常文濤 白 莉 車文昊 化亞魏

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

近年來(lái)，我國(guó)霧霾天氣不斷加劇，霧霾影響面積持續(xù)擴(kuò)大．2013年10月21日至23日，東北連續(xù)多日出現(xiàn)嚴(yán)重霧霾天氣，長(zhǎng)春市更是出現(xiàn)歷史罕見(jiàn)的大霧，空氣污染嚴(yán)重，能見(jiàn)度不足20m，嚴(yán)重影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市交通和居民生活．根據(jù)我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的數(shù)據(jù)，全國(guó)霧霾影響面積已超過(guò)143萬(wàn)km2，我國(guó)從東北到華北，從中部到東部都普遍出現(xiàn)重度或嚴(yán)重空氣污染．

1 霧霾簡(jiǎn)介及聯(lián)系

霧和霾是兩種自然天氣現(xiàn)象．根據(jù)氣象學(xué)定義，霧是近地面層空氣中水汽凝結(jié)(或凝華)的產(chǎn)物，大量懸浮在近地面空氣中微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)．霾也稱灰霾(或煙霾)，由大量極細(xì)微的干塵粒(干氣溶膠粒子)等均勻地漂浮在空氣中形成［1］．霧和霾的區(qū)別表現(xiàn)在兩方面:一是相對(duì)濕度．通常將相對(duì)濕度大于90%的低能見(jiàn)度天氣稱為霧，相對(duì)濕度小于80%時(shí)稱為霾［2］．二是能見(jiàn)度．霧的水平能見(jiàn)度低于1km，霾的水平能見(jiàn)度低于10km．

霾天氣出現(xiàn)時(shí)大量極細(xì)微的干塵粒出現(xiàn)在空氣中，當(dāng)空氣中水汽較多時(shí)，某些吸水性強(qiáng)的干氣溶膠粒子會(huì)吸水增長(zhǎng)，并最終會(huì)活化成云霧的凝結(jié)核，產(chǎn)生更多更小的小水滴(或冰晶)形成霧．由于干氣溶膠粒子和霧都能影響能見(jiàn)度，當(dāng)水平能見(jiàn)度低于10km時(shí)，可能既有干氣溶膠的影響，也可能有霧的影響．

2 霧霾組成成分和形成機(jī)理

2．1 霧霾的組成成分

二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和可吸入顆粒物這三項(xiàng)是霧霾的主要組成成分［3］．其中的顆粒物中的PM2．5(也稱可入肺顆粒物)，可深入到細(xì)支氣管和肺泡，直接影響肺的通氣功能，使機(jī)體容易處在缺氧狀態(tài)，對(duì)人體健康的危害較大．

2．2 霧霾加劇原因之一——?dú)馊苣z粒子濃度

在我國(guó)霧霾天氣加劇的原因中重要的一方面就是較高的氣溶膠粒子濃度，由圖1中的左圖可以看出，我國(guó)城市的硫酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)碳和銨鹽的粒子濃度分別高達(dá) 34μg/m3，15μg/m3，30μg/m3，12μg/m3，遠(yuǎn)高于歐洲城市的5μg/m3，4μg/m3，6μg/m3和2μg/m3，并且在圖1中可以看出我國(guó)的城郊同樣存在這種現(xiàn)象，氣溶膠粒子濃度遠(yuǎn)高于歐洲城郊．雖然歐洲城市氣溶膠粒子濃度相對(duì)于城郊高，但是遠(yuǎn)不如中國(guó)城市和城郊之間的差別大．我國(guó)氣溶膠粒子質(zhì)量濃度水平在世界范圍內(nèi)較高，而在歐洲的城市和城郊均遠(yuǎn)低于我國(guó)，霧霾加劇與我國(guó)居高不下的氣溶膠粒子濃度水平有密切的關(guān)系．

