1、雾霾形成机理一、 雾霾的基本概念所谓灰霾天气,就是指由于空气中含有的氮氧化物、颗粒物的总量过大,导致空气能见度偏低,大气中出现浑浊。霾的本质则是“细粒子污染”,形成的主要原因则是工业废气,汽车尾气中的污染物质经过一系列化学反应,造成二次污染,散播到大气中的尘埃、硫酸颗粒、硝酸颗粒、有机碳氢化合物等粒子悬浮在空中,从而使大气变得混浊,造成人们视野模糊,能见度偏差,如果水平能见度小于 10000m 时,将这种粒子物组成的气溶胶系统造成的视觉障碍称为霾(haze)或灰霾。雾霾的具体种类包括 PM10 和 PM2.5，二者都对环境造成了很大的危害，具体危害如下：（一）PM10 对环境的影响大气颗粒物虽
2、然在地球大气成分中含量很少,但对环境的危害极大。轻者造成建筑物表面受到污染,影响市容,重者对能见度、温度等均产生重要影响。1.PM10 对能见度的影响20 世纪 70 年代以来，环保部门一直都关注着大气颗粒物对能见度的影响。尽管它在大气中只占很少的一部分，但颗粒物对城市大气光学性质的影响可达99%。研究表明，PM10 的性质与能见度的降低密切相关 。能见度的降低主要是由于气体分子与颗粒物对光的吸收和散射减弱了光信号，并由于散射作用减小了目标物与天空背景之间的对比度而造成的。1.1 对光的散射效应。能见度降低的最主要因素是光的散射，60%95%的能见度减弱都是颗粒物的散射造成的。 空气分子对光的
3、散射作用很小，其最大的视距（极限能见度）为 100300km（具体数值与光的波长有关） 。 但是由于大气中颗粒物的存在，造成的能见度一般远远低于这一数值：在极干净的大气中的能见度才可以达到 30km 以上；在城市污染大气中能见度大约在 5km 左右甚至更低；甚至在浓雾中能见度只有几米。在大气气溶胶中，最主要是粒径为 0.1m1.0m 的颗粒物通过光的散射而降低物体与背景之间的对比度，从而降低能见度。1.2 对光的吸收效应能见度降低的第二大因是 PM10 对光的吸收效应，PM10 对光的吸收几乎全部都是由炭黑（也称元素碳）和含有炭黑的颗粒引起的。每年，世界上排放的炭黑仅占全部颗粒物排放量的 0.
4、2%1.0%。但是，它们的消光效应是不可忽视的，因为煤烟的总消光系数是透明颗粒的 23 倍，所以大气中含有少量的煤烟颗粒就可以导致光强降低很多。这些光吸收颗粒物甚至会使某些地方的能见度降低一半以上，严重者还可形成烟雾而使城市呈褐色。1.3 PM10 对温度的影响大量颗粒物的存在直接阻挡太阳光抵达地球表面，造成可见光的光学厚度增大，抵达地面的太阳能通量剧烈下降，从而使地面温度降低，高空的温度增高。特别是直径在 0.1 0.5m 的颗粒，通过散射与吸收太阳与地球辐射在大气能量平衡中起着重要作用。大量资料表明，当 PM10 浓度达到 100g/m 时，到达地球表面的紫外线就会减少 7.5%；当 PM
5、10 为 600g/m 时，到达地面的紫外线就会减少 42.7%；当 PM10 为 1000g/m 时，到达地面的紫外线减少60%。Rasool 等估计，全球本底不透明度至少会增加四倍，这样就会使全球温度降低 3.5 摄氏度之多，这么大的降温幅度如维持若干年，相信足以引起一个冰河期。（二）PM2.5 对环境的影响 2.1 PM2.5 的来源PM2.5 主要包括有机碳、碳黑、粉尘、硫酸铵(亚硫酸铵)、硝酸铵等五类的化学成分。有机碳、碳黑和粉尘等原生颗粒物被称为一次颗粒物。亚硫酸铵、硝酸铵等，是由人类活动排放或自然产生的二氧化硫和二氧化氮等，在大气中经过光化学反应形成的二次污染物，所以被称为二次颗
6、粒物。一次颗粒物中的碳黑粒子主要来源于汽车尾气排放、锅炉燃烧、秸秆焚烧和居民柴草燃烧等途径，粉尘主要来自道路交通、建筑工地和工农业生产过程的扬尘。在一次颗粒物的各个来源中,PM2.5 所占的比例相差较大,道路扬尘与建筑扬尘以粗颗粒为主,由燃料燃烧产生的颗粒物，则以细颗粒 PM2.5 为主。硫酸铵主要来源于燃烧高硫煤的锅炉，酸铵主要来源于锅炉与燃油机动车,氨（NH3）主要来源于化肥生产、动物粪便、焦炭生产、冷冻车间和控制 NOX的锅炉(NH3 作为降解剂)。大气相对湿度对二次粒子的生成起着不可忽视的作用，不仅是决定二次粒子的生成和低空的累积的重要条件,而且是决定二次粒子粒径增大与散射率变化的首要
