近十年中国灰霾天气研究综述

2016-10-23 吴兑农业环境科学

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中国系统的进行灰霾天气研究已经10周年了,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,由气溶胶污染造成的能见度恶化事件越来越多,我国东部地区灰霾天气迅速增加。灰霾天气的本质是与光化学污染相关联细粒子气溶胶污染,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。本文主要依据中文文献讨论了中国近10年来对灰霾天气的认识过程,灰霾天气的研究进展,以及今后灰霾天气研究的重点方向。

小鱼

寄语：I am a slow walker, but I never walk backwards.

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1 呱呱坠地、诸多谬误

2002年12月中国气象科学研究院的青年科学家依据国外文献中的“Gray Haze”直译为“灰霾”,诞生了“灰霾”一词,而后他们邀请中国科学院地球环境研究所的张小曳研究员,并以马建中和张小曳为代表,于2002年12月15日在北京召开的“我国区域大气灰霾形成机制及其气候影响和预报预测研讨会”上的报告中提出灰霾概念。这个研讨会是应因国际环境外交斗争的需要,由中国气象局、中国科学院、国家计委、科技部和外交部联合主持召开的,在会上我国一些青年科学家提出了“灰霾”一词,以称呼由于人类活动增加导致的城市区域近地层大气的气溶胶污染导致能见度恶化现象。就此正式提出了“灰霾”概念。

在提出“灰霾”概念之前,我国学者在20世纪80年代已陆续开展了极富开拓性的大气气溶胶研究,早期较有代表性的工作(吕达仁等,1978;王明星等,1981;周明煜等,1981;杨绍晋等,1982;汪安璞等,1982;王庚辰等,1982;赵德山等,1983;毕木天等,1985;苏维翰等,1986;赵柏林等,1986;石志侠等,1986;徐立大等,1986;汤大钢等,1986;顾闻周等,1987;秦瑜等,1987;洪钟祥等,1987;毛节泰等,1988;邱金桓等,1988;黄世鸿等,1988;林秉乐等,1988;王纬等,1988;陈宗良等,1989;车凤翔等,1989;吴兑等,1990;1991;1993;1995a;1996) ,这些工作直接促成了气溶胶专业委员会的诞生具有重要的奠基作用,早期研究的带头人包括苏维翰、顾闻周、林秉乐、车凤翔、徐立大和王明星。这些早期研究为系统的区域灰霾研究奠定了坚实的基础。

2002年是非常重要的一年,发生了两件影响我国气溶胶研究的大事,并直接导致灰霾的系统性研究。5月20-22日的第183次香山科学会议以“可吸入颗粒物的形成机理和防治对策”为题专门讨论了大气颗粒物污染问题,魏复盛院士首先作了题为“空气细粒子(PM2.5) 的污染与危害”的主题综述报告,阐述了细颗粒的特性、细粒子的污染水平,以及对人体健康的危害,分析、展望了相关研究工作的现状与未来发展。徐旭常院士题为“燃烧过程中PM2.5的生成及环境影响”的综述报告指出,我国城市大气中大量的PM2.5直接或间接地来自于燃烧过程。唐孝炎院士在题为“城市大气可吸入粒子的环境行为和影响”的评述报告中,重点从颗粒物的“质量-粒径-组分”方面以及其环境影响的“城市-区域-全球”角度论述了积极开展研究工作的重要性和在这两个方面可能的工作方向。

2002年12月15日在北京召开了“我国区域大气灰霾形成机制及其气候影响和预报预测研讨会”,会议首先由外交部、国家计委、科技部、中国气象局和中国科学院的领导就我国面临的国际环境谈判压力和挑战,人民健康所面临的威胁、国际形势、和IPCC关注的热点和焦点问题做了介绍。所传达出的明确信息就是: 世界各国均为了本国政治、经济和国家发展、安全的利益,对气候变化问题以及国际谈判、特别是关键气溶胶组分对气候的影响给予高度重视。中国非常需要自主研究成果以更有力地应对国际间的挑战,保证我国建设小康社会的宏伟战略目标的实现。会议就我国主要由于各种人为和自然过程导致的大气气溶胶粒子增多而日益频发的大气混浊、能见度小于10公里的现象,即“大气灰霾”问题展开了研讨。会议还认识到当前有关灰霾关键组分对气候影响评价的不确定性很大。需要尽快建立有中国自主知识产权的灰霾天气及其重要组分的监测、预测、预报系统。

