中国雾霾成因及治理对策

路 娜，周静博，李治国，王耀涛，靳 伟

（石家庄市环境监测中心，河北石家庄 050022）

有别于雾，霾是一种灾害性天气现象，是大量极细微的干尘粒等均匀地漂游在空中，导致空气透明度下降，水平能见度小于10km，空气普遍混浊的天气现象［1］。颗粒物的大量存在是霾形成的起因，这些颗粒物的特性和来源是影响霾天气的主要因素。

近几年，中国国内多地由于多种因素促成空气质量加速恶化，导致雾霾天气频发，对社会正常秩序和公众身体健康造成严重影响。京津冀、珠三角、长三角、关中地区等城市经济带空气质量恶化情况尤为显著，其中最典型且影响最大的地区为京津冀区域。经济的快速发展是大气雾霾天气的直接诱因。城市不断向高空发展，地表粗糙度增加，城市冠层抬升，热岛效应显著，局地环流增强，空气扩散能力减弱。大气边界层结构日趋复杂，污染物跨界输送、相互污染越来越严重。因此，如何协调区域经济合理快速发展与大气环境质量改善之间的关系，已成为各方关注的焦点，开展大气雾霾污染形成机制及调控原理研究具有重要的科学意义和迫切的现实需求。

本文就近几年研究的热点问题——大气雾霾污染形成机制的研究现状进行了综述，分析了颗粒物的成分、污染物的来源、气象条件以及特殊时期的污染特征，并提出了一些治理建议，为深入了解雾霾成因，科学地解决大气污染提供支撑。

1 气溶胶颗粒物是霾天气污染的主因

随着人类活动的加剧，大气气溶胶污染日趋严重。尤其在中国近二三十年，大城市每年雾霾天数平均超过100天，个别城市甚至超过200天，此外雾霾天气的污染强度也越来越大，能见度可以恶劣到1～2km［2］。经过分析气溶胶与能见度数据关系后得出，人为排放的气溶胶颗粒物是导致近年中国中东部地区雾霾天气频发的主因［3］。

以下通过对气溶胶颗粒物的粒径分布、成分组成及其来源分析，分别阐述了各组成成分对雾霾污染形成的影响。

1.1 粒径分布

颗粒物粒径越小，在大气中停留时间越长，传输距离越远，去除机制越复杂，反之亦然。颗粒物的粒径大小受来源和化学成分等因素影响［4］。

刘庆阳等［5］和常清等［6］对北京冬季重污染过程颗粒物及其化学组分的粒径分布特征研究都表明：重污染主要由细颗粒物污染引起。白鹤鸣［7］在京津冀地区空气污染时空分布研究中表明：京津冀地区3个典型城市在2001年至2010年期间，占主导的首要污染物都为可吸入颗粒物。张妍芬等［8］研究得出2013年石家庄市首要空气污染物为可吸入颗粒物和细颗粒物。

1.2 成分组成

一般来说，大气颗粒物主要成分是水溶性无机盐、不可溶矿物质和含碳物质等。这里的水溶性无机盐是指，，等酸性离子和Ca2＋，Na＋，K＋等金属离子；不可溶矿物质则是指含硅、铝和铁等元素的地壳物质；含碳物质包括无机碳（EC）和有机碳（OC）［4］。

1.2.1 水溶性无机盐是主要来源

常清等［6］对北京冬季雾霾天气下颗粒物及其化学组分进行分析，结果显示，气溶胶颗粒物中，，Cl-和Ca2＋是最主要的水溶性离子。随着大气污染加重，此类水溶性离子质量浓度也明显升高。特别是6级污染时占水溶性离子总质量的比例增加至2级良时的2倍。类似地，高怡等［9］的研究得出，大气中硝酸盐浓度上升对重度雾霾形成的贡献巨大。在水溶性无机盐的形成问题上，常清等经过研究认为，主要是燃煤排放的SO2在高湿、稳定的气象条件下，通过气粒转化及非降水的云滴或者雾滴反应不断累积生成的。主要来自于机动车尾气排放物NOx的二次转化。王跃思等［10］对2013年1月中国中东部地区强雾霾污染成因分析得出，煤、石油类燃料燃烧排放的NOx可加速气态SO2向颗粒态转化。

