霧霾形成機理研究進展

耿迎雪 胡金朝

(西昌學院土木與工程學院，四川 西昌 615013)

霧霾形成機理研究進展

耿迎雪 胡金朝

(西昌學院土木與工程學院，四川 西昌 615013)

針對近年來我國霧霾頻發的現象，本文選取有代表性的霧霾研究文獻，從霧霾的定義、危害、成分及形成機理幾個方面進行了綜述。以期為霧霾的治理提供一些基礎理論知識及政策建議。

霧霾；霧霾危害；氣溶膠；氣象條件；形成機理

近年來，大氣顆粒物污染日趨嚴重，嚴重影響著人類的正常生活及工作。2013年1月在京津冀及周邊地區發生了一場歷史罕見、長周期的大氣重污染。近段時間全國許多城市(特別是發展較快的大都市)霧霾天氣頻繁，2017年1月初，華北地區出現了嚴重的持續性重度大氣污染事件。環保部發布的2017年1月份全國空氣質量顯示：京津冀區域13個城市PM2.5濃度同比上升43.8%。由于超細大氣顆粒物嚴重影響著人的呼吸系統及年輕人群肺功能的發育[1-2]，PM2.5及納米顆粒物能夠進入到呼吸系統的腔區，引起炎性應答[3]。霧霾的成因、發展趨勢、環境影響與應對的研究勢在必行。

從2013年1月1日起，環保部在74個城市開展了全指標空氣質量監測，到2014年1月1日，全指標空氣質量監測城市數增大到161個。2016年12月6 日，環境保護部部長陳吉寧主持會議，研究部署應急應對工作，建立了京津冀及周邊地區重污染天氣應急聯動長效機制。全國人大代表、中國中醫科學院院長張伯禮等3名代表向十二屆全國人大五次會議提交了《關于制定發布<霧霾白皮書>的建議》?！督ㄗh》認為，白皮書內容應該包括霧霾成因研究、霧霾對人身健康的影響、防控措施等三部分內容。中國科學院院士、中科院地球環境研究所所長周衛健代表，建議集中多學科科學家攻克“我國北方霧霾的成因、發展趨勢、環境影響與應對”研究項目。作為大氣的主要污染物質，霧霾受到的關注度越來越高。

1 霧霾的定義

霧是指大氣中因懸浮的水汽凝結、能見度低于1公里時的天氣現象，霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統，多出現于秋冬季節，是近地面層空氣中水汽凝結(或凝華)的產物。霾，也稱灰霾，指空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等大量極細微的干塵粒子均勻的浮游在空中，使空氣渾濁的現象。通常能見度小于10km，相對濕度小于90%時為霾[4]。霧霾根據存在狀態不同主要分為兩大類，第一類是大范圍、短時間的大霧霾，第二類是局地性、常態化的城市灰霾。這兩類霧霾的機理有比較大的區別，第一類霧霾可視為一種自然災害，而第二類霧霾是人為污染為主要原因造成的，也是治理的重點5]。

2 霧霾的成分

我國北方的霧霾事件分布面積大、季節性鮮明，和倫敦、洛杉磯歷史上的霧霾事件都不一樣。霧霾成分非常復雜，是“復合型”的，包括數百種大氣化學顆粒物質。其核心物質是由空氣中懸浮的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物(如多環芳烴)等粒子組成的。一般而言，粒徑2.5微米至10微米的粗顆粒物主要來自道路揚塵等；2.5微米以下的細顆粒物(PM2.5)則主要來自化石燃料的燃燒(如機動車尾氣、燃煤)、揮發性有機物(如多環芳烴)等。

3 霧霾的形成機理

嚴重的霧霾污染是人為空氣污染物排放、異常氣象因素和地形等共同作用的結果。空氣污染物的產生主要來源于汽車尾氣的排放、煤炭燃料的燃燒、工業企業的排放以及沙塵疊加等多種因素[6]。與大氣有密切關系的氣象條件主要有風、逆溫、氣壓、氣溫等，這些氣象因素都影響和制約著大氣污染物濃度及其時空分布情況。

霧霾的形成受地域的影響。在地方性霾的研究方面，吳兌[1]等分析了珠江三角洲大氣灰霾導致能見度下降的相關問題，唐宜西、朱佳雷、劉玉蘭等分別對北京、江蘇、銀川等地區霾的天氣特征及相應的氣候特征、氣象要素特征進行了分析[7]。目前的研究主要集中在京津冀、中東部及珠三角地區[8-9]，主要涉及霧霾的來源、氣候特征、顆粒物濃度、化學組分等特性研究，同時對霧霾過程中氣溶膠光學特征的研究也在不斷深入。

霾的形成與氣溶膠有直接關系。孫冉[10]等認為霾的污染就是氣溶膠污染。霧霾發生期間會出現明顯的氣溶膠層，且大氣中普遍存在厚度約為2-3km 的氣溶膠層，大氣邊界層明顯。隨著近地面相對濕度的增加(RH=91%)，氣溶膠污染厚度有明顯增長。孫燕[11]等通過研究2013年12月上旬江蘇大范圍持續性霧霾成因發現，大量氣溶膠粒子是造成江蘇此次大范圍持續性霾天氣的主要原因，同時也為霧形成提供了豐富的凝結核，當空氣中的濕度變化時，發生霧霾轉換，也極易出現強濃霧。

