持續(xù)強霧霾天氣的研究結果也與上述結論相印證［9，25-27］。

2.2 逆溫層存在導致污染物迅速積累

王自發(fā)等［25］利用不同研究方法對2013年1月中國中東部的持續(xù)強霧霾天氣進行的研究中證明，大氣中存在明顯的逆溫層，逆溫層厚度大（0.5～1km），強度強（逆溫溫差5～10℃）。這使得近地面南向風和東向風將水汽輸送到華北地區(qū)，上層大氣的西北風將沙塵輸送到華北地區(qū)，有助于氣溶膠的吸濕增長和濃度的聚集。

2.3 大氣緯向環(huán)流、邊界層結構、氣候變化導致霧霾加劇

北半球大氣緯向環(huán)流和氣候變化致使大氣污染物向中緯度區(qū)域聚攏，使位于這一區(qū)域的廣大地區(qū)極易遭受大氣污染之害。尤其華北地區(qū)高空以緯向環(huán)流為主，低層受暖平流影響，且地面受不利于污染物擴散的低壓場或弱氣壓場控制，極易導致污染物的積累。此外，楊欣等［27］研究了北京市2013年1月連續(xù)霧霾天氣也得出：大氣邊界層在91%的時段低于500m，平均僅為293m，較低的邊界層嚴重抑制了污染物的有效擴散。

2.4 高濕狀態(tài)促使大氣顆粒污染物濃度增高

眾多學者研究表明，污染物濃度與相對濕度呈正相關關系，濕度越大，污染物濃度越高，但這些顆粒粒徑一般大于0.1μm。京津冀山前平原區(qū)域的大氣相對濕度逐步增加并保持高濕狀態(tài)，同時受到風向轉向影響，由此形成的厚重逆溫層和較低的混合層高度將污染物緊緊壓迫在近地層，污染物不易擴散［28］。趙晨曦等［21］研究北京冬季 PM2.5和 PM10的質量濃度與相對濕度正相關，并且相關程度較高。郎鳳玲等［22］研究北京大氣顆粒物數(shù)濃度粒徑分布特征及與氣象條件的相關性得出濕度對不同粒徑段顆粒物數(shù)濃度影響不同，愛根核模（顆粒直徑小于0.1μm）濃度與濕度成反比，而積聚態(tài)（0.1μm＜顆粒直徑＜2μm）和粗粒模（顆粒直徑＞2μm）濃度與濕度成正比。

2.5 氣壓與大氣中顆粒物濃度成負相關

朱倩茹等［29］分析得出，至少在廣州區(qū)域，PM2.5指數(shù)與氣壓呈負相關關系，相關系數(shù)夏季為-0.005，非夏季為-0.14。同樣的，徐敬等［30］通過研究北京地區(qū)PM2.5指數(shù)與氣壓的關系得出，在非夏季時段，兩者也為負相關，相關系數(shù)為-0.41～-0.35，但在夏季時段兩者呈正相關，相關系數(shù)為0.10。徐敬探尋原因認為，北京地區(qū)PM2.5指數(shù)在夏季與氣壓呈正相關關系主要是因為當?shù)馗睙釒Ц邏夯顒虞^為活躍，易導致高溫、悶熱、風速小、相對濕度大的“桑拿天”現(xiàn)象，這種氣象條件常常會導致PM2.5濃度持續(xù)累積［31］。

2.6 溫度可提高大氣中顆粒物濃度

趙晨曦等［21］研究發(fā)現(xiàn)，北京冬季PM2.5和PM10的質量濃度與氣溫正相關，但與溫度的相關程度較低。

3 特殊時期的霧霾成因分析

3.1 采暖期

熊秋林等［32］研究了2007年至2012年北京城區(qū)采暖期顆粒物統(tǒng)計數(shù)據(jù)后得出，由燃煤取暖產生的PM0.3是造成同期細顆粒物數(shù)濃度升高的主要粒子。另外，采暖期北京地區(qū)細顆粒物污染區(qū)域分布情況與非采暖期有很大差異，采暖期，細顆粒物污染主要分布在朝陽區(qū)的東部和東南部，以及市中心及其周邊區(qū)域；而在非采暖期間，豐臺區(qū)和朝陽區(qū)細顆粒物污染最嚴重，市中心次之，而海淀區(qū)和石景山區(qū)污染相對較輕。