1.2.2 含碳化合物对大气能见度影响大

含碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分。含碳化合物中的EC具有强烈的吸光性，可造成大气能见度的降低；含碳化合物中的OC，一方面可充当大气化学反应氧化剂，另一方面也可发挥物理散射作用［4］。灰霾期间OC和EC浓度水平普遍升高。唐傲寒等［4］分析认为，大气颗粒物中的EC主要来自于采暖或交通源的直接排放。李新妹等［11］认为，大气中的OC可能有2个来源：一是来自于机动车或煤燃烧直接排放；二是来自多环芳烃、有机酸等挥发性有机物在大气中的二次转化。此外，由秸秆焚烧产生的黑碳气溶胶也是灰霾的重要组成部分。监测结果表明，北京和天津区域大气中的细颗粒物浓度会随着华北平原麦秸焚烧现象出现而迅速升高，大气中的氮氧化物和碳氢化合物浓度亦会相应升高［12-14］。

1.2.3 金属元素加速二次气溶胶的形成

铅、锌、铜等有毒有害的重金属元素也时常存在于大气颗粒物中，并产生潜在的气候效应。这些重金属元素对大气和生态环境的影响周期相对更长，对人体健康也可产生致癌作用［15］。焦荔等［16］研究分析得出，铅元素在杭州PM10样品中化学元素含量的比例较高，由此引发的污染和危害不容忽视。另外，铜、锰等元素可在颗粒物表面部分液相和光化学反应中发挥催化作用，使大气污染程度进一步加剧。张小曳等［17］研究表明，富含金属元素的气溶胶颗粒会因其非均相反应形成酸性界面，进而活跃表面的化学反应，形成更多二次有机气溶胶。气溶胶颗粒的金属元素一方面可来自大自然中的沙尘和火山灰，另一方面可来自化石燃料燃烧及其他工业行为排放物。其中，大气中Cu，Zn，Cd，Pb等元素含量受燃煤排放情况影响［18］。当类似工业区居于城市上风向时，大气气溶胶中As，Mn，Pb的浓度明显升高［19］。交通运输也是城市气溶胶污染的重要来源，气溶胶颗粒物中Cu，Zn，Fe，Cr，Sb和Ba等元素都受到道路交通释放的影响［19］。

1.2.4 铵盐是促成PM2.5形成的催化剂［20］

重污染天气中，因氨气与空气中氧化物结合形成的铵盐的质量总和约占PM2.5中二次颗粒的50%甚至更高，越严重的污染天气，比例越高。分析认为，氨气可以说是促成PM2.5形成的“催化剂”。作为大气中唯一的碱性气体，氨气在于与二氧化硫、氮氧化物等酸性物质反应生成的铵盐，就形成了雾霾中的硫酸铵和硝酸铵。一般情况下两者的质量浓度总和占PM2.5的10%～20%，但在重污染天气里则剧升至40%～50%。此外，季节对二次颗粒物中铵盐的浓度也有影响。大气中氨气排放的来源将近90%来自农业生产，非农业源不到10%，而在农业源中，畜牧业约占60%，农田占30%～40%。除农业氨气排放外，工业和汽车尾气的氨排放总量不大。

2 多种气象因素诱发助推雾霾天气形成

气象条件和大气边界层结构变化虽然只是雾霾污染形成的外因，但在排放源相对稳定的情况下，外因往往是决定性因素。多方研究结果表明，各种不利气象因素对大气污染的诱发助推作用不可小觑。其中低风速、高湿度、大气纬向环流、大气边界层和逆温层等气象现象的出现都可能导致雾霾天气的发生或加重。

2.1 静稳天气诱发雾霾天气形成

赵晨曦等［21］分析测量数据后得出，北京冬季PM2.5和PM10的质量浓度与风速负相关，并且和风速的相关程度较高。郎凤玲等［22］研究北京大气颗粒物数浓度粒径分布特征及与气象条件的相关性得出，风速对颗粒物数浓度分布影响最为显著，核模态与风速呈显著正相关，其他模态及总颗粒物数浓度均与之呈负相关。狄一安等［23］研究表明移动缓慢的气团在经过污染排放较重的城市区域时易导致当地大气中离子浓度二次升高和污染物累积。高健等［24］在对北京2011年10月典型灰雾霾天气进行研究分析后总结认为，北京地区长时间的静稳天气使得各地排放的污染物不能得到有效扩散，在局部区域内形成污染物堆积效应，进而导致高浓度大气污染，引发严重雾霾天气。研究人员采用不同方法对近年各地区持续强雾霾天气的研究结果也与上述结论相印证［9，25-27］。

2.2 逆温层存在导致污染物迅速积累

王自发等［25］利用不同研究方法对2013年1月中国中东部的持续强雾霾天气进行的研究中证明，大气中存在明显的逆温层，逆温层厚度大（0.5～1km），强度强（逆温温差5～10℃）。这使得近地面南向风和东向风将水汽输送到华北地区，上层大气的西北风将沙尘输送到华北地区，有助于气溶胶的吸湿增长和浓度的聚集。