一次氣溶膠粒子通常粒徑大、質量濃度高，但對霾的貢獻有限，受排放強度的控制，主要影響霧霾產生的是二次氣溶膠[12-13]。張小曳[14]等發現，PM質量濃度中有超過50%為二次氣溶膠，而且二次氣溶膠的形成和PM 的濃度變化受天氣條件影響很大。在形成方式上，二次氣溶膠主要有三種方式：一是直接由氣體形成氣溶膠粒子，二是新粒子通過碰撞、聚集，形成更大的粒子；三是通過凝結等方式形成粒徑更大的粒子。水溶性的無機物離子如銨根、硫酸根、硝酸根離子在霧霾形成中影響最大，這些離子的形成主要在于高濕度下二氧化硫、氮氧化物和氨氣經過多階段反應的快速轉化[15]。二次氣溶膠形成過程中，金屬離子是氧化過程的催化器，二氧化氮在二氧化硫轉化成硫酸鹽的過程中也扮演著催化劑的作用[16]。

一定的氣象條件，是霧霾形成的必備因素。一般情況下，小風、高溫、逆溫等穩定的氣象條件易導致霧霾天氣的發生。逆溫層即上暖下冷的逆溫現象，使得大氣層低空的空氣垂直運動受到限制，各種氣溶膠污染物逐漸堆積；大氣相對濕度是二次氣溶膠形成的重要影響因素；而高溫可導致各種污染物的協同作用[17]。孫冉[10]等通過研究上海一次典型霧霾過程中不同污染階段氣溶膠的光學特性，發現相對濕度對能見度的影響最大，溫度次之，再次是風速，而PM2.5對能見度的影響最小。這與張小紅[18]等、姚青[19]等認為能見度受細顆粒物濃度影響較大存在差異，可能是因為相對濕度的增加導致大氣中的大量水蒸氣凝結，產生霧滴，增加了光的吸收和散射作用，進而對能見度造成更為顯著的影響[20]。

2012年11月下旬以來，影響我國的冷空氣活動頻繁，全國平均氣溫為近28年同期最低，呈現出平均氣溫明顯偏低。由于低溫導致燃煤采暖排放量相應增加，加重了大氣污染。冷空氣過后氣溫上升，易形成逆溫現象，使大氣層低空的空氣垂直運動受到限制，導致污染物難以向高空飄散而被阻滯在低空和近地面。而2013年1月，冷空氣影響偏弱、風速小，造成污染物在近地面層集聚，這就是到2013年以來霧霾頻頻出現的原因。

霾機理的研究相對較復雜的是從大氣物理角度說明霧霾的形成過程。趙桂香，杜莉，衛麗萍等對山西省天氣實況資料分析計算物理量，從環流形勢、形成條件和維持機制方面分析持續性霧霾天氣的原因[21]。韓志偉課題組致力研究大氣污染預測理論和模式，構建的RAQMS(三維歐拉)模型很好地模擬了污染物、能見度及氣溶膠的變化情況[22]。另外有其他學者利用激光雷達、數值模擬等不同方法對地區性霾發生時的氣溶膠環境、大尺度環流形勢和近地層輸送條件等進行了深入研究[23-26]。

4 結 論

目前，關于霧霾的研究大多集中在霧霾的來源、氣候特征、顆粒物濃度、化學組分等特性進行調查分析，得到的結論如下：

(1)關于霧、霾研究主要集中在霧、霾的氣候特征、成分、形成機理以及微物理屬性等方面。但是關于霧霾的形成的機理并沒有一個成熟的理論及統一的認識。

(2)霧霾的影響因素，大多數的專家學者認為霾的形成與氣溶膠有直接關系，霾的污染就是氣溶膠污染。一定的氣象條件，是霧霾形成的必備因素。一般情況下，小風、高溫、逆溫等穩定的氣象條件易導致霧霾天氣的發生。

(3)霧霾的形成受地域的影響，目前研究主要集中在京津冀、中東部及珠三角地區。各地霧霾成因不一樣，因此治理不能千篇一律。

影響霧霾形成的因素有很多，包括氣溶膠、濕度、溫度、擴散作用等。在絕大多數情況下，各種因素是并存的。因此，只研究單個參數的影響無法真正了解霧霾形成機理，我們需要在更深層次上探索實驗和理論問題。

[1]Brunekreef，B.，Forsberg，B..Epidemiological evidence of effects of coarse airborne particles on health[J].European Respiratory Journal，2005，26 (2)：309-318.

[2]Gauderman，W.J.，Avol，E.，Gilliland，F.，Vora，H.，Thomas，D.，Berhane，K.，McConnell，R.，Kuenzli，N.，Lurmann，F.，Rappaport，E.，Margolis，H.，Bates，D.，Peters，J..The effect of air pollution lung development from 10 to 18 years of age[J].The New England Journal of Medicine，2004，351(11)：1057-1067.