圖1 中國(guó)和歐洲氣溶膠粒子濃度對(duì)比

2．3 霧霾加劇原因之二——二次氣溶膠

二次氣溶膠是氣體經(jīng)過(guò)大氣化學(xué)反應(yīng)在大氣中最終一部分轉(zhuǎn)化成為新氣溶膠粒子，其形成受氣象條件影響大，導(dǎo)致了我國(guó)霧霾呈區(qū)域性分布的特點(diǎn)．二次氣溶膠形成方式主要有:

(1)直接從氣體變?yōu)闅馊苣z粒子(粒徑通常在30nm以下);

(2)新粒子形成后通過(guò)碰并、集聚等過(guò)程形成一些更大的粒子(100nm～200nm);

(3)通過(guò)凝結(jié)等過(guò)程進(jìn)一步形成一些粒徑更大的粒子(多數(shù)在300nm，一般不超過(guò)1 000nm，即PM1)．

在大氣中相對(duì)濕度達(dá)到過(guò)飽和時(shí)一部分氣溶膠粒子會(huì)活化為云霧凝結(jié)核，形成云霧滴，使能見(jiàn)度進(jìn)一步降低，飛機(jī)觀測(cè)顯示，已有氣溶膠作用于低云中云滴數(shù)多于高云，高濃度氣溶膠作用下的云霧形成明顯區(qū)別于海洋和污染較少的其他陸地區(qū)域．

2．4 霧霾的形成機(jī)理

霧霾作為一種自然現(xiàn)象，其形成有3方面原因:

(1)懸浮顆粒物的增加． 城市中工業(yè)廢氣、機(jī)動(dòng)車尾氣及其它煙塵排放源排出粒徑在微米級(jí)的細(xì)小顆粒物停留在大氣中，污染物中的可溶性成分遇到浮塵礦物質(zhì)凝結(jié)核后會(huì)迅速包裹，形成混合顆粒;

(2)垂直方向逆溫． 逆溫層使城市上空出現(xiàn)高空比低空氣溫更高，污染物在正常氣候條件下，由氣溫高的近地面向氣溫低的高空擴(kuò)散，逐漸循環(huán)排放到大氣中．但逆溫現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，近地面的氣溫更低，導(dǎo)致污染物的滯留，不能及時(shí)排放出去;

(3)水平方向靜風(fēng)現(xiàn)象的增多． 城市建設(shè)的迅速發(fā)展，加大了地面摩擦系數(shù)，使空氣流經(jīng)城區(qū)時(shí)明顯減弱，靜風(fēng)現(xiàn)象的增多，不利于污染物向城區(qū)外圍擴(kuò)展稀釋，并容易在城區(qū)內(nèi)積累高濃度污染．

形成后的霧霾天氣會(huì)使更多的太陽(yáng)輻射散射和反射回空間，使到達(dá)地面的輻射減少，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度增加，而且每日正常排放和二次轉(zhuǎn)化的氣溶膠粒子進(jìn)一步在近地層大氣中集聚、凝結(jié)，形成更多的云霧滴，造成能見(jiàn)度進(jìn)一步降低．更多云霧滴還會(huì)在一天當(dāng)中殘留與下一天的匯合，形成惡性循環(huán)，造成在下一次天氣過(guò)程出現(xiàn)之前，連續(xù)數(shù)天霧霾維持與加劇，其形成機(jī)理見(jiàn)圖2．

以北京的霧霾為例，主要是因?yàn)榻诖髿猸h(huán)流異常，出現(xiàn)了極端靜穩(wěn)天氣，加上冬季地面夜間的輻射降溫明顯，使空氣中的水汽迅速達(dá)到飽和并形成了輻射霧．水霧不僅為氣態(tài)污染物SO2，NOx迅速轉(zhuǎn)化為硫酸鹽、硝酸鹽粒子提供了極有利的條件，而且為細(xì)顆粒物的吸濕、凝聚長(zhǎng)大與累積提供了適宜條件．同時(shí)，極端靜穩(wěn)天氣形成了低空大氣的“逆溫層”，使空氣在水平、垂直方向的交換流通能力變?nèi)酰焕诳諝庵形廴疚锏臄U(kuò)散，從而導(dǎo)致空氣污染的累積效應(yīng)，形成了霾．