我国区域灰霾的系统研究高潮呼之欲出。

最早提及“灰霾”的中文论文是发表于2003年的两篇论文,明确提出立项开展“珠江三角洲城市群区域大气灰霾形成机制及其预测预报、控制方法研究”课题研究,并进行灰霾预测预报预警系统建设,其后在正式发表中文刊物上灰霾文献逐渐增多,从2004-2005年的每年数篇增加到2006-2007年的十余篇,2008-2009年达到每年二十余篇, 2010年达到34篇。这仅仅是文题中明确有“灰霾”的,其他涉及灰霾的论文,据不完全统计,10年间关键词有“灰霾”的论文102 篇,文题有“灰霾”的论文135篇,摘要有“灰霾”的论文219篇,主题是“灰霾”的论文241篇,全文谈及“灰霾”的论文达到1435篇之众。研究内容也从早期的灰霾定义、识别方法、气候特征,发展到近年的细粒子污染本质、粒子谱、离子成分、有机成分、碳成分、单颗粒物理化学特征、光学性质、遥感研究、有机气溶胶毒理学等等多学科交叉内容。

必须指出,在早期的灰霾研究中,由于科学认识有一个过程,不免出现一些不足和谬误,对研究产生了一定误导,因而需要加以澄清。比较典型的有如下3 篇文献。

2004年发表的“广州城市灰霾的出现及其警示”一文中提到雾与霾的区分“通常可用空气湿度大小作为区分霾与雾的简易而重要的判别因子。一般而言,出现霾时空气的相对湿度小于70%,出现雾时相对湿度大于60%。”这种说法没有任何气象部门法律法规、行业规范、标准作为依据,历史上各级气象部门也从来不存在以相对湿度70%界定轻雾与霾的补充规定,因而对于灰霾研究初期有较大误导。在不同历史时期,WMO和其它国家气象机构曾经给出过区别霾与轻雾的建议,其中也有使用相对湿度作为辅助判据的,英国天气局在1994年规定出现霾时相对湿度＜95%,而对于轻雾,WMO 1984年的规范中,建议高的相对湿度,在1996年的规范中又建议相对湿度通常比100%低,在2001、2005、2008年的规范中建议相对湿度＞95%; 英国天气局分别在1982、1991、1994年规定出现轻雾时相对湿度＜100%但≥95%; 造成这些差异的原因,主要是长期以来对组成霾的气溶胶粒子的认识需要相关知识积累的过程,随着近年来对气溶胶物理化学性质的深入了解,这个问题逐步达成了共识。2010年出台的国家行业标准“QX/T 113-2010,霾的观测和预报等级”规范了这一限值。

《气象》于2004年发表“广州灰霾天气的气候特征分析”一文,文中使用的资料直接使用天气现象记录缺乏系统订正,以后陆续又有类似论文发表,如《地理学报》于2008年发表的“1961-2005 年中国霾日气候特征及变化分析”一文,对灰霾研究形成了误导。对于使用长期气候资料进行霾日的统计,需要有统一的定量标准,不能直接使用天气现象记录,使用地面观测的天气现象资料分析霾日非常不客观,因为在中国气象系统的台站观测业务中,区分霾的判据,1952年以来长期没有统一的辅助判别标准,缺乏可比性,南方往往使用相对湿度辅助判别,而相对湿度又定得太低。需要说明的是,在历史上各种版本的地面观测规范等技术文件中,对霾的界定一直是非常清晰的,从来没有给出过相对湿度阈值作为辅助标准。各省各站传承的所谓标准,均没有任何法定的依据,出自20世纪50年代初期以来历代观测员的口授,各地(不同观测员)识别霾太任意,所以各省各站非常混乱,甚至在同一观测站,不同观测员也不一致。直接使用这些天气现象资料进行的分析科学性不高,因而需要使用能见度、天气现象、相对湿度来综合判断,而且要将其他视程障碍现象剔除,就是说要自己处理资料,不能直接使用报表的霾日资料。

