摘要：通过汇集中国环境科学学会19届年会雾霾专题内容以及当前发表的相关资料，简述了我国当前大气雾霾的危害、成因和防治，为深入治理大气污染物，共同创建清净的生态环境提供参考。

　　关键词：雾霾 细微粒子 气态污染物 雾霾危害 雾霾成因 防治

　　我国经济的快速增长和能源的大量消耗，以及城镇化、工业化和车辆机动化的快速推进，导致城市和区域复合型大气污染的严峻局面，尤其是细微粒子和臭氧的污染成为当前最突出的环境问题之一。

　　1、雾霾现状

　　(1)背景

　　世界上曾经发生的严重雾霾现象，先后受到工业发达国家的关注和治理(表1)。

　　1952年的伦敦光化学烟雾污染直接造成万余人死亡事件，引起了英国各界关注。随后英国政府颁布并执行了大气环境保护法， 包括 1956年的第一部 《清洁空气法案》 、 1968年、1993年的第二版和第三版《清洁空气法案》 、1974年的《空气污染控制法案》等，逐步控制了工业排放，减少化石燃料燃烧的排放烟尘和硫化物，改善了伦敦地区的空气质量。

　　在美国西海岸的加州地区也曾是受雾霾天气影响最严重的地区。20世纪 50年代，洛杉矶多次发生光化学烟雾，使许多居民患病。为此，1955年美国政府出台《空气污染控制法》 ，第一次针对空气污染制定法律。1997年后多项研究表明，可吸入肺部的颗粒污染物对人体健康的影响更大，美国着手PM2.5的大气监测[1]。

　　表1 20世纪着名空气污染事件一览[2]

　　事件时间原因危害

　　比利时

　　马斯河谷

　　烟雾1930年12月1至15日河谷上空发生气温逆转，造成大气污染现象上千人发生呼吸道疾病，是同期正常死亡人数的十多倍

　　美国

　　洛杉矶

　　烟雾1943年5-12月;1955年和1970年又发生光化学烟雾事件汽车尾气和工业废气中的化合物在太阳紫外线的照射下产生光化学烟雾大多市民患了眼红、头疼病;

　　前者短短两天内有400多人死亡

　　美国多诺拉烟雾1948年10月26-31日宾夕法尼亚州多诺拉镇天气受反气旋和逆温控制，工厂排出大气污染物扩散不去全城14000人中有6000人眼痛喉痛、头痛胸闷、呕吐腹泻，20多人死亡

　　英国伦敦烟雾1952年12月5-9日由于逆温层作用及连续数日无风，煤炭燃烧产生的多种气体与污染物蓄积伦敦上空四天的浓雾共造成1.2万人死亡

　　日本四日市哮喘1955年以来~1972年石油冶炼和工业燃油产生的废气，严重污染城市空气，重金属微粒与二氧化硫形成硫酸烟雾1964年，连续三天烟雾不散，患气喘病者开始死亡，1972年全市共确认患者达817人，死亡10多人

　　同样，我国经济的迅速腾飞，大气污染的治理进入深层次的雾霾治理阶段。一些学者将环境恶化问题归结于经济发展太快的缘故;也有学者认为[3]，它与经济发展有关，但主因是：环境与经济发展的阶段有关;与以煤炭为主的一次能源结构有关;与各地方政府的环境执法不严有关。要根本解决环境污染问题，最重要的是要保持比较快速的经济增长，除了严格执法外，多使用清洁能源，赶快进入发达国家的以服务业为主的高收入阶段。

　　1)污染整改现状

　　a.排放总量控制

　　大力整治污染，改善生态环境，成为我国经济发展的第一要务。政府颁发大气减排最新政策，实施双控环境质量改善和污染排放总量(SO2、NOx、一次颗粒物、挥发性有机物等);完善总量控制体系，加大重点行业污染减排;全面达标排放，电力超低排放等。强化煤炭消费总量控制，改变煤炭利用结构。

　　各行业的节能减排产，在工程、体系结构与管理中坚持“淡化基数，算清增量，核实减量”，取得一定程度上有效的污染治理。“十一五”污染减排指标超额完成，治污工程突破性进展见表2。

　　“十二五”主要大气污染物总量减排目标见表3。

　　截止到2014年全国总量减排目标完成情况见表4。

　　表2 全国累计建成工程

　　工程名称城镇污水工程燃煤电厂机组

　　集中处理 座日处理能力 亿m3/d脱硫设施 亿千瓦占有比例

　　累计建成/投运28321.255.78

　　“十一五”增加2000由(2005年)52%上升到77%5.32由(2005年)12%提高到2010年82.6%

　　*主要大气污染物排放总量控制，中国环境科学学会19届年会，2015.5.14

　　表3 大气污染物减排量 万吨

　　污染物2010年

　　减排量2015年

　　减排量要求减排

　　比例目标

　　减排量“十二五”新增实际减排量实际减排比例

　　SO22267.82086.48%181.4435616.426.1%

　　NOx2273.62046.210%227.4554781.434.4%

　　表4 燃煤机组烟气脱硫脱硝改造情况 亿千瓦

　　减排措施2011年2012年2013年2014年累计备注

　　煤电脱硫0.680.470.341.38占煤电总装机容量96%

　　煤电拆除烟气旁路0.241.272.031.45.4占煤电总装机容量64%

　　煤电脱硝0.50.972.052.66.9占煤电总装机容量82%

　　b.雾霾治理的复杂性

　　在环境整治方面虽然取得一定成效，但是问题依然存在。城市SO2浓度超标严重，超标城市超过50%;硫沉降已超过欧美历史最严重时期的水平。

　　我国华北地区、中东部地区遭受多次雾霾袭击，“雾霾”现象成为当今大片国土的常态。如2013年1月出现长时间、大范围、高强度的灰霾污染，面积达1.30万km2，全国10个省市、8亿以上人口被高浓度PM2.5包围。长三角等地一度成为污染核心区和重灾区。上海大气PM2.5的最大小时浓度超过640μg/m3。如华北地区的雾霾日数偏多5至10天，山东、河南、江苏等地达15至20天，部分地区超过20天。

　　不同地域随环境和工业结构不同，大气污染程度以及污染物组分均有明显差异[4]。

　　从电煤消耗量来看地区污染，长三角>京津冀>珠三角，长三角电厂排放更为突出;