7、条件。2.2 大气能见度的影响众所周知，PM2.5 是导致灰霾天气形成的罪魁祸首。进入大气中的灰霾，导致大气能见的降低，对地面交通安全和飞机的起飞、降落，都构成巨大威胁。广义上的能见度，包括气象观测中的大气能见度，夜间识别远处灯光信号的灯光能见度，以及卫星测量技术中的从空中观测地面目标的能见度等。狭义的大气能见度，通常指标准视力的人，在当时的天气条件下，在水平方向上，能够从天空背景中将黑色目标物体（大小适度）区别出来的最大距离。起初，人们把能见度为 10 个等级，分别用数字 0-9 表示。例如，在有雾的天气状况下，能见度为 2 级，表示能见距离为 0.2-0.5 公里。能见度与气象条件和大气污
8、染程度密切相关。在理论上，干结空气的能见度，可以达到 300 公里。污染空气中能见度，只有 10 公里，甚至更低。大气能见度的降低，主要是由于颗粒物对光的吸收和散射造成的 。可 见 光 辐 射 的 波 长 为 0.40-0.76 微米，其中最大强度在 0.52 微米左右。因此，粒径为 0.1-1.0 微米的固体或液体粒子，对于能见度的影响最大。大气中的硫酸盐粒子的粒径大多都在 0.2-0.9 微米之间。因此，它们对大气能见度的影响特别显著。在颗粒物粒子中，粒径小于 2.5 微米粒子的消光作用远大于粒径在 2.5微米以上的粒子。在小于 2.5 微米的粒 子 中，对于可见光 (波长在 0.40-0
9、.76 微米范围内) 来说，PM2.5 的消光作用最强。所以 PM2.5 是能见度的降低的最主要因素。为 PM 的化学成分、矿物组成已基本查清 (硝酸盐和硫酸盐等污染物质，见搜狐网 2013 年1 月 13 日新闻)。寒冷季节，气温降低，空气凝聚，污染物不易扩散。为雾霾污染形成提供了必要的气象条件。这样的气象条件，污染物的凝聚，主要以物理过程为主，化学作用处于次要地位。雾霾天气的形成，既不是偶然的，也不是突发的。它是由我国各种污染气体、污染颗粒物的长期积淀和叠加而成，积重难返，一旦气候条件因素形成就会暴发。有的城市和地区的雾霾形成有地形、地势、地貌的原因，如不利于污染物的扩散等；有的是气候原因
10、，如湿度大、气压低、流速慢等，使污染物滞留。但究其根本，还是新老污染物叠加。污染物长期累积加上气候因素，便形成了积淀型暴发污染，并呈现结构型、复合型和压缩型的特点雾和霾原本是自然界两种天气现象。根据气象学上的定义，霾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 公里的空气普遍混浊现象，这里的干尘粒即指的是干气溶胶粒子。当空气中水汽较多时，某些吸水性强的干气溶胶粒子会吸水、长大，并最终活化成云雾的凝结核等，产生更多、更小的云雾滴，使能见度进一步降低，低于 1 公里时被定义为雾，而能见度在 110 公里时则被定义为轻雾。由于干气溶胶粒子和云雾滴都能影响能见度，所以，能见度低于 1
11、0 公里时，可能既有干气溶胶的影响（即霾的贡献） ，也可能有雾滴的影响（即雾的贡献）霾和雾在一天之中可以变换角色，甚至在同一区域内的不同地方，可能雾和霾也会有所侧重。一般情况下，当雾和霾同时存在时，老百姓看到的我国区域性能见度低于 10 公里的空气普遍浑浊现象就被称为“雾-霾”现象。我国近二三十年中东部区域霾问题的日益严重，主要是由人类活动排放的大气气溶胶的显著增加所致。在一定的气象条件下，又由于大量气溶胶粒子还可以活化成为云雾的凝结核，参与到云雾的形成过程中。 “这就意味着，当今不论是霾还是雾，其背后都有大量人类活动排放的大气气溶胶粒子（例如 PM2.5）的介入，都已经不是一种完全的自然现象
