灰霾天气的形成与灰霾监测

2011-08-15卢照方

绿色科技 2011年9期

卢照方

（中节能六合天融环保科技有限公司，北京100085）

1 引言

灰霾又称大气棕色云，灰霾天气加重空气污染程度，使空气混浊，能见度降低，危害人体健康。所以，都市灰霾的出现具有重要的空气质量指示意义［1］。分析灰霾天气成因的气象条件主要包括合适的大尺度天气形势；气流停滞区、近地面静小风；大气边界层存在强逆温层；强日照和低相对湿度以及以上条件持续多日维持等［2］。空气中气溶胶、细粒子污染加重灰霾天气空气污染，特别是在城市群密集区域大气复合型污染问题凸现，导致城市能见度下降。为有效评定灰霾天气对空气质量的危害程度，基于灰霾天气与空气污染的相互关系，对灰霾中各项污染物成分的准确连续监测显得尤为重要。

中国气象局对于灰霾的定义是，霾是一种天气现象，是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10．0km的空气普遍混浊现象，又称灰霾。美国气象学会的定义为颗粒物悬浮在空气中，散射光而降低能见度；通常由气溶胶和光化学烟雾组成。美国环保总署的定义为大气中因大量而可见的气溶胶，这些颗粒物十分细小，单个肉眼不可见，但引起所见物的扭曲和可见范围的下降。

形成灰霾天气的大气气溶胶主要来源于自然排放和人类活动的排放，但是在一段时期内，无论是自然排放和人类活动排放的气溶胶粒子的总量是大致稳定的，而决定性的控制因素就是气象条件。灰霾天气出现时，一般都伴随着静小风、强日照和低相对湿度。严重的灰霾天气无一例外地都出现在边界层强逆温的情况下，逆温层如同一个锅盖，限制其内物质的扩散和稀释；另一方面，城市化、工业化的发展造成下垫面属性改变，也使得城市大气边界层的物理结构在发生变化。

2 灰霾天气的形成

所谓灰霾天气，是指空气中的氮氧化物、颗粒物的总量大，导致能见度低。灰霾天气的形成有两方面原因，即不利的气象条件，大气颗粒物（特别是细颗粒物PM2．5）和气体污染物的增加。灰霾影响大气环境质量，影响气候和能见度，影响人体健康，尤其是细颗粒物（PM2．5）会分别沉积于上、下呼吸道和肺泡中，引起鼻炎、支气管炎等病症，长期处于这种环境还会诱发肺癌。同时灰霾还会加快城市遭受光化学烟雾污染进程。

由于经济规模迅速扩大和城市化进程加快，大气气溶胶污染日趋严重，由气溶胶造成的能见度恶化事件越来越多，这些人类活动排放的污染物，包括直接排放的气溶胶和气态污染物通过化学转化与光化学转化形成的细粒子二次气溶胶，可形成灰霾（特指人类活动源排放的大气污染物诱发的低能见度事件），致使能见度下降。我国东部地区灰霾天气迅速增加，灰霾天气的本质是细粒子气溶胶污染，与光化学烟雾相关联，形成灰霾天气的气溶胶组成非常复杂。近年来由于灰霾天气日趋严重引发的环境效应问题和气溶胶辐射强迫引发的气候效应问题，广泛地引起科学界、政府部门和社会公众的关注，而成为热门话题。

近年，在不利气象条件下，区域性灰霾天气在我国频繁出现。灰霾天气与我国车用燃油中硫的含量远远高于欧美发达国家直接相关。根据统计数据分析，目前我国新生产机动车排放水平落后欧美发达国家8年以上，轿车排放氢氧化物是美国的3．5倍，氮氧化物是美国的2．5倍，农用车排放标准至少落后欧洲20年以上。

据有关调查显示，北京市的灰霾天气近几年呈现逐年上升的趋势。在北京市的道路两侧，交通微环境的污染物人均小时吸入量是北京市整体平均的污染物人均小时吸入量的5倍左右，这导致了呼吸道疾病发病率呈上升趋势。灰霾天气的出现，使空气能见度变差，影响海、陆、空交通运输，增加交通事故频次，还造成空气质量下降，诱发鼻炎、支气管等多种呼吸道疾病，危害人体健康［3］。