　　从钢铁行业污染情况观察地区，京津冀>长三角>珠三角，该行业的排放造成地面污染更加显着;

　　从挥发性有机化学物(VOCs)污染情况来看，长三角(上海汽油消费量517万吨)>京津冀(北京416万吨)。

　　当前VOCs污染防控中存在的问题是对其机理的认识不足，采用工艺不精以及污染信息核查不清，以致清单不清，总量不明，源谱模糊。于是，空气质量预测误差大、防控科学依据不足。

　　据国家气候中心气候监测专家认为，东北、华北的雾霾天气与特定的大气环流系统密切相关。造成雾霾多的原因有：其一，平均风速低，减弱了风力对污染物的搬运能力;其二，静稳天气的增加使污染物不易扩散;其三，全国降水日数减少明显，近50年来减少了10%，导致空气中气溶胶的湿沉降减弱。

　　北京的“城市热岛”效应很强，其污染物的监测值也很大。城中心的气温比周边高出1℃，甚至3~4℃。故每年秋末冬初雾霾偏多成为北京的气象现象(图1)，也成为韩国中部十月天气雾霾的迁移源。韩国首尔城区测到的PM10值在81~120μg/m3 [5]。

　　

 

　　2)气候变化趋势

　　雾霾是一种发生在大气近地面层中的灾害天气，能见度低，大气气溶胶聚集在大气近地层，大气污染增强，空气质量下降，对社会经济及人体健康产生负面影响。虽然雾和霾分别属于不同的天气现象，但是雾和霾之间存在着相互转化，之间难以确定明确的界限，雾和霾经常混合在一起，形成雾和霾混合的雾霾天气现象。

　　1961-2013年我国雾的天数和霾的天数出现明显不同的变化趋势(图2)。雾霾的总的日数还维持在20～50 d，但是雾的日数总体呈现下降趋势，霾的日数呈现出逐渐上升的趋势，特别是2013年上升的趋势十分明显[6]。

　　

 

　　图2 1961—2013年(1—11月) 雾日(a)和霾日(b)天数变化趋势

　　自2001 年以来霾日数急剧增长，中国雾日数趋势减少，而冬季日最低温度的升高以及相对湿度的减小趋势。尤其是霾日数的增加与人类无序排放活动导致大气污染物排放量的增加以及平均风速的减少趋势密切联系(表5、表6、表7)。所以，雾霾的长期变化趋势与气象因子变化趋势之间的演变相关联[7]。

　　表5 2013年我国四个雾霾严重的地区雾霾日数

　　

 

　　表6 中国年平均风速和静风日数变化趋势

　　

 

　　表7 50 年来中国雾霾天气总体呈增加趋势[8]

　　时间1961~2012年1980年前1990年以来

　　地域中东部地区( 东经 100°以东)——南京

　　平均年雾/霾日数霾日数上升趋势雾日数/霾日数>3倍(基本上)霾日数>雾日数。出现频次最高在11月～次年1月

　　最多雾霾日数(年)35.8天(1980年) 每年霾日数>100 d

　　*中国社会科学院、 中国气象局联合发布的《气候变化绿皮书:应对气候变化报告(2013)》

　　(2)雾霾组分

　　1)污染物排放结构性的转移[9]

　　◆电力行业减排成效显着，但大气环境的NO2浓度下降缓慢;

　　据统计：自2012年起，机动车的NOx排放量超过电力行业;2014年起，船舶NOx排放量超过电力行业。

　　◆PM2.5化学组分复杂，且以二次生成为主(图3、图4)。

　　

 

　　图3 2012-2013年上海市PM2.5化学成分 图4 2011年北京市环保局发布北京市PM2.5排放源

　　从上图3可见PM2.5组分的变化，有机物> 硫酸盐> 硝酸盐> 地壳物质> 铵盐> 其他> 元素碳。上述的组分是PM2.5的主要化学成分，占总质量的70%。其主要是挥发性有机物、二氧化碳、氮氢化合物、氨等气态前体物经物理化学反应二次生成。

　　上海市PM2.5污染突出，其组分具有明显的季节特征。2014年年平均浓度52μg/m3，超标48.5%。最高浓度在1月(76μg/m3)，最低浓度为35μg/m3，在9月份。

　　污染来源多样化，受本地PM2.5源谱关联密切;随经济社会的发展加速污染源的多样性，对大气污染结构变化明显。

　　区域输送的污染流动源对PM2.5有一定贡献，约占16~36%。

　　2)细颗粒物减排效果的评估 — 概念模型

　　现今的雾和霾已不是完全的自然现象，气溶胶污染是背后的主因。由于雾霾组分的复杂性，气态物质二次转化PM2.5细颗粒的现象对大气污染物减排效果的评价提出挑战(图5)。

　　

 

　　图5 本地区雾霾细颗粒组分的比例分布

　　PM2.5污染成因机理研究初步成果：

　　a.气态污染物二次转化对PM2.5生成贡献率40~60%，灰霾期间更高。

　　b.区域传输对PM2.5的贡献率20~40%，最高可达50%

　　c.重污染成因有：采暖季高排放、极端不利气象条件下复合成因、生物质燃烧和灰沙型、光化学驱动型等。

　　对此气象条件的年际变化、周边区域减排情况的进展以及效果的量化，中远期的经济社会发展趋势存在变数，诸多因素给模型的评估带来不确定性。因此，需要更多的大数据为客观的气象评价作量化的基础(表8 )，逐步逼近真实、预测未来。

　　表8 设定的长三角地区雾霾的化学组分及其变化

　　

 

　　(3)雾霾与人体健康

　　雾霾中的细微颗粒是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体，容易进入人和生物体内，能直接引发多种疾病，且细颗粒物还可通过呼吸系统，使有毒物溶解在血液中引起人体的二次伤害。大气污染物毒性见表9。

　　美国癌症协会研究最新发现：PM2.5浓度每升高10μg /m3 ，人群冠心病死亡率升高24%(95%CI：19%，29%);在长达26年的跟踪调查后发现，空气中PM2.5 浓度每升高10μg/m3人群肺癌死亡率将升高15%~27%，且肺癌死亡风险在慢性肺部疾病患者中更高[10]。