《环境与可持续发展》于2007 年发表“中国灰霾历史渊源和现状分析”一文,文中对霾的字意有重大谬误,文中称“至于‘霾’的意思,从构词法看来,古人当把下雨时,大风扬尘、往往伴随着似乎是某种动物声音的现象称为霾。”这是典型的望字生意! 首先,降雨是湿过程,而霾是干过程,两者发生的环境背景完全相反。这里主要的错误是对古汉语“雨”字的理解和雨字头下面狸字的异体字“貍”字的猜测臆想。“霾”字最早出现在甲骨文中,在三千多年前的《诗经·邶风·终风》里有“终风且暴”、“终风且霾”、“终风且曀”的诗句,这里即是说大风吹起了尘土。“霾”字的古义就是尘,古籍《尔雅释天》对霾的解释是“风而雨土曰霾”; 《说文》对霾的解释是“风雨土也”; 《毛传》对霾的解释是“霾,雨土也”; 《竹书纪年》也载有“帝辛五年雨土于亳”的记录。这里的“雨”字是动词,表示“落”、“降”、“下”的意思,“雨土”就是“降尘”,所以用现代汉语来解释,大致是“刮风落土就是霾”。因而,古人的“霾”泛指了今天的“扬沙”、“尘卷风”、“沙尘暴”、“浮尘”等天气现象,当时在中原的陕西、山西、河南、河北这些现象并不少见,而这些现象都是现代天气现象“霾”的前身。至于狸字的异体字“貍”字有两个读音,作为一种动物,读li (音离) 。而读mai(音埋) 时,貍沈(音埋沉) 一词指古人祭祀山林川泽,貍指祭祀山林,即将祭品埋入土中,因而与土关系密切,霾字上下分开就是“落土、降土、下土”之意,可见祖先造字之严谨和玄妙!

2 区域灰霾研究步入正轨

中国率先系统研究区域灰霾天气的是珠三角城市群。随着快速空前的工业化进程,中国很多大城市面临着严重的区域大气污染引起的能见度下降问题。其中珠三角较有代表性,是国内气溶胶污染相当严重的区域。吴兑课题组从20世纪80年代开始华南气溶胶研究,对南海盐核源地的研究提出台风活动造成的盐核暴是海盐凝结核向大陆输送的有效机制 ; 在国内最早开展气溶胶质量谱与水溶性成分谱研究。早期依托华南环境气象特种观测系统建设契机,设计我国热带季风区陆海气边界层相互作用综合观测系统。在国内首次建立气溶胶综合观测基地,开展珠三角城市群陆气相互作用与大气灰霾科学试验,引起国内外同行广泛关注。2003年开始设计建设珠三角城市群大气成分观测站网,2005年建成1个主站和8个子站,在国内首次建设区域(珠三角城市群)大气成分观测站网,研制监控平台,实现对数据的实时质量控制,并建立资料库与数据共享平台。接受客座研究人员共享数据进行开放式研究。综合利用地面监测、卫星遥感、激光雷达资料与物理/化学/辐射模式开展研究,研究灰霾形成与恶化的物理、化学成因; 发现PM1、二次气溶胶是决定能见度高低的关键因素; 揭示灰霾天气气象控制条件,提出风矢量和、垂直交换系数概念。研发并构建“珠三角大气灰霾预测预报预警系统”,实现业务化运行,为国内首次发布灰霾预警信号提供了技术支撑。并分析灰霾长期变化趋势,提出灰霾科学判别标准,制定灰霾观测和预报业务标准。

