雾霾形成机理研究进展

耿迎雪 胡金朝

(西昌学院土木与工程学院，四川 西昌 615013)

雾霾形成机理研究进展

耿迎雪 胡金朝

(西昌学院土木与工程学院，四川 西昌 615013)

针对近年来我国雾霾频发的现象，本文选取有代表性的雾霾研究文献，从雾霾的定义、危害、成分及形成机理几个方面进行了综述。以期为雾霾的治理提供一些基础理论知识及政策建议。

雾霾；雾霾危害；气溶胶；气象条件；形成机理

近年来，大气颗粒物污染日趋严重，严重影响着人类的正常生活及工作。2013年1月在京津冀及周边地区发生了一场历史罕见、长周期的大气重污染。近段时间全国许多城市(特别是发展较快的大都市)雾霾天气频繁，2017年1月初，华北地区出现了严重的持续性重度大气污染事件。环保部发布的2017年1月份全国空气质量显示：京津冀区域13个城市PM2.5浓度同比上升43.8%。由于超细大气颗粒物严重影响着人的呼吸系统及年轻人群肺功能的发育[1-2]，PM2.5及纳米颗粒物能够进入到呼吸系统的腔区，引起炎性应答[3]。雾霾的成因、发展趋势、环境影响与应对的研究势在必行。

从2013年1月1日起，环保部在74个城市开展了全指标空气质量监测，到2014年1月1日，全指标空气质量监测城市数增大到161个。2016年12月6 日，环境保护部部长陈吉宁主持会议，研究部署应急应对工作，建立了京津冀及周边地区重污染天气应急联动长效机制。全国人大代表、中国中医科学院院长张伯礼等3名代表向十二届全国人大五次会议提交了《关于制定发布<雾霾白皮书>的建议》。《建议》认为，白皮书内容应该包括雾霾成因研究、雾霾对人身健康的影响、防控措施等三部分内容。中国科学院院士、中科院地球环境研究所所长周卫健代表，建议集中多学科科学家攻克“我国北方雾霾的成因、发展趋势、环境影响与应对”研究项目。作为大气的主要污染物质，雾霾受到的关注度越来越高。

1 雾霾的定义

雾是指大气中因悬浮的水汽凝结、能见度低于1公里时的天气现象，雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，多出现于秋冬季节，是近地面层空气中水汽凝结(或凝华)的产物。霾，也称灰霾，指空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等大量极细微的干尘粒子均匀的浮游在空中，使空气浑浊的现象。通常能见度小于10km，相对湿度小于90%时为霾[4]。雾霾根据存在状态不同主要分为两大类，第一类是大范围、短时间的大雾霾，第二类是局地性、常态化的城市灰霾。这两类雾霾的机理有比较大的区别，第一类雾霾可视为一种自然灾害，而第二类雾霾是人为污染为主要原因造成的，也是治理的重点5]。

2 雾霾的成分

我国北方的雾霾事件分布面积大、季节性鲜明，和伦敦、洛杉矶历史上的雾霾事件都不一样。雾霾成分非常复杂，是“复合型”的，包括数百种大气化学颗粒物质。其核心物质是由空气中悬浮的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物(如多环芳烃)等粒子组成的。一般而言，粒径2.5微米至10微米的粗颗粒物主要来自道路扬尘等；2.5微米以下的细颗粒物(PM2.5)则主要来自化石燃料的燃烧(如机动车尾气、燃煤)、挥发性有机物(如多环芳烃)等。

3 雾霾的形成机理

严重的雾霾污染是人为空气污染物排放、异常气象因素和地形等共同作用的结果。空气污染物的产生主要来源于汽车尾气的排放、煤炭燃料的燃烧、工业企业的排放以及沙尘叠加等多种因素[6]。与大气有密切关系的气象条件主要有风、逆温、气压、气温等，这些气象因素都影响和制约着大气污染物浓度及其时空分布情况。