3.2 沙塵和大霧天氣的影響

白鶴鳴［7］在京津冀地區(qū)空氣污染時空分布研究中用觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬方法，對京津冀地區(qū)的空氣污染時空分布特征進行分析表明，沙塵和大霧天氣對京津冀地區(qū)空氣質量均存在不利影響，沙塵天氣對該地區(qū)空氣污染影響尤為嚴重。沙塵和大霧天氣均對北京影響最為嚴重，石家莊次之，對天津影響最輕。劉慶陽等［33］對2012年春季京津冀地區(qū)的一次沙塵暴天氣過程中的顆粒物污染進行分析表明，沙塵暴天氣期間外來的土壤源輸入明顯，給城市氣溶膠帶來大量的地殼元素，并且沙塵暴氣團攜帶的地殼元素增加了二次離子的轉化。

3.3 季節(jié)性變化對霧霾成因的影響

經研究分析，不同季節(jié)的霧霾成因不盡相同，可見季節(jié)交替也會對霧霾形成產生一定影響。例如，北方冬季的取暖活動、大氣邊界層結構和混合層高度等因素是導致霧霾形成的重要因素。夏季高溫、高輻射氣候遇到高濕天氣時會加劇大氣光化學反應和污染物的吸濕性增長。秋季除強輻射和高溫度可加速大氣光化學反應外，早晚低溫高濕的氣候環(huán)境也容易導致污染物堆積。春季特有的局地揚塵、城市酸性氣體等因素也有助于霧霾的形成。

4 區(qū)域傳輸、地理位置的特殊性產生的影響

4．1 區(qū)域輸送對PM2．5影響嚴重

王自發(fā)等［25］利用自主研制的嵌套網(wǎng)格空氣質量數(shù)值預報模式（NAQPMS）模擬研究2013年1月中國中東部的持續(xù)強霧霾天氣，區(qū)域輸送對PM2.5影響嚴重，來自京津冀區(qū)域外跨城市群輸送和域內輸送對污染天氣的貢獻之和與局地污染源貢獻相當。白鶴鳴［7］綜合利用觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬方法，對京津冀地區(qū)的空氣污染時空分布特征進行分析后也得出類似結論。

4.2 特殊地理位置導致污染物和水汽聚集

以京津冀地區(qū)為例，周邊太行山、燕山和軍都山形成的“弓狀山脈”對冷空氣活動起到阻擋和削弱作用，導致山前區(qū)域形成氣流停滯區(qū)，由此引發(fā)的污染物和水汽聚集形成一條西南—東北走向的高污染帶，極易導致霾和霧。不僅如此，山西區(qū)域的污染物也很容易在低空偏南氣流輸送下沿桑干河河谷和洋河河谷以及滹沱河—拒馬河河谷向北京方向輸送。

5 防治與建議

當前，中國大氣污染形勢嚴峻，加強以PM10，PM2.5為主要污染物的區(qū)域性大氣環(huán)境的治理已經到了刻不容緩的地步。大氣污染防治工程是一項復雜的系統(tǒng)工程，對此提出以下建議措施。

5.1 嚴控污染物排放

1）加強工業(yè)大氣污染綜合治理。首先，在化工、造紙、印染等產業(yè)集聚區(qū)，逐步淘汰分散燃煤鍋爐，推進脫硫、脫硝、除塵改造工程。其次，加快煤改電等清潔能源工程建設。再次，加大工業(yè)揮發(fā)性有機物排放整治力度。