圖2 霧霾形成原理

3 乙醇汽油燃燒對(duì)霧霾的影響

3．1 乙醇汽油燃燒產(chǎn)物—常規(guī)污染物排放

在我國(guó)，推廣使用E10乙醇汽油的地區(qū)有黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽5省以及湖北、河北、山東、江蘇省的部分地區(qū)［4］．

表1 兩種油品的常規(guī)污染物測(cè)試結(jié)果

E10乙醇汽油是用體積分?jǐn)?shù)90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調(diào)和而成．有研究表明，車用乙醇汽油的使用可有效降低汽車尾氣常規(guī)污染物的排放．梁賓的研究顯示，E15乙醇汽油(在汽油中乙醇體積含量為15%)比純車用無(wú)鉛汽油碳烴排量下降16．2%，一氧化碳排放量下降了30%［5］．通過(guò)表1可以看出，車輛燃用E10乙醇汽油后兩種污染物均有不同程度的降低，CH和NOx降低的分?jǐn)?shù)依次為21．42%和4．62%．

3．2 乙醇汽油燃燒產(chǎn)物—附加產(chǎn)物

雖然車輛使用乙醇汽油可以減少某些污染物的排放，但有研究表明，也會(huì)使其它的污染物(如醛、酮類)排放增加，不能認(rèn)為變性燃料乙醇將會(huì)根本性地改善汽車尾氣的排放狀況．醛、酮等物質(zhì)是污染大氣中自由基和有機(jī)氣溶膠的重要來(lái)源，不僅可以經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)生成光化學(xué)煙霧，而且其又是由碳?xì)浠衔锝?jīng)過(guò)光化學(xué)反應(yīng)得來(lái)的．

對(duì)汽車使用乙醇汽油后尾氣中9種醛和酮含量的變化趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，汽車使用乙醇汽油后，尾氣中丙烯醛、甲醛和正戊醛的增長(zhǎng)率高達(dá)293%，186%和192%;其它幾種醛類的含量也呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且平均增長(zhǎng)率在47．8% ～92．1%;丙酮和丁酮的含量也有所增加，增加幅度分別為16．6%和25．3%［6］．

當(dāng)空氣的溫度升高、濕度加大時(shí)，可促使光化學(xué)反應(yīng)速度加快，碳?xì)浠衔锏难趸?、轉(zhuǎn)化速度較快，經(jīng)一系列的化學(xué)反應(yīng)迅速形成醛(或酮)，從而使大氣中醛、酮類有機(jī)物濃度升高，這些污染物的濃度的增加，無(wú)疑對(duì)霧霾天氣的形成起到了推動(dòng)性的作用．

3．3 乙醇汽油燃燒產(chǎn)物—顆粒物排放

從圖3中可看出，車輛燃用E10乙醇汽油，顆粒物排放數(shù)密度總量比燃用普通汽油降低了33%．從圖4中可以看出，粒徑小于0．2μm(200nm)的顆粒物，E10乙醇汽油相對(duì)于燃用汽油顆粒物數(shù)密度的降低率分布近似為多項(xiàng)式分布;粒徑0．02μm附近，兩者排放量接近;在0．07μm附近降幅最大，達(dá)到55%;在0．2μm處，降低幅度為10%;在0．2μm之后，降低率的分布基本為對(duì)數(shù)分布，雖然降低率隨粒徑增大而增加，但降低率的增加幅度逐漸減小;在3．1μm之后，降低幅度均已超過(guò)50%．