3 影响灰霾天气产生的因素及其分析

空气中能见度的变化有一定的延续性，灰霾发生的前后两天的能见度相差较小。气压对灰霾天气产生的影响较大。升温的现象越明显，灰霾越严重。且逆温现象的出现对灰霾天气的产生有一定的影响。总体上灰霾当天的相对湿度均值要低于灰霾发生前一天相对湿度均值，这种趋势越明显，灰霾等级越轻。风速和云量在灰霾当天和灰霾前一日的变化不大，随着风速逐渐变小，云量逐渐加大，灰霾等级逐渐加深。

灰霾期间，随着灰霾等级的加大，PM10、SO2和NO2浓度呈上升趋势，O3浓度表现出下降的趋势。灰霾前一日的浓度小于灰霾当天PM10的浓度，两者浓度的差异随着灰霾严重等级的增加而逐渐加大。灰霾发生后一天，大气污染水平加重的可能性较大。灰霾天气出现后，有较强的连续性，越是严重的灰霾天气，影响的范围越大，时间越长。因此，应该重视灰霾发生的3～5d。

气象地形特征，污染源排放类型和地理分布，季节差异都会对灰霾的发生产生一定的影响，要准确预测城市主城灰霾的发生，存在困难。初步统计分析，得出重庆主城灰霾发生的PM10参照基准浓度为0．094mg／m3。当第1天能见度在5km以上，第2天较前一日气温升高、气压下降、相对湿度下降、云量有所减弱时，会比较容易发生灰霾天气。

4 灰霾的监测

专门的灰霾监测系统包含气溶胶监测仪、水份监测仪、VOCS监测仪，能见度监测仪、UV辐射计等，如需满足预警预报，还应配备大气稳定度监测仪，系统可实现PM10、PM2．5、黑碳、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、臭氧、大气的稳定度及气象参数（包括风速、风向、温度、湿度、大气压、降水、能见度、太阳辐射）等指标的监测，能够很好的监测造成灰霾天气的主要物质成分。灰霾监测将是对常规大气监测的有效补充，对于提高预防灰霾天气，使得人们提前做好灰霾天气防护措施，以及为灰霾污染的治理提供良好的依据都起着至关重要的作用。

随着人们对灰霾危害认识的加深，以及国家对灰霾治理的重视，目前已经有部分城市建立了自己的灰霾监测站，并开设了灰霾治理课题，这些灰霾监测站点所提供的数据，可以为预防和治理灰霾天气提供依据，同时也可以为气象预测服务。

4．1 标准型灰霾监测站

对灰霾监测所必须的参量实施测量。主要监测参数包括：气象参数、能见度、氮氧化物、二氧化硫、臭氧、PM10、PM2．5、PM1、消光系数、浑浊度、黑碳浓度、气溶胶光学厚度等。

4．2 扩展型灰霾监测站

在完成基本灰霾监测后，为了开展更多的科学实验和收集更多数据而增加其它与灰霾相关的参量。主要监测参数包括标准型灰霾监测站所有参量、挥发性有机化合物、NOx、颗粒物粒径分布、颗粒物化学成分、硫酸盐、OC／EC、硝酸盐、铵盐等。

据了解，灰霾监测站除配备了常规的环境空气污染物监测仪器外，还增加了能见度、浊度、有机碳、元素碳、气溶胶粒径、黑碳等灰霾监测专用仪器。监测站通过设在屋顶的探头收集空气，然后利用各种仪器重点对大气能见度、气溶胶特性、气溶胶质量浓度等开展连续监测，同时对臭氧等反应性气体进行监测，获得其浓度值和相应变化趋势。

灰霾监测站的建成弥有利于研究城市大气灰霾、细颗粒与超细颗粒、挥发性有机化合物（VOC）的来源、成因与转化机理；更好地分析潜在的环境风险，摸清污染来源，为构建区域性灰霾监测网络和预测预警系统奠定了基础。