　　“大气污染与人体健康研究现状”研究课题中表明，“长期暴露于 PM2.5浓度每增高 10 μg /m3 的环境中，全因死亡率约升高一成”。《气候变化绿皮书:应对气候变化报告(2013)》 指出，雾霾天气会提高死亡率、 使慢性病加剧、 使呼吸系统及心脏系统疾病恶化， 影响生殖能力、 改变免疫结构等[11]。

　　表9 大气污染物毒性排行榜

　　大气污染物PM2.5PM10臭氧NOxSO2

　　致癌/毒性指数★★★★★★★★★★★★★★★★

　　对人体伤害长期暴露可引发心血管病和呼吸道疾病以及肺癌沉积在上呼吸道，或进入呼吸道的深部，引发多种疾病强烈的刺激性，引发哮喘、降低肺功能;对人体也有致畸性主要损害呼吸道影响呼吸系统和肺功能，并刺激眼睛，对肝脏有损伤

　　污染浓度

　　与风险>10μg/m3时，

　　总死亡风险上升4%

　　诱发哮喘病每增10μg/m3，日死亡率上升0.3%>200μg/m3时，呼吸道严重发炎浓度高时，心病脏死亡率增加;慢性鼻炎

　　细颗粒物/

　　气态污染物<2μm颗粒可深入到细支气管和肺泡氧化刺激、炎症及遗传物质改变机理致损伤0.1~0.2mg/m3时，引发哮喘;>2mg/m3可引头痛、胸痛、思维能力下降甚至肺气肿发生迟发性肺水肿、成人呼吸窘迫综合征每天吸入浓度为100 ppm，支气管和肺部将出现明显的刺激症

　　致癌/致毒原理细颗粒进入肺泡，直接影响肺功能，使之缺氧状态先与肺细胞作用，释放各种细胞因子，导致肺炎和肺纤维化引起鼻和喉头黏膜的刺激且阻碍血液输氧功能等吸入后初期有轻微刺激而潜伏期后致病易溶于水，生成腐蚀性的亚硫酸

　　主要污染源机动车尾气、锅炉燃煤和扬尘机动车及材料的破碎物、扬尘NO等污染物以及VOCs有机化合物与阳光反应而形成供热、发电及机动车和船舶的发动机等燃烧过程。煤和石油的燃烧及火山喷发

　　*中工网记者黄哲雯，让我们重新认识霾

　　2、雾霾的形成

　　目前对雾霾的研究，主要从局部地域污染、 能见度分析、 雾霾的形成原因等三个方面着手;局部地域的气象分析认为，较高的相对湿度和静风是雾霾天气形成的基本气象条件; 影响大气能见度的最重要的因素是大气中的气溶胶粒子;雾霾的形成原因比较复杂，且要因时因地而定。

　　(1)概述

　　雾，是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现象。

　　霾，主要是由空气中灰尘、气态硫酸盐、硝酸盐以及有机碳氢化合物等粒子组成，使大气混浊、视野模糊并导致能见度恶化的非水成物。霾的厚度较厚，可达1～3 km，其细微颗粒分布均匀，没有明显边界。因其散射波较长，而呈显黄色或橙灰色。在形成雾的条件中，气温越低，空气中所能容纳的水汽越少，越容易形成雾霾。 雾霾组成成分更复杂， 包括数百种大气颗粒物; 灰霾粒子尺度较小， 从0.001到10 μm， 平均直径1～2 μm[10]。

　　雾霾是两者同时出现的气象现象，天空呈现一片灰蒙蒙。一般情况下，我国区域性能见度低于 10 km 的、空气普遍浑浊的现象被称为“雾-霾”天气。

　　雾与霾的区别在于霾发生时相对湿度不大，而雾发生时相对湿度接近饱和或饱和。雾、霾都导致能见度恶化， 其分别发生在相对湿度>90%、< 60% ，且能见度分别<1.0 km、10.0 km 时，其大气浑浊导致视野模糊。故根据能见度和含水量可将雾霾过程划分为雾、轻雾、湿霾、霾 4 个不同阶段。

　　异常的静稳天气和居高的气溶胶浓度共同造成了 2013 年 1 月 6~16 日我国中东部大范围、持续性雾-霾。导致我国当今的雾和霾，都已不是完全的自然现象。人为气溶胶粒子不仅对霾有贡献，还作用于云雾的形成。雾-霾形成后会使到达地面的辐射减少，大气层节稳定度增加, 有利于气溶胶不断积聚、凝结和增长，在达到过饱和状况下还产生更多云雾滴，形成“恶性循环”的持续性雾-霾[12]。

　　(2)成因机理

　　雾霾现象的形成有着复杂的内在和外在因素。从经济的角度剖析雾霾，无非是自然和人为两大因素[13]。

　　自然因素：水汽压、日照、气温、蒸发量、最小相对湿度、降水量以及极大风速对于大气污染均具有显着影响。

　　人为因素：随社会经济和各产业的高速发展，以及物质生活水准的提高，成为空气污染的一项重要因素;同时，环保治理政策和政府执行力成为自然生态环境的保护神。

　　在城镇化与工业化同步发展中，雾霾经济是中国推进现代化产业过程的一项负面产物， 是工业现代化、城镇现代化的一种伴生物。它涉及到相关产业的应对研究，以及对实体经济与虚拟经济的运行均起到重要影响，例如对敏感的PM2.5进行监测和净化。

　　1)雾霾成因分析

　　在一般天气条件下和出现逆温现象时，等量污染物排放可能引起空气污染物浓度的明显变化，采用区域用煤炭的消费强度、汽柴油消费强度和污染物排放强度等指标，可以清晰地找到高能耗、高污染排放是雾霾天气多发的源头。