12、。 ”他补充道。如果想要积极应对雾-霾天气所带来的问题，必须对这种变化背后的大气气溶胶污染问题给予特别的重视雾和霾的形成与变化机理十分复杂雾和霾在现今成为社会与公众最为关注的热点问题之一，是因为雾和霾的形成与变化机理十分复杂。“雾和霾的形成与我国居高不下的气溶胶粒子浓度水平有直接的关系。 ”通过数据比较，中国气象科学研究院大气成分研究团队发现，我国气溶胶浓度水平在世界范围内较高，仅次于南亚城市，远高于欧洲、美洲的城市和城郊地区。我国北京的气溶胶（主要是矿物气溶胶）浓度与欧美城市所有气溶胶浓度相当。同时，今年 1 月份多次严重的雾和霾的发生，也与不利的气象条件有关。今年 1 月出现了近年来少有的
13、有利于形成雾和霾的气象条件，与前期最大的不同是中纬度地区环流经向梯度小，使得此期间北方冷空气强度变弱，南方暖湿气流相对较强，大气静稳且相对湿度较高。中国气象科学研究院研发的污染气象条件指数模型（Plam） ，可用来定量表征气象条件是否有利于雾和霾形成。结果发现，当基于风速、风向、相对湿度、大气凝结函数、大气稳定度等计算得出的 Plam 指数超过 80 时，易出现雾和霾天气。张小曳主持的 973 项目团队研究还发现，我国华北区域 70%的气溶胶以内混方式混合。我国的矿物气溶胶含量较高，与两到三种酸性气体反应后，在表面形成液膜，抑制了新粒子形成，但促使更多的硫酸盐和硝酸盐气溶胶转化，自身也更易吸湿
14、增长及参与云雾形成，在酸性界面也更容易形成二次有机气溶胶使我国雾和霾问题更为复杂。团队观测获得气溶胶吸湿增长的因子，还发现气溶胶混合使气溶胶虽然在低的相对湿度下就开始吸水却“长”不大，导致更多的气溶胶滞留在大气中，使霾更加严重。形成之后的雾和霾会使到达地面的辐射减少，大气层结稳定度增加，有利于气溶胶不断积聚和凝聚，还造成更多雾滴生成，形成“ 恶性循环” ，从而导致连续数天雾霾污染维持和不断加剧的现象。通过对 6 类 7 种气溶胶在全国 14 个观测站两年的观测发现，我国雾和霾中 35%是矿物粉尘，硫酸盐、有机碳各占 15%左右。对于此次雾霾形成的原因，有很多人认为与我市工业排放有关。对于这一说
15、法，黄宪亭说：“雾霾天气，受诸多因素影响，不只是与工业排污有关。从工业企业污染物排放量来看，与去年同期相比，我市工业企业污染物排放量比去年下降 10%左右。 ” 当空气容纳的水汽达到最大限度时，就出现饱和。如果水汽多于饱和量，多余的就会凝结出来，与空气中微小的灰尘颗粒结合，形成小水滴或冰晶，悬浮在近地面的空气层里，成为雾霾。气温愈低，空气中所能容纳的水汽也愈少，也越容易形成雾霾。2. 我国雾霾监测与数值预报模式系统研究研发雾霾监测技术并建立大气成分监测数据库，研究雾霾天气形成机理，研发能够业务运行的雾霾数值预报系统，研发雾霾对航空、公路交通、城市交通和船舶运输影响的预警技术。实现 0-72 小
16、时高分辨率、高准确率的雾霾分类分等级预报，给出雾霾的发生时间、持续时间、强度等级和分布区域。国拨经费控制额 2000 万，项目执行期 3-4 年。第一， 二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物这三项是雾霾主要组成，前两者为气态污染物，最后一项颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首。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。雾的存在会降低空气透明度，使能见度恶化，如果目标物的水平能见度降低到 1000 米以内，就将悬浮在近地面空气中的水汽凝结（或凝华）物的天气现象称为雾（Fog） ；而将目标物的水平能见度在 100010000
17、 米的这种现象称为轻雾或霭（Mist） 。形成雾时大气湿度应该是饱和的( 如有大量凝结核存在时，相对湿度不一定达到 100%就可能出现饱和 )。由于液态水或冰晶组成的雾散射的光与波长关系不大，因而雾看起来呈乳白色或青白色。霾是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子组成的。它也能使大气浑浊，视野模糊并导致能见度恶化，如果水平能见度小于 10000 米时，将这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾(Haze)或灰霾（Dust-haze ） ，香港天文台称烟霞(Haze)在于发生霾时相对湿度不大，而雾中的相对湿度是饱和的(如有大量凝结核存在时，相对湿度不一定达到 100%就可能出现