2）加大面源污染治理力度。多部門聯(lián)動整治路面揚塵，加強對施工工地的控塵監(jiān)管，積極引導施工單位人員進行綠色施工。在綠化植樹方面，加快城區(qū)及周邊綠化和防風防沙林建設。另外，城區(qū)也應開展餐飲油煙污染治理。

3）著力減少移動源污染。合理優(yōu)化城市布局規(guī)劃，創(chuàng)新城市交通管理方式。通過宣傳引導綠色出行、增加汽車使用成本等方式切實降低機動車使用強度。同時加快淘汰排放不達標車輛并大力推廣新能源汽車。

4）農業(yè)區(qū)應減少生物質的無組織燃燒。建議多措并舉，疏堵結合。在嚴禁秸稈無序焚燒的同時，配套建設生物質綜合利用設施，引導民眾將秸稈雜草等生物質變廢為寶。

5.2 實施區(qū)域間聯(lián)防聯(lián)控

借鑒歐盟協(xié)同治理酸雨和美國南加州聯(lián)防聯(lián)控遏制光化學大氣污染范例，建立區(qū)域大氣污染聯(lián)防機制，協(xié)調解決環(huán)境問題。建議成立京津冀大氣污染聯(lián)防聯(lián)控委員會，協(xié)同展開大氣污染防治。將目標任務進行分解，健全責任考核體系，實行責任追究制度。

5.3 建立多部門監(jiān)測應急機制

環(huán)保部門加強與其他部門的聯(lián)動合作和信息共享，全面深入構建重污染天氣的監(jiān)測應急機制，完善大氣污染應急體系。根據(jù)不同污染等級相應地采取限產停產、限車限號以及切實有效的氣象干預等應對措施。在監(jiān)測體系建設方面，建議設立地基光學觀測點，開展氣溶膠光學厚度監(jiān)測；布設水平和垂直能見度觀測站，開展能見度觀測；進行大氣邊界層探測，定時掌握逆溫等邊界層特征與霧霾天氣關系；加強對太陽輻射監(jiān)測。

5.4 加強全民環(huán)保宣傳教育

面向大眾開展大氣污染防治宣傳教育活動，提升社會公眾環(huán)保意識。引導大眾環(huán)保活動要從每一個人做起、從每一件事做起，在全社會樹立起“同呼吸、共奮斗”的環(huán)保行為準則。

5.5 健全大氣環(huán)境保護法制

建立完善的環(huán)境保護法制?！董h(huán)境保護法》作為基本法不動搖。在《環(huán)境法》中制定治理污染的全國戰(zhàn)略，細化大氣相關的法律行政法規(guī)及規(guī)章。盡早制定出專門針對大氣污染的《清潔空氣法》。借鑒歐盟和英國政府制訂國家空氣質量戰(zhàn)略，規(guī)定空氣質量標準及相關問責辦法。

5.6 推動環(huán)保類科技發(fā)展

開發(fā)新型材料和燃料減少污染源，同時要利用新科技來治理已經進入或者可能進入大氣的污染。以機動車為例，可以通過提升燃油質量或開發(fā)新動力能源、改進發(fā)動機、改良尾氣處理裝置等手段減少污染物排放。

總而言之，大氣污染防治既是一場繁雜嚴峻的攻堅戰(zhàn)，更是一場艱苦卓絕的持久戰(zhàn)。大氣污染防治涉及面廣，如能源的合理利用、城市的布局、生產工藝的改革、清潔生產工藝的實施等。大氣污染防治深層次原因多，更與中國前期國家發(fā)展策略不無關系。應積極推動大氣污染防治向全面、縱深發(fā)展。一方面要對整個大氣環(huán)境系統(tǒng)進行科學全面分析，對各種能減輕大氣環(huán)境污染方案的技術可行性、實施可能性等進行優(yōu)化篩選和評價；另一方面更要審視中國經濟社會發(fā)展戰(zhàn)略，從宏觀入手著力轉方式調結構，并根據(jù)各區(qū)域實際情況，科學制定大氣環(huán)境質量管控方案，標本兼治，常抓不懈地做好大氣污染防治工作。

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