高浓度细粒子气溶胶导致的能见度降低及相关联的灰霾天气现象是珠三角城市群及周边区域亟待解决的主要大气环境问题。立足综合性科学试验,针对珠三角城市群能见度的变化特征、气溶胶的辐射特性与灰霾的细粒子污染本质进行系统研究,对加强城市群新型复合空气污染形成机制的认识,对治理、改善环境、提供政府决策依据、服务于区域社会经济可持续发展具有重要意义。同时气溶胶的气候效应研究和环境效应研究是当今国际科技界的热门研究课题,气溶胶的辐射特征也是评估气候变化的重要参数。珠三角大气成分观测站网及数据共享平台的建设可为我国大气科学和环境科学的发展提供野外观测平台,为气候预测、预估以及国家气候与环境外交谈判、区域大气污染控制等提供科学依据。为其它区域站网建设提供参考。灰霾天气判别标准的制定,对规范日常业务意义重大。灰霾预报系统及卫星反演区域气溶胶光学厚度系统,对防灾减灾有重要意义。也将为政府提供科学决策依据,回应国际上利用亚洲棕色云对中国的指责,提升珠三角在灰霾对区域环境与气候影响方面的主动权和发言权。同时为区域环境规划和总体环境治理方案提供基础科学事实,发挥重大的环境效益和生态效益。且预报系统具有较好的移植性,可移植到其它省、市调试运行,如长三角、京津冀地区,发挥更大作用。该系统已在广州亚运会和深圳大运会空气质量保障中发挥了重要作用。

关于灰霾本质就是细粒子污染,是新型复合空气污染的研究结果,为政府、公众、媒体正确认识灰霾提供了科学依据。自2003年首次使用灰霾概念后,由于政府、公众、媒体重视,成果的阶段性研究通过媒体经常性发布,使得珠三角社会及港澳公众从不知道灰霾,不认识“霾”字,怀疑灰霾是否空气污染,逐渐认识到灰霾就是空气污染,是新型复合空气污染,其本质是与光化学污染相关联的超细粒子污染。形成从政府、公众、媒体一致的加大力度治理灰霾的共识,并引起日本、美国、欧洲媒体的广泛关注,发挥了重大社会效益。

应浙江、江苏、上海、重庆、天津、河北、福建、深圳、苏州、杭州、宁波、南京、厦门、珠海、东莞、中山等省市气象、环保部门邀请,推介灰霾预测预报预警系统,目前深圳、苏州、杭州已经建成了以珠三角灰霾系统为范本的系统,江苏、南京正在建设‘灰霾’系统,这些系统为当地政府提供治理新型复合污染调控措施的决策依据。

长三角城市群的上海市现已建成包括9个大气成分观测站和1个大气化学实验室的大气成分观测站网,大气成分站按不同功能区域、下垫面特征进行布局,如金山站(石化工业区) 、宝山站(钢铁工业区) 、徐家汇(中心商业区) 、浦东(城区大型绿地生态和办公中心区) 、崇明东滩(远郊湿地生态区) 、崇明城桥(郊区) 、佘山天文台(大型自然生态区) 、小洋山(深水港区) 以及佘山岛(海洋本底区) ,共有各类在线监测仪器60多套,监测项目包括反应性气体(SO2,NOx,CO,VOC,O3,NH3) ,气溶胶(PM1,PM2.5,PM10,BC,散射系数,AOD) 以及臭氧和气溶胶的垂直分布等; 大气化学实验室具有气相色谱、分光光度计、色质联用仪以及精密天平等各类精密仪器30多台(套) ,能够分析大气中痕量挥发性有机物105种,在臭氧及其前体物、颗粒物观测、VOCs分析方面具有丰富的成果。周边地区苏州建成了2个站,杭州建成了4个站,南京正在建设类似系统,初步形成了区域灰霾观测网。

京津冀城市群是环渤海城市群的主体,北京有两个大气成分站点,其中上甸子站是区域背景站,是全球区域大气观测站点,宝莲站是位于海淀区的城市大气成分站,分别从2003和2004年开始测量。天津地处北方沿海地区,作为环渤海地区的经济中心,近年来经济社会快速发展,城市大气环境不容乐观,天津建立了1个大气成分站,地处天津市城区南部,配有AE-31黑碳仪、RP-1400a颗粒物分析仪、MODLE6000型前向散射能见度仪。

辽宁中部城市群是以沈阳为中心,包括鞍山、抚顺、本溪、辽阳、铁岭、营口6个城市的辽宁中部地区,人口密集,工业集中,对辽宁乃至东北的发展起着十分重要的作用,现已成为全国第4大城市群。然而,城市化的高速发展、人口增多、车辆增加和气候变迁等一系列原因使城市群的大气环境质量受到严重影响,辽宁中部城市群的大气能见度在20世纪60、70年代就存在过较低的记录,近20年又呈总体下降趋势。辽宁中部沈阳、鞍山、抚顺、本溪4个城市的大气成分站于2007 年8 月开始正式运行,目前站内设有德国GRIMM180 颗粒物监测仪、美国热电的反应性气体监测仪并已进行2年多的连续监测;2009年6月开始利用芬兰VAISALA FD12能见度仪、法国CE318太阳光度计和太阳辐射仪等进一步开展大气环境因子的连续在线观测。