2.3 大气纬向环流、边界层结构、气候变化导致雾霾加剧

北半球大气纬向环流和气候变化致使大气污染物向中纬度区域聚拢，使位于这一区域的广大地区极易遭受大气污染之害。尤其华北地区高空以纬向环流为主，低层受暖平流影响，且地面受不利于污染物扩散的低压场或弱气压场控制，极易导致污染物的积累。此外，杨欣等［27］研究了北京市2013年1月连续雾霾天气也得出：大气边界层在91%的时段低于500m，平均仅为293m，较低的边界层严重抑制了污染物的有效扩散。

2.4 高湿状态促使大气颗粒污染物浓度增高

众多学者研究表明，污染物浓度与相对湿度呈正相关关系，湿度越大，污染物浓度越高，但这些颗粒粒径一般大于0.1μm。京津冀山前平原区域的大气相对湿度逐步增加并保持高湿状态，同时受到风向转向影响，由此形成的厚重逆温层和较低的混合层高度将污染物紧紧压迫在近地层，污染物不易扩散［28］。赵晨曦等［21］研究北京冬季 PM2.5和 PM10的质量浓度与相对湿度正相关，并且相关程度较高。郎凤玲等［22］研究北京大气颗粒物数浓度粒径分布特征及与气象条件的相关性得出湿度对不同粒径段颗粒物数浓度影响不同，爱根核模（颗粒直径小于0.1μm）浓度与湿度成反比，而积聚态（0.1μm＜颗粒直径＜2μm）和粗粒模（颗粒直径＞2μm）浓度与湿度成正比。

2.5 气压与大气中颗粒物浓度成负相关

朱倩茹等［29］分析得出，至少在广州区域，PM2.5指数与气压呈负相关关系，相关系数夏季为-0.005，非夏季为-0.14。同样的，徐敬等［30］通过研究北京地区PM2.5指数与气压的关系得出，在非夏季时段，两者也为负相关，相关系数为-0.41～-0.35，但在夏季时段两者呈正相关，相关系数为0.10。徐敬探寻原因认为，北京地区PM2.5指数在夏季与气压呈正相关关系主要是因为当地副热带高压活动较为活跃，易导致高温、闷热、风速小、相对湿度大的“桑拿天”现象，这种气象条件常常会导致PM2.5浓度持续累积［31］。

2.6 温度可提高大气中颗粒物浓度

赵晨曦等［21］研究发现，北京冬季PM2.5和PM10的质量浓度与气温正相关，但与温度的相关程度较低。

3 特殊时期的雾霾成因分析

3.1 采暖期

熊秋林等［32］研究了2007年至2012年北京城区采暖期颗粒物统计数据后得出，由燃煤取暖产生的PM0.3是造成同期细颗粒物数浓度升高的主要粒子。另外，采暖期北京地区细颗粒物污染区域分布情况与非采暖期有很大差异，采暖期，细颗粒物污染主要分布在朝阳区的东部和东南部，以及市中心及其周边区域；而在非采暖期间，丰台区和朝阳区细颗粒物污染最严重，市中心次之，而海淀区和石景山区污染相对较轻。

3.2 沙尘和大雾天气的影响

白鹤鸣［7］在京津冀地区空气污染时空分布研究中用观测数据和数值模拟方法，对京津冀地区的空气污染时空分布特征进行分析表明，沙尘和大雾天气对京津冀地区空气质量均存在不利影响，沙尘天气对该地区空气污染影响尤为严重。沙尘和大雾天气均对北京影响最为严重，石家庄次之，对天津影响最轻。刘庆阳等［33］对2012年春季京津冀地区的一次沙尘暴天气过程中的颗粒物污染进行分析表明，沙尘暴天气期间外来的土壤源输入明显，给城市气溶胶带来大量的地壳元素，并且沙尘暴气团携带的地壳元素增加了二次离子的转化。

3.3 季节性变化对雾霾成因的影响

经研究分析，不同季节的雾霾成因不尽相同，可见季节交替也会对雾霾形成产生一定影响。例如，北方冬季的取暖活动、大气边界层结构和混合层高度等因素是导致雾霾形成的重要因素。夏季高温、高辐射气候遇到高湿天气时会加剧大气光化学反应和污染物的吸湿性增长。秋季除强辐射和高温度可加速大气光化学反应外，早晚低温高湿的气候环境也容易导致污染物堆积。春季特有的局地扬尘、城市酸性气体等因素也有助于雾霾的形成。