　　A.气象条件：

　　a.冷性气压

　　阿留申低压是一个深厚的冷性低压，作为冬季影响东亚地区的主要副极地气旋，同时也是北半球半永久性大气活动中心之一。阿留申强度和位置的异常在东亚天气、气候变化方面有着重要的影响。

　　b.环流特征

　　大范围雾霾天气主要出现在冷空气较弱和水汽条件较好的大尺度环流形势下，近地面低空为静风或微风。

　　c.地形影响

　　亚洲中高周低的地形结构一方面加剧了气候类型的复杂程度，另一方面也促进了大陆性气候和典型季风气候的形成。当然，各地不同的地貌对周边气象仍产生不同程度的影响

　　d.区域气象

　　我国大部分地区雾霾天气的成因与区域静风、 逆温天气、 能源结构、 机动车数量的增加、 城市建设和秸秆焚烧等情况分不开的。

　　所谓静风，指距地面 10m 高处平均风速 U10 小于 0.5m /s 的气象条件。 此时风速已小于测风仪的最低阈值，用C表示。风速值的大小直接影响污染物扩散、 稀释程度和范围，并影响地面浓度大小、最大落地浓度与污染源距离的变化。反之，多地的观测证实：由于气象因素和城市建筑布局的不合理， 静风频繁产生， 风速对污染物的扩散基本不产生影响， 污染物流动和交换能力减弱， 污染物得不到有效稀释。

　　逆温天气的产生，是大气变稳的现象。在一定条件下， 对流层中会出现气温随高度增加而上升的现象， 或者地面上随高度的增加，降温变化率小于 0.6℃， 称为逆温现象。一些研究者得出逆温天气是造成哈尔滨冬季大气污染的主要原因。

　　B.人为条件：

　　污染物排放量大，是空气重污染(机动车排放、燃煤、工业污染物和扬尘等)的根本原因。

　　雾霾的频繁出现是大自然对人为污染导致环境容量超载的警示信号。要治理雾霾天气，应从能源消费的源头上着手，建立联动机制和应急机制，加强对雾霾天气的预测预警，各地区联手共同应对大气污染[14]。

　　a.能源消费

　　2012 年全国能源消费总量约占全世界能源消费总量的 21%。煤炭消费量 35.3 亿 t，占全国能源消费总量 66.6%。煤炭用于发电的比重逐渐增加，2012 年已经超过 50%。虽然同比2000年终端煤耗下降到23.4%，但高于发达国家平均水平 11.8%。

　　b.能源消费强度

　　2012 年沿海及中东部区域的生产总值 41.2亿万元，占全国国内生产总值的 79.5%，能源消费量 20.8 亿 t 标煤 , 占全国能源消费总量的 63.4%。在全国 20% 的土地上消耗了近 67% 的能源总量，平均每日单位面积能源消费3.94t 标煤 / (d•k㎡)，是全国平均值(1.26 t 标煤 /(d•k㎡))的 3 倍。其中，京津冀、长三角和珠三角的能源消费强度分别 5.74 t、7.56 t 和 4.42 t 标煤 /(d•k㎡)。

　　c.煤炭消费强度

　　2012 年我国中东部地区的煤炭消费总量 26.3亿 t，占全国煤炭消费总量的 60.3%，平均煤炭消费强度为 3.69 t/(d•k㎡)，其各地的情况见表10。

　　表10 我国中东部地区的煤耗及单位面积消费强度

　　

 

　　d.燃油消费强度

　　2012 年我国中东部地区汽柴油消费量 1.9 亿 t，占全国汽柴油消费总量的 63.2%。其中，长三角地区汽柴油消费量 4470万t，占全国总量的 14.9%。

　　京津冀和珠三角地区的汽柴油消费分别为2 403 万 t 和 2 802万 t，占全国总量的 8% 和 9.3%。从平均每日单位面积汽柴油消费强度来看，长三角地区最高，为 580 kg/(d•k㎡)，其后是珠三角和京津冀，分别为 425 kg/(d•k㎡)和302 kg/(d•k㎡)，京津冀周边省份为 291 kg/(d•k㎡)。

　　e.废气排放强度

　　2012 年全国工业废气排放量 635 519亿 m³，二氧化硫排放量 2 117.6 万 t，烟(粉)尘排放量 1234.8 万 t，氮氧化物排放量 2337.8 万 t。

　　2012 年我国中东部地区二氧化硫平均排放强度 16.0 kg/(d•k㎡)，烟(粉)尘平均排放强度 9.3 kg/(d•k㎡)，氮氧化物平均排放强度为19.9 kg/(d•k㎡)。其中上海市和天津市的二氧化硫排放强分别为 98.6kg/(d•k㎡)和 51.6kg/(d•k㎡), 远高于其它省市。

　　上海烟尘排放强度以 37.7kg/(d•k㎡)而高居各省市之首。

　　上海和天津市的氮氧化物排放强度远高于各省市水平，分别高达 173.5 kg/(d•k㎡)和 76.8 kg/(d•k㎡)。

　　f. PM2.5与排放源

　　十字路口是汽车来往密集地带，汽车尾气排出的硫化物、氮氧化物等微小颗粒对于 PM2.5 浓度有着直接影响。态源解析初步揭示空气中的PM2.5来源，本地人为污染排放贡献占八成，交通和工业是污染排放的重头。

　　清洁能源占全部能源消费的比重只有 15%，远低于欧洲国家的 40% ～ 60%;上海每年汽车保有量的增长速度太快，超过8%;上海居民选择公共交通、地铁出行比例只有 25% 左右，远低于其它国际大城市的 60% ～ 80%。

　　上述数据从深层次提出了影响上海大气污染的经济结构、交通运输结构、能源结构等结构性问题。

　　g.环境容量

　　雾霾形成是复杂的天气过程，涉及气温、气流、污染物排放以及各种化学反应等。一旦排放污染量超过区域环境容量，就会加速生态环境的恶化。

　　气象要素有：湿度、温度层结、能见度

　　物理量诊断有：涡度平流(随高度变化反映地面低值系统的变化以判断近地层辐合上升运动

　　的强弱);总温度平流(反映暖湿空气的活动)。

　　研究者[15]对2013 年 1 月 9—15 日北京地区一次持续雾霾过程，对环流形势、气象要素、物理量场及污染监测情况进行全面分析。北京宝联体育场PM2.5和SO2质量浓度变化见图6。研究表明:高浓度 PM2.5和 SO2 事件持续时间超过100 h，浓度达到严重污染级别。高空为偏西或西南气流且 850 hPa 有弱暖平流输送和地面倒槽维持少动，是有利于雾霾持续的背景条件。持续轻雾或霾对于湿层厚度要求不高，在 925 hPa 以下即可，且湿层越厚，能见度越低。