在国家层面,中国气象局自2005年开始建立了“大气成分观测站网”,包括1个全球大气本底站、6个区域大气本底站和28个大气成分站共35个台站,重点监测全国重点区域的大气成分,其中包括大气气溶胶的多个指标。环境保护部自2008年开始,已经建设了3个大气背景站,在广东、江苏两省和上海、天津、重庆、广州、深圳、南京6个大城市进行“灰霾影响环境空气质量监测试点方案”建设,建成了16个灰霾监测站。

3 多学科多视角研究百花齐放

2005 年以来,灰霾天气研究从能见度恶化、气候特征、长期变化趋势研究,开始转向多学科多视角的深入研究,逐渐呈现了百花齐放的研究盛况。研究内容也从早期的灰霾定义、识别方法、气候特征,发展到近年的细粒子污染本质、粒子谱、离子成分、有机成分、碳成分、单颗粒物理化学特征、光学性质、遥感研究等等多学科交叉内容。

有比较多的研究者进行了各地灰霾天气污染特征与治理对策的研究,关于灰霾天气长期变化趋势的研究,中国大陆、珠三角、浙江省、辽宁中部、厦门(吴兑等,2006a; 2010; 范新强等,2009; 牛彧文等,2010; 刘宁微等,2010) 等的工作比较有代表性。也有关于灰霾天气评价指标以及判定标准、水平、垂直输送条件以及灰霾与颗粒物关系的研究结果。涉及灰霾天气的能见度与光学特性的研究工作主要集中在珠江三角洲、长三角和华北地区。灰霾粒子的谱分布和成分分析研究陆续开展。出现分别进行灰霾天气有机化学过程和有机组分的开创性研究,也见到灰霾的单粒子特征研究与气溶胶吸湿增长对消光影响的研究。除此之外,还出现了使用激光雷达、数值试验研究灰霾天气,以及灰霾天气与人体健康关联的研究。

广义来讲灰霾天气的本质是细粒子气溶胶污染,属于大气气溶胶的范畴,科学界的气溶胶定义是“气体介质中加入固态或液态粒子而形成的分散体系称为气溶胶”。但长期以来,到目前为止还没有一个统一的被大家接受的大气气溶胶分类和不同类型气溶胶的统一的命名系统。大气气溶胶的概念有物理特征和化学特征之分,气溶胶分类可以基于来源分类,如自然源(又可分为大陆源、海洋源和生物源)与人类活动排放源; 也可以按照产生方式分为机械粉碎、燃烧、气粒转化和凝并、碰并等; 按照组分可以分为无机成分(包括矿物粉尘(土壤尘、沙尘、火山灰) 、海盐、黑碳、硫酸盐、硝酸盐等)和有机成分(包括有机碳氢化合物、其他有机物(如优控苯并芘(PAHs) 、持久性有机污染(POPs)等) 和有生命的生物气溶胶如: 花粉、孢子、病毒、细菌和动植物蛋白碎屑等) 、按照谱分布可以分为巨粒子(如降水粒子、云雾粒子、沙尘) 、大粒子(如海盐、土壤尘、火山灰) 、细粒子(如源于光化学污染) 、超细粒子(如新粒子-气粒转化刚刚形成的分子团) 等; 按照辐射特性可以分为辐射吸收性粒子和散射性粒子等等多种分类法。而且气溶胶主要以混合物的形式存在,极少以单质的形式存在,除非是凝结核在不饱和大气中受寇拉曲线约束,不能越过过饱和驼峰而在次微米尺度震荡的硫酸微滴和硝酸微滴。排除降水粒子(雨滴、冰雹、霰、米雪、冰粒和雪晶) 后,其中气溶胶中的水滴和冰晶如果在近地面层就是气象学的雾和轻雾,气溶胶中的其他非水成物就是气象学所称的霾。