雾霾的形成受地域的影响。在地方性霾的研究方面，吴兑[1]等分析了珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降的相关问题，唐宜西、朱佳雷、刘玉兰等分别对北京、江苏、银川等地区霾的天气特征及相应的气候特征、气象要素特征进行了分析[7]。目前的研究主要集中在京津冀、中东部及珠三角地区[8-9]，主要涉及雾霾的来源、气候特征、颗粒物浓度、化学组分等特性研究，同时对雾霾过程中气溶胶光学特征的研究也在不断深入。

霾的形成与气溶胶有直接关系。孙冉[10]等认为霾的污染就是气溶胶污染。雾霾发生期间会出现明显的气溶胶层，且大气中普遍存在厚度约为2-3km 的气溶胶层，大气边界层明显。随着近地面相对湿度的增加(RH=91%)，气溶胶污染厚度有明显增长。孙燕[11]等通过研究2013年12月上旬江苏大范围持续性雾霾成因发现，大量气溶胶粒子是造成江苏此次大范围持续性霾天气的主要原因，同时也为雾形成提供了丰富的凝结核，当空气中的湿度变化时，发生雾霾转换，也极易出现强浓雾。

一次气溶胶粒子通常粒径大、质量浓度高，但对霾的贡献有限，受排放强度的控制，主要影响雾霾产生的是二次气溶胶[12-13]。张小曳[14]等发现，PM质量浓度中有超过50%为二次气溶胶，而且二次气溶胶的形成和PM 的浓度变化受天气条件影响很大。在形成方式上，二次气溶胶主要有三种方式：一是直接由气体形成气溶胶粒子，二是新粒子通过碰撞、聚集，形成更大的粒子；三是通过凝结等方式形成粒径更大的粒子。水溶性的无机物离子如铵根、硫酸根、硝酸根离子在雾霾形成中影响最大，这些离子的形成主要在于高湿度下二氧化硫、氮氧化物和氨气经过多阶段反应的快速转化[15]。二次气溶胶形成过程中，金属离子是氧化过程的催化器，二氧化氮在二氧化硫转化成硫酸盐的过程中也扮演着催化剂的作用[16]。

一定的气象条件，是雾霾形成的必备因素。一般情况下，小风、高温、逆温等稳定的气象条件易导致雾霾天气的发生。逆温层即上暖下冷的逆温现象，使得大气层低空的空气垂直运动受到限制，各种气溶胶污染物逐渐堆积；大气相对湿度是二次气溶胶形成的重要影响因素；而高温可导致各种污染物的协同作用[17]。孙冉[10]等通过研究上海一次典型雾霾过程中不同污染阶段气溶胶的光学特性，发现相对湿度对能见度的影响最大，温度次之，再次是风速，而PM2.5对能见度的影响最小。这与张小红[18]等、姚青[19]等认为能见度受细颗粒物浓度影响较大存在差异，可能是因为相对湿度的增加导致大气中的大量水蒸气凝结，产生雾滴，增加了光的吸收和散射作用，进而对能见度造成更为显著的影响[20]。

2012年11月下旬以来，影响我国的冷空气活动频繁，全国平均气温为近28年同期最低，呈现出平均气温明显偏低。由于低温导致燃煤采暖排放量相应增加，加重了大气污染。冷空气过后气温上升，易形成逆温现象，使大气层低空的空气垂直运动受到限制，导致污染物难以向高空飘散而被阻滞在低空和近地面。而2013年1月，冷空气影响偏弱、风速小，造成污染物在近地面层集聚，这就是到2013年以来雾霾频频出现的原因。

霾机理的研究相对较复杂的是从大气物理角度说明雾霾的形成过程。赵桂香，杜莉，卫丽萍等对山西省天气实况资料分析计算物理量，从环流形势、形成条件和维持机制方面分析持续性雾霾天气的原因[21]。韩志伟课题组致力研究大气污染预测理论和模式，构建的RAQMS(三维欧拉)模型很好地模拟了污染物、能见度及气溶胶的变化情况[22]。另外有其他学者利用激光雷达、数值模拟等不同方法对地区性霾发生时的气溶胶环境、大尺度环流形势和近地层输送条件等进行了深入研究[23-26]。