18、饱和 )。一般相对湿度小于 80%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾造成的，相对湿度大于 90%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是雾造成的，相对湿度介于 80-90%之间时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。霾的厚度比较厚，可达 13 公里左右。霾与雾、云不一样，与晴空区之间没有明显的边界，霾粒子的分布比较均匀，而且灰霾粒子的尺度比较小，从 0.001 微米到 10 微米，平均直径大约在 12 微米左右，肉眼看不到空中飘浮的颗粒物。由于灰尘、硫酸、硝酸等粒子组成的霾，其散射波长较长的光比较多，因而霾看起来呈黄色或橙灰色。雾霾形成有三个要素：
19、一是生成颗粒性扬尘的物理基源。我国有世界上最大的黄土平高原地区，其土壤质地最易生成颗粒性扬尘微粒。二是运动差造成扬尘。例如，道路中间花圃和街道马路牙子的泥土下雨或泼水后若有泥浆流到路上，一小时干涸后，被车轮一旋就会造成大量扬尘，即使这些颗粒性物质落回地面，也会因汽车不断驶过，被再次甩到城市上空。三是扬尘基源和运动差过程集聚在一定空间范围内，颗粒最终与水分子结核集聚成霾。目前来看，在我国黄土平高原地区 350 多座城市中，雾霾构造三要素存量相当丰裕雾和霾相同之处都是视程障碍物。但雾与霾的形成原因和条件却有很大的差别。雾是浮游在空中的大量微小水滴或冰晶，形成条件要具备较高的水汽饱和因素。出现雾时空
20、气相对湿度常达 100%或接近 100%。雾有随着空气湿度的日变化而出现早晚较常见或加浓，白天相对减轻甚至消失的现象。出现雾时有效水平能见度小于 1KM。当有效水平能见度110KM 时称为轻雾。雾和霾实际上是有区别的。”国家气候中心气候系统监测室高级工程师孙冷指出，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；而灰霾的形成主要是空气中悬浮的大量微粒和气象条件共同作用的结果，其成因有三：在水平方向静风现象增多。城市里大楼越建越高，阻挡和摩擦作用使风流经城区时明显减弱。静风现象增多，不利于大气中悬浮微粒的扩散稀释，容易在城区和近郊区周边积累；垂直方向上出现逆温。逆温层好比一个锅盖
21、覆盖在城市上空，这种高空的气温比低空气温更高的逆温现象，使得大气层低空的空气垂直运动受到限制，空气中悬浮微粒难以向高空飘散而被阻滞在低空和近地面。空气中悬浮颗粒物的增加。随着城市人口的增长和工业发展、机动车辆猛增，导致污染物排放和悬浮物大量增加，直接导致了能见度降低。中新网 2 月 13 日电 据国家气象局网站消息，从中国气象局 2 月新闻发布会上获悉，入冬以来，中东部大部地区雾霾频发，雾霾日数普遍在 5 天以上。气象专家表示，造成雾霾天气偏多、偏重的原因主要有以下三方面：一是 1 月影响我国的冷空气活动较常年偏弱，风速小，中东部大部地区稳定类大气条件出现频率明显偏多，尤其是华北地区高达 64
22、.5%，为近 10 年最高，易造成污染物在近地面层积聚，从而导致雾霾天气多发；二是我国冬季气溶胶背景浓度高，有利于催生雾霾形成；三是雾霾天气会使近地层大气更加稳定，会加剧雾霾发展、加重大气污染。雾霾天气形成既受气象条件的影响，也与大气污染物排放增加有关，建议进一步加大大气环境治理和保护力度，特别是要加强多部门会商联动，完善静稳天气条件下大气污染物应急减排方案，以防范和控制重污染天气的出现。空气污染物中的可溶性成分遇到浮尘矿物质凝结核后会迅速包裹，形成混合颗粒，再遇到较大的空气相对湿度后，就会很快发生吸湿增长，颗粒的粒径增长 2 倍至 3 倍，消光系数增加 8 倍至 9 倍，也就是能见度下降为原来的八分之一至九分之一。通俗地讲，空气中原本存在的较小颗粒的污染物遭遇水汽后变成人们肉眼可见的大颗粒物，随即发生灰霾事件。