大氣重污染過(guò)程中大氣能見(jiàn)度會(huì)降低，其主要影響因素是細(xì)顆粒物的質(zhì)量濃度和化學(xué)成分．例如，采用多元線性回歸方法研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒上的NH4+，SO42-，NO3-OC和EC能夠顯著降低大氣的能見(jiàn)度．學(xué)者Deng［7］等通過(guò)研究分析南京市空氣質(zhì)量指數(shù)、氣象參數(shù)與大氣能見(jiàn)度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，顆粒物質(zhì)量濃度和相對(duì)濕度能夠顯著影響大氣能見(jiàn)度．學(xué)者Lin［8］等在研究北京、上海、成都和廣州的空氣質(zhì)量與大氣能見(jiàn)度的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，空氣中顆粒物的質(zhì)量濃度能夠顯著影響大氣能見(jiàn)度．

圖3 兩種油品顆粒物數(shù)密度的排放總量

圖4 兩種油品的顆粒物數(shù)密度的分布曲線總量

3．4 乙醇汽油燃燒產(chǎn)物—水

乙醇的燃燒會(huì)生成大量水汽．當(dāng)空氣中水汽較多時(shí)，某些吸水性強(qiáng)的干氣溶膠粒子(硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和部分可溶性有機(jī)氣溶膠)會(huì)吸水、長(zhǎng)大．在我國(guó)華北區(qū)域的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，吸濕后的氣溶膠粒子粒徑會(huì)增大20% ～60%，使得在相對(duì)濕度大時(shí)觀測(cè)的PM2．5質(zhì)量濃度“虛高”，因其不完全是氣溶膠粒子的貢獻(xiàn)，還有水分的影響．室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)苯甲酸等芳香類有機(jī)物與無(wú)機(jī)鹽混合的氣溶膠可以在相對(duì)濕度70%時(shí)就開始吸濕增長(zhǎng)，但高濕條件下粒子增幅和理論值相比變小，這會(huì)導(dǎo)致氣溶膠滯空時(shí)間加長(zhǎng)，光學(xué)特性變化，使與霾有關(guān)的PM2．5、能見(jiàn)度和氣溶膠光學(xué)厚度觀測(cè)的不確定性加大．

綜上所述，機(jī)動(dòng)車尾氣排放基數(shù)大，會(huì)使其產(chǎn)物水蒸氣對(duì)局部相對(duì)濕度產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)出現(xiàn)極端靜穩(wěn)天氣時(shí)，空氣相對(duì)濕度會(huì)持續(xù)增大，在氣溶膠和顆粒物濃度較高時(shí)容易誘發(fā)霧霾天氣．通過(guò)以上的研究表明，乙醇汽油燃燒產(chǎn)物對(duì)霧霾的影響是顯而易見(jiàn)的．

除此之外，由于乙醇汽油產(chǎn)生大量水汽，嚴(yán)寒地區(qū)冬季經(jīng)常會(huì)使城市道路結(jié)一層薄冰，尤其是在紅綠燈路口車輛集中減速路段，以及橋梁引橋路段結(jié)冰現(xiàn)象更加嚴(yán)重，易發(fā)生交通事故，嚴(yán)重影響道路交通安全．

4 結(jié)語(yǔ)

從降低常規(guī)污染物和顆粒物的排放角度來(lái)看，乙醇汽油的燃燒比普通汽油具有優(yōu)勢(shì)，但乙醇汽油燃燒后醛、酮等有機(jī)污染物的含量增多，會(huì)引發(fā)光化學(xué)煙霧，加重霧霾形成．此外冬季乙醇汽油燃燒后，生成的水分會(huì)在一定程度上影響區(qū)域性相對(duì)濕度，并且嚴(yán)寒地區(qū)冬季路面容易結(jié)冰，對(duì)交通產(chǎn)生不利影響．

目前的研究還不能定量地確定乙醇汽油對(duì)霧霾形成貢獻(xiàn)力，但本文的研究顯示，燃用乙醇汽油仍然沒(méi)有從根本上解決氣體污染物排放問(wèn)題，因此綜合考慮，建議在嚴(yán)寒地區(qū)冬季不宜大量使用乙醇汽油．

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