　　

 

　　图6 2013年1月9~15日北京宝联体育场PM2.5和SO2质量浓度变化

　　逆温维持是雾霾持续的主要原因，且轻雾或霾为主时，逆温层特点为厚度浅、强度弱，逆温高度或强度突然增大可预示轻雾霾向大雾或雪转换; 850 hPa 以下涡度平流较弱是轻雾或霾持续的动力结构;总温度平流垂直分布表现为闭合中心强度在 500 hPa 明显分界，且相对较弱的平流中心高度一般在 850—1000 hPa 之间，当高度达到500 hPa 时可预示雾霾天气消散。

　　g.区域差异

　　京津冀雾霾的根本原因，除了经济的粗放型、工矿企业的开放式排放外，重要原因是由于周边环境生态(森林)的破坏以致冷空气南下，阻断海洋气流输入，更容易导致地区雾霾[16]。

　　2)细微颗粒

　　我国现今雾-霾问题的主因是严重的气溶胶污染，但气象条件对其形成、分布、维持与变化的作用显着。二次气溶胶(通常为<10 μm 气溶胶质量浓度的一半以上)形成与变化受气象条件影响大，导致我国霾呈区域性分布的特点。

　　据环保部科技标准司的统计，我国的大气污染中细颗粒物及氨的排放量见表11。

　　表11 我国大气污染中细颗粒物

　　大气污染物排放量 万吨区域污染度占比备注

　　一次PM2.51203(2012年)京津冀地区严重占总量58%各地PM2.5排放的行业构成差别很大

　　NH3879(2011年)总体构成差异不明显NH3排放集中于畜牧业和农业系统

　　非道路移动源

　　(2012年)PM2.5/NOx40 / 527占总排量的39% /45%工程机械、农业机械和船舶的污染源防治迫切

　　a.雾-霾成因与我国居高不下的气溶胶粒子浓度水平有关(图7)，城市和城郊区域的组分浓度分别约为34 、16μg/m³， 有机碳分别为 30、18μg/m³，硝酸盐分别约为 15 、 8μg/m³, 铵约为 12 、6μg/m³，元素碳为 8.6 、3.4μg/m³。其组分浓度远高于欧洲城市和城郊的水平。

　　b. 二次气溶胶形成与变化受气象条件影响大，导致了我国霾呈区域性分布的特点。2010年9~10月在泰山(海拔1500 m)观测到月平均气溶胶数(CN)谱和云雾凝结核(CCN)谱见图8。图9为北京的气象条件Plam(parameter linking air-quality and meteorology)指数值的变化。

　　

 

　　图7 中国气象局大气成分观测网-CAWNET 在我国不同区域的站点 PM10 中各化学组成所占比例

　　中间是观测站点分布图及 9 个我国霾的分布区域, 其中红圈划出的是我国 4 个最严重的霾分布区

　　

 

　　图8泰山(海拔1500 m)观测到月平均气溶胶数(CN)谱和云雾凝结核(CCN)谱

　　

 

　　图9 2013年1月1日北京时间 24:00起,每3小时北京的Plam 指数值变化

　　在霾最为严重的华北区域，新粒子形成和老化阶段均有有机气溶胶的贡献。有机物混合后的气溶胶潮解点提前， 吸湿增长因子变小。干气溶胶粒子吸湿增长会使在高相对湿度下观测的 PM2.5 质量浓度“虚高”。 有约 70%的气溶胶粒子与其他类型气溶胶混合， 高浓度矿物气溶胶与污染气体发生非均相化学反应使更多二次气溶胶形成，也使我国雾-霾问题更为复杂;还发现受气溶胶影响的低云较高云中云滴数多，但有效半径小。高浓度气溶胶影响的云雾形成机制明显不同于低污染状况，在低过饱和条件下大量>150 nm粒子活化为云雾凝结核，且化学组成对活化有明显影响。

　　以北京地区2013年1~7月的大气为样本，研究者发现：雾霾程度 PM2.5 ( AQI—空气质量指数) 与细菌和真菌气溶胶总浓度均呈负相关，与细颗粒物和粗颗粒中生物气溶胶所占比例分别呈负相关和正相关;环境温度与细菌和真菌气溶胶总浓度为正相关，相对湿度与细菌气溶胶负相关而与真菌气溶胶正相关。重度雾霾天气时，冬季最大浓度的细菌和真菌气溶胶分别在4.5～7. 0 μm和2.1～3.3 μm 被检测到，而在夏季最高浓度都分布在3.3～4.5 μm 范围内。

　　2013 年在京津冀雾霾天气以及席卷中国中东部地区的强霾污染物过程，叠加了中国特色的沙尘气溶胶，含有危险有机化合物。如2013年春季北京 PM2.5的来源中，22%以上是机动车排放，17%是煤炭燃烧，16%是工地扬尘，16.3%是工业喷涂挥发，4.5%是农村养殖、秸秆焚烧，24.5%则来自外地[17]。

　　由图10可见，雾霾的形成机制复杂，特别是难以对气态污染物的二次转变的量化。

　　

 

　　图10 雾霾形成机制[18]

　　3)二次颗粒物

　　a.烟气系统中PM2.5转化问题

　　燃煤产生的PM2.5在最终排放大气环境之前历经脱硝除尘脱硫等去污处理，期间捕集细颗粒同时还会形成新的PM2.5，从而改变实际排放PM2.5的排放量。

　　硫酸盐、铵盐等二次无机气溶液SNA是环境中PM2.5的主要化学成分，通常被认为是排气中的酸盐转化而成;对于安装有SCR、WFGD的污染源，其一次颗粒物中酸盐组分对二次污染的贡献高些。

　　b. 细颗粒捕集方法

　　捕集PM2.5 效率低的原因，是污染物颗粒度太小的缘故。

　　增强方法：转化机制;增强脱除，即利用增大颗粒度以及优化污染物去除过程控制，抑制PM2.5的形成。如化学团聚法(图11)、撞击凝并法、烟气余热深度利用促进相变法、湿法电除尘去除酸雾石膏等方法。

　　

 