我国改革开放以来,在全球变化的大背景下,在城市群区域气溶胶污染日趋严重,能见度恶化事件越来越多,人类活动使得气溶胶细粒子污染日趋严重,灰霾现象迅速增加,组成霾的化学成分发生重大变化,使得灰霾现象主要由人类活动所造成,因而有着重要的环境意义和空气质量指示意义。霾原来是一种自然现象,大陆地区的霾主要与沙尘暴相关联,是沙尘暴过程发展后期的天气现象。另外一种特殊的霾是澳大利亚的蓝霾,起源于桉树排放的挥发性有机物形成的细粒子。而所谓灰霾,特指由于人类活动增加导致的城市区域近地层大气的气溶胶污染现象。自然现象霾每年出现的次数只有几天,而且强度不大,大多数能见度仅仅刚刚低于10km; 近年来由于人类活动大气气溶胶污染日趋严重,出现日数在大城市区域达到100～200d以上,强度也大大增加,能见度可以恶劣到1～2km,因而出现灰霾一词,指主要由人类活动造成的霾现象,灰霾天气的本质是细粒子气溶胶污染。

4 中国灰霾研究亟待解决的问题

国际上较早开始低能见度与灰霾天气的研究始于20世纪60年代,研究高潮以1977年美国大气清洁法案Clean Air Act(CAA)的颁布及美国IMPROVE观测网的建立为主要标志。为了保护公众健康,保证能见度不继续恶化,在法规和科学层面取得了一系列成果,相关文献回顾了美国现有的观测,建模,源排放方面的研究进展。IMPROVE建立于1988年,Malm介绍了IMPROVE观测网的主要成果,由于该网络同时观测了消光系数和气溶胶细粒子成分谱(PM2.5、离子成分、EOC、微量金属元素) ,因而给出了著名的IMPROVE公式,由成分谱反演消光系数,从而可以定量得出各成分的消光贡献。并且考虑了吸湿增长,十分具有前瞻性。结果表明美国大部分地区,硫酸盐对消光贡献最大,有机碳和沙尘粒子次之,黑碳最少。只有加利福尼亚南部,硝酸盐是消光最大贡献者。另外,早在1992年就出现了论述二次气溶胶生成和传输的论文,其后出现了碳气溶胶不同混合状态造成消光量变化的论文和气溶胶吸湿增长对散射影响的论文。我国与国际先进水平的差距至少达20年以上。

灰霾天气研究的难点颇多,主要是对气溶胶粒子,尤其是次微米粒子的吸湿增长、混合状态和核化特性都知道得还非常少。可能的解决途经依赖于气溶胶粒子的精确观测,其中两点是关键,一是找到能精确识别大气粒子是否是水滴的快速检测方法,这有赖于光学技术的发展; 二是精确测量核化点,即凝结核自相变湿度开始活化直到完全变成水滴的湿度阈值。

我国高频发生的城市灰霾天气现象主要是由于光化学污染所引起。光化学污染随着城市化进程的加快和经济规模的扩大而日趋严重。

在城市区域的气溶胶中,巨粒子与次微米粒子数量常常相差10⁶倍,而能见度的恶化主要与细粒子关系比较大,尤其是出现较重气溶胶污染导致低能见度事件时,细粒子的比重会更大。细粒子一般与气粒转化相关联,而气粒转化的快速过程就是机动车尾气等排放的光化学污染气态前体物(氮氧化物、一氧化碳、挥发性有机化合物) 通过紫外线驱动光化学过程,最终形成了有机硝酸盐等细粒子。

对光化学污染的认识远不清晰,尤其是对光化学污染前体物与产物的认识,无论从观测事实来看,还是从机理分析来看,较之光化学污染标识物臭氧,都非常贫乏; 至于光化学污染前体物的光解速率和产物的光化速率,以及气溶胶与光化学过程的相互影响,治理灰霾是否引发更严重的臭氧污染等问题,在当前的认知水平上疑问亦颇多。