4 结 论

目前，关于雾霾的研究大多集中在雾霾的来源、气候特征、颗粒物浓度、化学组分等特性进行调查分析，得到的结论如下：

(1)关于雾、霾研究主要集中在雾、霾的气候特征、成分、形成机理以及微物理属性等方面。但是关于雾霾的形成的机理并没有一个成熟的理论及统一的认识。

(2)雾霾的影响因素，大多数的专家学者认为霾的形成与气溶胶有直接关系，霾的污染就是气溶胶污染。一定的气象条件，是雾霾形成的必备因素。一般情况下，小风、高温、逆温等稳定的气象条件易导致雾霾天气的发生。

(3)雾霾的形成受地域的影响，目前研究主要集中在京津冀、中东部及珠三角地区。各地雾霾成因不一样，因此治理不能千篇一律。

影响雾霾形成的因素有很多，包括气溶胶、湿度、温度、扩散作用等。在绝大多数情况下，各种因素是并存的。因此，只研究单个参数的影响无法真正了解雾霾形成机理，我们需要在更深层次上探索实验和理论问题。

[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]吴兑，毕雪岩，邓雪娇，等.珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降问题研究[J].气象学报，2006，64(4)：510-517.

[5]夏光.新霾说[J].环境与可持续发展，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]刘丽伟，李文才，尚可政，等.京津冀地区一次严重霾天气及其气象成因研究[J].中国科技论文在线.

[8]杨欣，陈义珍，刘厚风，等.北京2013 年1 月连续强霾过程的污染特征及成因分析[J].中国环境科学，2014，34(2)：282-288.

[9]王静，牛生杰，许丹，等.南京一次典型雾霾天气气溶胶光学特性[J].中国环境科学，2013，33(2)：201-208.

[10]孙冉，马骁骏，陈勇航，等.上海一次典型雾霾过程中不同污染阶段气溶胶光学特性及成因分析[J].环 境 科 学 学 报，2016，2(65)：1-14.

[11]孙燕，严文莲，谢真珍.2013年12月上旬江苏大范围持续性雾霾成因分析[J].环境科学与技术，2016，39(1)：147-152.

[12]魏嘉，吕阳，付柏淋.我国雾霾成因及防控策略研究[J].环境保护科学，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]张小曳，孙俊英，王亚强，等.我国雾霾成因及其治理的思考[J].科学通报，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.雾霾文献综述与经济分析[J].金融经济，2015(14)：68-71.

[17]李晓颖，姬丽芬，李宁.大气中PM 来源、危害及防治对策[C].中国环境科学学会学术年会论文集，2013，4378-4380.

[18]张小红，刘炼烨，陈喜红.长沙地区雾霾特征及影响因子分析[J].环境工程学报，2014，8(8)：3361-3366.

[19]姚青，蔡子颖，韩素芹，等.天津冬季相对湿度对气溶胶浓度谱分布和大气能见度的影响[C].全国优秀青年气象科技工作者学术研讨会，2014，596-603.

[20]张涛，陶俊，王伯光，等.2008 年1 月广州颗粒物数浓度污染特征[J].中国环境监测，2009，25(2)：31-34.

[21]赵桂香，杜莉，卫丽萍，贺耀武，等.一次持续性区域雾霾天气的综合分析[J].干旱区研究，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]潘鹄，耿福海，陈勇航，等.利用微脉冲激光雷达分析上海地区一次灰霾过程[J].环境科学学报，2010，30(11)：2164-2173.

[24]高岑，王体健，吴建军，等.2009年秋季南京地区一次持续性灰霾天气过程研究[J].气象科学，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

项目资助：四川省环境保护厅课(2011BH005)；西昌学院博士生资助课题(13BQZ07)

耿迎雪，硕士，助教，研究方向为超细矿物颗粒与人体健康

胡金朝，博士，教授，主要研究环境污染监测与修复

文献格式：耿迎雪 等.雾霾形成机理研究进展[J].环境与可持续发展，2017，42(4)：65-67.

X513

A

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