　　图11 烟气颗粒物化学团聚长大技术原理

　　所谓化学团聚，即在ESP入口烟道(温度120~200℃)喷入由高聚物粘结剂、润滑剂、降灰比电阻剂等组成的化学团聚剂溶液，利用带有极性基团的高分子长链以“架桥”方式将多个PM2.5连接长大，促使细颗粒物被捕获。利用脱硫废水配制的化学团聚剂溶液喷入电除尘器进口烟道，利用废水蒸发析出的含氯化物(如CaCI2)，促进单质汞的形态转化，在适当烟温下增强电除尘器对SO3的捕集，实现脱硫脱汞及PM2.5的高效脱除。

　　c. 脱污过程各因素的影响

　　电除尘器、WFGD对脱硝过程产生的酸盐颗粒及SO3酸雾，既无法有效脱除，又导致SCR出口PM2.5物性的变化。

　　在氨逃逸量很小、喷氨量严重不足情况下，SCR出口也检测到一定量的亚微米级硫酸铵、硫酸氢铵的细颗粒。

　　当喷氨量增加，细颗粒物浓度升高。

　　在硫酸氢铵热分解过程的TG-FTIR研究中发现：第一阶段，对应温度范围在348~385℃之间，最大失重速率出现在370℃;第二阶段(385~430℃)最大失重率出现在420℃，释放NH3、SO2和H20。

　　SCR对PM2.5的影响归纳为可：

　　①随着脱硝剂将SO2催化成SO3，再与NH3、H2O反应为硫酸氢铵和少量硫酸铵细颗粒;直接排出烟囱的SO3烟雾导致烟气拖尾现象(图12)。

　　②催化的SO3在空预器及烟道及系统中与逃逸NH3、H20反应，同样有细颗粒物产生。

　　

 

　　图12 SO3烟雾导致烟气拖尾现象

　　d.湿法脱硫过程中PM2.5的转化机制

　　脱硫塔内存在脱硫浆液雾化夹带、脱硫产物结晶析出以及塔内物质复杂的非均相反应会产生PM2.5细颗粒，增加排放烟气中的细颗粒量(图13)。

　　石灰石膏法对PM10约有30~40%的脱除效果，但PM2.5数量反增加。烟气脱硫后细颗粒形貌及元素、物相均有变化，Ca、S、O相对量增加，除燃煤飞灰外，含有硫酸钙、亚硫酸钙及未反应的CaCO3等组分。

　　

 

　　图13 石灰石-石膏法脱硫系统出口颗粒物性

　　e.氨法脱硫气溶胶的形成

　　脱硫浆液挥发逸出的NH3与烟气中的组分间非均相反应是亚微米级气溶胶的主要来源，含有硫酸铵、亚硫酸铵以及硫酸氢铵和亚硫酸氢铵等。

　　同样，烟气中夹带和蒸发的其他物质也是微米级气溶胶的来源。

　　f.颗粒物与雾霾

　　研究表明[19]，大气中存在的大量颗粒物，尤其是细颗粒物以及SO2、NOx、VOCs等气态污染物对太阳光起到吸收、折射和散射作用，这是形成雾霾的根本原因。

　　大气中细颗粒的来源在于自然界沙土、植物花粉等一次颗粒物;来源于人类活动的燃烧一次产物以及SO2、NOx、VOCs转化成二次的细颗粒物，机动车尾气中元素碳、各种前体有机物、四乙基铅聚成颗粒物等以及磨损产生的颗粒物，建筑粉末和秸秆焚烧产物等。

　　近年大规模的雾霾现象，主要由气象变化和人为因素引起的。

　　PM10细微颗粒与液滴的数量大，但对雾霾贡献不大。PM2.5重量占比虽小，但危害极大。颗粒物具有消光作用，其消光能力与大小、形态、化学组成及混合价态密切相关。颗粒物越细小， 对太阳光的消光作用也越强，以致大气能见度降低，从而形成雾霾。该现象与PM2.5浓度呈现出良好的负相关性。

　　g. SO2、NOx与雾霾

　　研究者发现，SO2与大气矿尘的表面吸附氧，与表面羟基等活性部位发生多相反应， 最后生成硫酸盐粒子。

　　研究者还发现，尽管北京地区和长三角有着不同的PM2.5源解析(水溶性无机盐、有机物和元素碳)，对形成雾霾有着一致性。这是因为超细微颗粒可以与大气中某些气体污染物或颗粒反应，生成消光极强的约1μm的颗粒。

　　h.VOCs与雾霾

　　部分挥发性有机物(VOCs)，如烷烯烃、芳香烃、醛类等是大气中二次有机酸气溶胶(SOA) 的重要前体物质，可通过光化学反应进入气溶胶。

　　① O3氧化烯烃：O3通过亲电加成的方式进入到烯烃的不饱和双键上， 形成不稳定的中间体并迅速分解转化成羰基化合物和其他类型的中间体(RHCOO)*→fragments→ RCCOOH);

　　② 过氧乙酰基( RCO ( OO·))的反应：它主要是由VOCs在大气中降解产生：

　　RCOR+hv+2O2→RCO( OO·) +R( OO·);

　　RCOR+·OH+O2→RCO( OO·) +R( OO·)

　　生成的RCO(OO·)可以与大气中的水和CHCOO·发生反应， 生成乙酸气溶胶：

　　RCO( OO·)+ H2O→RC(O)OOH + O2→RCOOH + O3

　　研究者分析了羟基启动光氧化异戊二烯生成部分SOA 的可能过程，认为生物源挥发性有机物( BVOCs) 是 VOCs的重要组成部分，而又以异戊二烯最为重要。

　　(3)雾霾的气溶胶特性

　　1)能见度的时空特征

　　霾天气能见度的时间分布特征：

　　a.1980—2003 年广东地区雾霾天气下能见度的季节变化规律与雾天气时能见度的季节变化规律大体一致。

　　b. 雾天气时，在春、夏两季的能见度值相对较低，最低值出现在 3 月份，最高值出现在 9 月份，呈峰—谷型、稳定型和不规则波动型三种主要变化; 而霾天气时，能见度值在秋、 冬两季相对较高，最低值出现在 6 月份。

　　c. 受广东沿海地形特征影响，雾天气时能见度的空间分布基本上从西到东呈低—高—低—高的波列状变化分布;而霾天气时能见度的空间分布，则没有明显的区域差异[20]。

　　2)气溶胶的水溶性离子污染特性

　　研究者[21]为掌握东北某市2013年10月20～31日发生雾霾期大气 PM2.5和 PM10中水溶性离子污染特征，采集了9 种水溶性离子( F-、 Cl-、 NO3-、 SO4 2-、 Na+、 NH4 +、 K+、 Mg2+和 Ca2+) 的质量浓度。