[3]Harrison，R.M.，Yin，J..Particulate matter in the atmosphere：Which particle properties are important for its effects on health[J].The Science of the Total Environment，2000，249，85-101.

[4]吳兌，畢雪巖，鄧雪嬌，等.珠江三角洲大氣灰霾導致能見度下降問題研究[J].氣象學報，2006，64(4)：510-517.

[5]夏光.新霾說[J].環境與可持續發展，2016，41(6).

[6]Rapid formation of a severe regional winter haze episode over a megacity cluster on the North China Plain[J].Environmental Pollution，2017，1(63)：605-615.

[7]劉麗偉，李文才，尚可政，等.京津冀地區一次嚴重霾天氣及其氣象成因研究[J].中國科技論文在線.

[8]楊欣，陳義珍，劉厚風，等.北京2013 年1 月連續強霾過程的污染特征及成因分析[J].中國環境科學，2014，34(2)：282-288.

[9]王靜，牛生杰，許丹，等.南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學特性[J].中國環境科學，2013，33(2)：201-208.

[10]孫冉，馬驍駿，陳勇航，等.上海一次典型霧霾過程中不同污染階段氣溶膠光學特性及成因分析[J].環 境 科 學 學 報，2016，2(65)：1-14.

[11]孫燕，嚴文蓮，謝真珍.2013年12月上旬江蘇大范圍持續性霧霾成因分析[J].環境科學與技術，2016，39(1)：147-152.

[12]魏嘉，呂陽，付柏淋.我國霧霾成因及防控策略研究[J].環境保護科學，2014，40(5)：51-55.

[13]Zhang X Y，Wang Y Q，Lin W L，et al.Changes of atmospheric composition and optical properties over Beijing-2008 Olympic Monitoring Campaign[J].BAMS，2009，90：1633-1651.

[14]張小曳，孫俊英，王亞強，等.我國霧霾成因及其治理的思考[J].科學通報，2013，58(13)：1178-1187.

[15]Yang Zhang，Wei Huang，Tianqi Cai，et al.Concentrations and chemical compositions of fine particles (PM2.5)during haze and non-haze days in Beijing[J].Atmospheric Research，2016，174：62-69.

[16]彭件新.霧霾文獻綜述與經濟分析[J].金融經濟，2015(14)：68-71.

[17]李曉穎，姬麗芬，李寧.大氣中PM 來源、危害及防治對策[C].中國環境科學學會學術年會論文集，2013，4378-4380.

[18]張小紅，劉煉燁，陳喜紅.長沙地區霧霾特征及影響因子分析[J].環境工程學報，2014，8(8)：3361-3366.

[19]姚青，蔡子穎，韓素芹，等.天津冬季相對濕度對氣溶膠濃度譜分布和大氣能見度的影響[C].全國優秀青年氣象科技工作者學術研討會，2014，596-603.

[20]張濤，陶俊，王伯光，等.2008 年1 月廣州顆粒物數濃度污染特征[J].中國環境監測，2009，25(2)：31-34.

[21]趙桂香，杜莉，衛麗萍，賀耀武，等.一次持續性區域霧霾天氣的綜合分析[J].干旱區研究，2011，28(5)：871-878.

[22]Jiawei Li，Zhiwei Han.A modeling study of severe winter haze events in Beijing and its neighboring regions[J].Atmospheric Research，2016，170：89-97.

[23]潘鵠，耿福海，陳勇航，等.利用微脈沖激光雷達分析上海地區一次灰霾過程[J].環境科學學報，2010，30(11)：2164-2173.

[24]高岑，王體健，吳建軍，等.2009年秋季南京地區一次持續性灰霾天氣過程研究[J].氣象科學，2012，32(3)：247-252.

[25]Wang Z F，Li J，Wang Z，et al.Modeling study of regional severe hazes over mid-eastern China in January 2013 and its implications on pollution prevention and control[J].Science China (Earth Science)，2014，57(1)：3-13.

[26]Weiqing Huang，Hongbo Fan，Yongfu Qiu，et al.Application of fault tree approach for the causation mechanism of urbanhaze in Beijing-Considering the risk events related with exhausts of coal combustion[J].Science of the Total Environment，2016，544：1128-1135.

On Research Progress on the fog Haze Formation Mechanism

GENG Yingxue HU Jinzhao

(Xichang Collage，Sichuan Xichang 615013)

For frequent fog phenomenon in our country in recent years，this paper selects representative fog research literature，several aspects are reviewed from the definition of fog，harm，composition and formation mechanism in order to provide some basic theoretical knowledge and policy suggestions for the treatment of fog haze.

fog haze；fog haze harmful；aerosol；meteorological condition；formation mechanism

項目資助：四川省環境保護廳課(2011BH005)；西昌學院博士生資助課題(13BQZ07)

耿迎雪，碩士，助教，研究方向為超細礦物顆粒與人體健康

胡金朝，博士，教授，主要研究環境污染監測與修復

文獻格式：耿迎雪 等.霧霾形成機理研究進展[J].環境與可持續發展，2017，42(4)：65-67.

X513

A

1673-288X(2017)04-0065-03