4 区域传输、地理位置的特殊性产生的影响

4．1 区域输送对PM2．5影响严重

王自发等［25］利用自主研制的嵌套网格空气质量数值预报模式（NAQPMS）模拟研究2013年1月中国中东部的持续强雾霾天气，区域输送对PM2.5影响严重，来自京津冀区域外跨城市群输送和域内输送对污染天气的贡献之和与局地污染源贡献相当。白鹤鸣［7］综合利用观测数据和数值模拟方法，对京津冀地区的空气污染时空分布特征进行分析后也得出类似结论。

4.2 特殊地理位置导致污染物和水汽聚集

以京津冀地区为例，周边太行山、燕山和军都山形成的“弓状山脉”对冷空气活动起到阻挡和削弱作用，导致山前区域形成气流停滞区，由此引发的污染物和水汽聚集形成一条西南—东北走向的高污染带，极易导致霾和雾。不仅如此，山西区域的污染物也很容易在低空偏南气流输送下沿桑干河河谷和洋河河谷以及滹沱河—拒马河河谷向北京方向输送。

5 防治与建议

当前，中国大气污染形势严峻，加强以PM10，PM2.5为主要污染物的区域性大气环境的治理已经到了刻不容缓的地步。大气污染防治工程是一项复杂的系统工程，对此提出以下建议措施。

5.1 严控污染物排放

1）加强工业大气污染综合治理。首先，在化工、造纸、印染等产业集聚区，逐步淘汰分散燃煤锅炉，推进脱硫、脱硝、除尘改造工程。其次，加快煤改电等清洁能源工程建设。再次，加大工业挥发性有机物排放整治力度。

2）加大面源污染治理力度。多部门联动整治路面扬尘，加强对施工工地的控尘监管，积极引导施工单位人员进行绿色施工。在绿化植树方面，加快城区及周边绿化和防风防沙林建设。另外，城区也应开展餐饮油烟污染治理。

3）着力减少移动源污染。合理优化城市布局规划，创新城市交通管理方式。通过宣传引导绿色出行、增加汽车使用成本等方式切实降低机动车使用强度。同时加快淘汰排放不达标车辆并大力推广新能源汽车。

4）农业区应减少生物质的无组织燃烧。建议多措并举，疏堵结合。在严禁秸秆无序焚烧的同时，配套建设生物质综合利用设施，引导民众将秸秆杂草等生物质变废为宝。

5.2 实施区域间联防联控

借鉴欧盟协同治理酸雨和美国南加州联防联控遏制光化学大气污染范例，建立区域大气污染联防机制，协调解决环境问题。建议成立京津冀大气污染联防联控委员会，协同展开大气污染防治。将目标任务进行分解，健全责任考核体系，实行责任追究制度。

5.3 建立多部门监测应急机制

环保部门加强与其他部门的联动合作和信息共享，全面深入构建重污染天气的监测应急机制，完善大气污染应急体系。根据不同污染等级相应地采取限产停产、限车限号以及切实有效的气象干预等应对措施。在监测体系建设方面，建议设立地基光学观测点，开展气溶胶光学厚度监测；布设水平和垂直能见度观测站，开展能见度观测；进行大气边界层探测，定时掌握逆温等边界层特征与雾霾天气关系；加强对太阳辐射监测。

5.4 加强全民环保宣传教育

面向大众开展大气污染防治宣传教育活动，提升社会公众环保意识。引导大众环保活动要从每一个人做起、从每一件事做起，在全社会树立起“同呼吸、共奋斗”的环保行为准则。

5.5 健全大气环境保护法制

建立完善的环境保护法制。《环境保护法》作为基本法不动摇。在《环境法》中制定治理污染的全国战略，细化大气相关的法律行政法规及规章。尽早制定出专门针对大气污染的《清洁空气法》。借鉴欧盟和英国政府制订国家空气质量战略，规定空气质量标准及相关问责办法。

5.6 推动环保类科技发展

开发新型材料和燃料减少污染源，同时要利用新科技来治理已经进入或者可能进入大气的污染。以机动车为例，可以通过提升燃油质量或开发新动力能源、改进发动机、改良尾气处理装置等手段减少污染物排放。

总而言之，大气污染防治既是一场繁杂严峻的攻坚战，更是一场艰苦卓绝的持久战。大气污染防治涉及面广，如能源的合理利用、城市的布局、生产工艺的改革、清洁生产工艺的实施等。大气污染防治深层次原因多，更与中国前期国家发展策略不无关系。应积极推动大气污染防治向全面、纵深发展。一方面要对整个大气环境系统进行科学全面分析，对各种能减轻大气环境污染方案的技术可行性、实施可能性等进行优化筛选和评价；另一方面更要审视中国经济社会发展战略，从宏观入手着力转方式调结构，并根据各区域实际情况，科学制定大气环境质量管控方案，标本兼治，常抓不懈地做好大气污染防治工作。

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