　　分析表明:各水溶性离子均表现为夜间质量浓度大于日间质量浓度，其在雾霾期 PM2.5中的昼、夜质量浓度比为 1.68;其中 NO3-、 SO42-、 NH4+等3 种离子质量浓度较高，雾霾期 PM2.5中质量分数分别为 11.03%、 8.3%和 7.39%，PM10中也有类似结果。K+ 和 Ca2+ 在 PM2.5 和PM10中，雾霾期和非雾霾期质量分数变化不大。根据各离子比值，可以判定雾霾期固定源对颗粒物污染的贡献更大，说明雾霾期城市气象因素对大气颗粒物污染影响较大。对比 2009年10、11月水溶性离子数据发现，移动源污染贡献在增加。

　　a. 检测

　　采用等离子发射光谱仪( ICP -AES)分析颗粒物样品 K+、 Ca2+、 Na+、 Mg2+ 4 种阳离子;离子色谱仪 ( IC ) 测定水溶性阴离子 F-、 Cl-、 SO4 2-、NO3-;纳氏试剂分光光度法测定 NH4 + 离子。

　　b.颗粒物质量浓度变化特征

　　测试期间，严重雾霾期和非雾霾期大气PM2.5和 PM10均表现为夜间质量浓度( 雾霾期和非雾霾期 PM2.5平均质量浓度为 844. 28 和180. 34 μg /m3 ) 大于日间质量浓度 ( 雾霾期和 非雾霾期PM2.5平均质量浓度为 562. 63 和118. 92 μg /m3)。

　　对比雾霾期和非雾霾期该值变化可知， 非雾霾期除在10月 30日夜间较大( 0.94) ， 其他日该值在 0.52～0.84变化，而雾霾期该值在 0.74 ～ 0.9变化，说明雾霾发生期间该城市大气细颗粒物污染较重。

　　c.水溶性离子污染变化特征

　　颗粒物中9种水溶性离子质量浓度变化，在严重雾霾期夜间与昼间比值 PM2.5中为 1.38～1. 74，PM10中为 1.17～1.79;严重雾霾发生前后，9 种离子在 PM2.5和 PM10中夜间与昼间比值范围分别为 1.26～2.48 和 1.16～1.45。

　　雾霾期与非雾霾期水溶性离子变化，颗粒物中 9种水溶性离子分布有明显的不同，其中Ca2+、 Na+、 Mg2+、 F-、 Cl- 离子质量分数无明显变化。这5 种离子大部分来自土壤、尘埃、 建筑尘和海水飞沫等污染源，说明这些离子对应的污染源来源较稳定。

　　3)气溶胶光学特性

　　为进一步了解北京地区大气气溶胶的特点及其区域环境 、气候效应，研究者[22]分析了雾霾天气期间气溶胶光学厚度 、 Angstrom 波长指数、 粒子尺度谱分布和单次散射反照率等气溶胶光学特性参数。

　　结果表明：

　　北京地区雾霾天气期间气溶胶光学厚度表现出较高值，且随波长增大而减小，440 nm 时平均气溶胶光学厚度达到 1.34。

　　Angstrom 波长指数在雾霾天气时也表现出较高值，平均值达到 1.11;其中高于 0.9 的波长指数出现频率达到 94% ，说明北京雾霾天气期间气溶胶粒子主要以细粒子为主。

　　气溶胶体积尺度谱分布表现出双峰型结构， 细模态的平均峰值半径随光学厚度增大而增大， 而粗模态的平均峰值半径却随光学厚度增大表现出减小趋势;气溶胶粒子尺度谱中的主模态峰与光学厚度有关。

　　雾霾天气期间平均单次散射反照率达到 0.89，且随光学厚度增大表现出依次增大趋势， 但对波长变化表现不敏感。

　　4)PM2.5测量案例

　　上海交大研究者[24]采用清华同方PM2.5数据测量仪分析上海空气质量。

　　采集时间：2014年4~6月(春末初夏)

　　测量仪器：清华同方PM2.5数据测量仪(性能：误差<3%，最小量程为 1ug/m³, 数据采用 30秒连续记录并取数学平均值)

　　PM2.5与温度和湿度关系见图14，说明随着温度的升高，空气中的微小颗粒受浮升力的作用而高度上升， PM2.5随之下降。

　　

 

　　图14 PM2.5与温度/湿度之间的关系

　　相关系数是描述两个测量值变量之间的离散程度的指标，判断两个测量值变量的变化是否相关。卡尔 • 皮尔森相关系数表达式为：

　　

 

　　r>0 表示正相关， r<0 表示负相关， |r| 表示了变量之间相关程度的高低。

　　PM2.5和温度湿度之间的皮尔森相关系数见表 12。

　　

 

　　3、雾霾的防治

　　(1)总体目标

　　构建国家层面的大气污染防治体系，突破污染源排放清单与综合减排、空气质量监测与来源解析、重污染预报预警和应急调控、区域空气质量管理等技术瓶颈。

　　在京津冀及周边、长三角、珠三角(含港澳)、“三区”，并逐步在其他城市群开展重点区域清洁空气科技工程，为《国务院大气污染防治十条措施》提供全面的科技支撑。

　　“清洁空气研究计划(CARP)”分2013~2015年、2016~2017年和2018~2020年三个阶段实施。

　　具体内容：

　　◆大气污染源国家法规排放清单及减排支撑技术研究

　　◆空气质量管理决策支持技术体系研究

　　◆大气污染防控监管技术体系研究

　　◆开展重点区域清洁空气科技工程

　　◆京津冀及周边地区PM2.5控制的重点源关键污染物减排技术与政策综合应用

　　◆长三角区域石化等重点行业控制策略与方法实施

　　◆珠三角(含港澳)区域PM2.5先行达标与VOCs总量控制的行动计划与实施

　　(2)技术路线与配套措施

　　在重点污染物(PM2.5、O3)治理中贯彻国家层面共性技术研究内容，实施典型区域清洁空气科技工程，包括来源识别、风险防控、质量改善、全程减排、预报预警和立体监控。

　　相应配套：平台建设、成套技术和管理创新。

　　建立大气颗粒物来源解析的技术方法体系。指导重点城市的来源解析，公布解析结果，为各地科学治污提供科学依据。

　　1)蓝天工程

　　2013~2015年重点行业开展PM2.5过程控制与减排。

　　a.燃煤机组

　　煤炭生命周期内的污染物深度处理。采取烟尘超低排放措施，如节能减排、提高电除尘器电

　　压;改进电除尘器振打方式，单侧改为双侧，降低4、5电场振打频次;采用WESP;采用化学团聚法等。

　　b.雾霾防治

　　加大污染源整治执法力度，监督各行各业节能减排，如交通运输动力装置上安装三元高效净化器以及采取有效的管理措施。

　　c.对大气PM2.5浓度实施自动检测、监控。采用人工降雨等有效措施，降低其浓度。

　　2)政策措施

　　环保政策、污染物排放标准和制约污染排放的奖惩激励机制是整治环境的强大推手。

　　a.政策研究与实施

　　2008年，就中国煤炭消费总量控制，对中国环境宏观战略进行研究。

　　2011年8月，《“十二五”节能减排综合性工作方案》中首次从国家层面提出，合理控制能源消费总量、大气联防联控、重点地域开展煤炭消费总量控制的试点。

　　2013年9月，《大气污染防治行动计划》中要求，2017年全国煤炭消费总量比例降到65%以下(42亿吨)。

　　2014年，《能源发展战略行动计划》提出，到2020年煤炭占比62%，京津冀鲁煤炭削减1亿吨。在改变煤炭利用结构方面，控制重点区域煤炭消费、减量替代，提高电煤比重60%以上，实施增气、减煤、气化工程和利用电厂集中供热，如蒸汽轮机打孔、抽汽或高背压式改造、供热半径40~50Km等措施以替代散煤。

　　b.环保电价

　　基本形成较为完成的环保电价体系，有利于能源消费革命。

　　脱硫电价1.5分/kwh;脱硝电价1分/kwh;除尘电价0.2分/kwh。

　　c.改变地区能源结构管理

　　对于能源就地平衡的管理模式，使区域煤炭运力紧张，导致近十年铁路新增运力74%。华东煤炭调入地区的输煤、输电比例为48:1。在国家规划下铁路建设提前完成，持续向“三区”增加煤炭，煤炭消费总量持续增加，以至于大气污染物排放量超过全国平均水平的4倍，如江苏前9个月的PM2.5上升了6.2%;而输煤输电并举的战略尚未落实。到2015年底，向京津冀地区新增送电200万千瓦，到2017年新增4100万千瓦，其他“两区”分别增加2200、500万千瓦。

　　d.提高接受区外来电比例

　　在资源环境可承载的前提下推进煤炭基地电力外送能力的建设，由各地区研究提出煤炭减量目标，逐级分解，包括减煤、节煤措施和调整能源供应结构(再生能源、煤改气等)，如京津冀地区可减煤8300万吨，以达到能源消耗与环境保护的新的平衡。

　　e.有序推进煤改气工程

　　建立保障天然气稳定供应的长效机制。第一个“2000亿”主要用于居民、工业和发电;第二个“2000亿”用于替代量大而面广的中小燃煤设施的煤炭耗量。希望到2017年基本完成燃煤锅炉、工业炉窑、自备燃煤电站的煤改气任务。这样到2020年新增气40%，需求1120亿立方米。如北京地区周边八个市的污染排放是北京外来大气污染的最主要传送通道。新增“煤改气”可替代燃煤锅炉1.8万台、自备电站和小型热电站30台、炉窑200座、城中村1000个以上，减少用煤3000万吨，预计削减污染物排放占趋于的20%左右。

　　值得注意：煤改气工程适合相对集中的工业区，以经济代价为准绳;对于幅员辽阔地区的燃煤机组宜进行污染物低排放的改造，达标排放，不宜一刀切。

　　f.煤电节能减排升级与改造目标

　　◆对于新建燃煤机组，东部地区基本上达到燃气轮机组排放限值(基准氧含量6%，烟尘、SO2、

　　NO2分别为10、35、50mg/Nm3);中部地区原则上达到，西部地区鼓励达到。

　　◆对于现役燃煤机组，要求东部30万kW及以上机组、10万kW及以上自备机组改造后基本达

　　到燃气轮机组排放限值。截止到今年4月，全国已完成超低排放改造机组2921万kW，占煤

　　电3.5%;到年底，要求改造1.2亿，占16%;2017年计划完成改造2.6亿，占煤电30%。

　　◆燃煤锅炉综合整治。加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设，到2017年，除必

　　要保留外，地级及以上城市建成区基本淘汰10t/h及以下燃煤锅炉;禁止新建20t以下锅

　　炉。对于供热锅炉，通过集中建设热电联产机组，逐步淘汰分散燃煤机组。

　　(3)建立或完善相关法律制度

　　大面积雾霾现象暴露出我国现有污染治理政策、雾霾防治的相关法律制度以及具体实施存在诸多问题，主要表现在立法理念滞后、政府责任缺失、PM2.5法律规制空白、总量控制力度、机动车尾气监管等[23]。

　　在大气污染防治领域以新颁的《中华人民共和国环境保护法》为指导，建立排污权有偿使用

　　与交易制度。其核心是将全民共同拥有的环境作为资源进行管理，改变排污单位无偿使用为有偿使用，2017年将完成有偿取得的排污权作为无形资产交易的试点工作。

　　(4)提高全民环保素质

　　加强对 《中华人民共和国环境保护法》的宣讲，加强社区居民对生态环保与人类福祉的宣传，做到人人有责，在执行新环保法的过程中不断提高自身的环保素质。

　　4、结束语

　　通过上述分析，可见PM2.5是形成雾霾的主因。根据各地域不同的雾霾特征，查明细颗粒源谱，运用市场经济的杠杆，强化政策执行力，提高国民生态环保素质，认真开展各行业的节能减排，迅速发展生产，实现全面整治大气污染的目标。