形成灰霾天气,大气污染物的源排放是内因,气象条件是外因。城市大气污染使得灰霾可以频繁出现。

大气污染物源的排放占标率越高,灰霾天气出现频率越高。源排放达到最不利扩散气象条件的容量限值时,开始出现灰霾天气; 源排放达到一般扩散气象条件的容量限值时,灰霾天气频发; 源排放达到最有利扩散气象条件的容量上限时,天天都会出现灰霾天气。

我们知道,排入大气中的污染物主要来源于自然排放和人类活动的排放。而在一段时期内,其总是大致稳定的,但有时出现严重的灰霾天气,有时却又是蓝天白云,决定性的控制因素是气象条件。在不同气象条件下,同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍,这是由于大气对污染物的稀释扩散能力随着气象条件的不同而发生巨大变化的缘故。因此,研究气象因子对灰霾天气的影响,进而科学、有效地预测和动态调控污染物排放以治理灰霾天气,是十分重要和紧迫的研究课题。

国内外已有很多学者从天气形势、逆温层、混合层以及各种气象因子的角度对空气质量进行了大量的研究,对于灰霾天气与气象条件的关系,仍然缺乏系统的研究,较之气溶胶物理化学特征的研究而言,知之甚少。比如大气污染物的稀释扩散,到底是平流输送为主,还是垂直交换、湍流输送为主?仍然存疑。少数灰霾天气的研究表明,典型例子如处在台风外围,弱高压或者均压区控制,受下沉气流影响,形成气流停滞区,混合层被压低,地面风速很小,气溶胶不易扩散,从而导致能见度很低,易出现严重的灰霾天气。

还有一点非常重要,湿度增加对气溶胶消光系数的增加起到了推波助澜的作用,灰霾粒子吸湿后会使能见度更加恶化。而这个过程的细节还不清楚。尤其是不同尺度、不同成分的气溶胶粒子的消光贡献不同,是如何分配的; 它们在不同的湿度环境中的消光贡献又如何; 不同区域不同城市的差异等都是近期急需研究的内容。如果再考虑到不同混合状态的黑碳粒子的催化作用、复杂的气溶胶非均相反应更是前沿研究课题。

气溶胶细粒子成分与大气消光的研究十分重要,目前我国关于气溶胶成分,如硫酸盐、硝酸盐、黑碳、有机碳的网络化观测还很缺乏,急需加强。

复合污染大气条件下自由基化学与主要物种的收支及大气氧化能力,及新粒子生成的主要前体物及其生成机制、我国典型区域主要大气氧化剂的生成与去除过程、量化主要前体物对二次颗粒物形成的贡献,分析不同前体物对二次颗粒物组成的影响,解析二次颗粒物形成机制、大气颗粒物气-液-固界面转化反应机理等,都是非常基础又急待了解的内容。

灰霾天气中大量极细微的粒子,很大部分可通过呼吸道进入人体肺泡,造成对人群的伤害。卫星测量显示,中国人口密集地区大气气溶胶含量比欧洲、美国东部等地区高出约10倍。暴露在气溶胶浓度非常高的环境中可能导致严重的人类健康问题,包括呼吸道和心血管疾病以及肺癌。因而气溶胶的环境暴露和健康效应也是重点研究内容。

高浓度的气溶胶粒子会对人类的DNA造成氧化伤害,对人类健康造成严重后果。虽然生物学机制尚未完全清楚,但是统计表明空气污染在相当大的程度上提高了呼吸道发病率和心肺疾病死亡率。灰霾天气也和肺癌密切相关,例如从柴油发动机释放的粒子含有诱导有机体突变和致癌的物质。

分析广州1954—2005 年根据城市观测站大气能见度资料得到的气溶胶光学消光系数与肺癌死亡率的关系,发现灰霾天气增加后7～8年,肺癌死亡率明显增加,两者有非常好的7～8 年的时间滞后相关。最近的现场测量显示3 /4的光学厚度是由直径小于1μm的粒子引起的。细粒子比大粒子更容易沉积在肺部,因此被认为更容易引起肺癌。总而言之,统计结果有力地证明了在高污染大城市中,如华南的广州,灰霾天气增加和肺癌造成的死亡率之间的关系。

但要明确清晰的了解灰霾天气与人体健康之间的关系,需要在获得PM10、PM2.5、PM1、黑碳粒子人体暴露的时间序列调查资料基础上,分析城市居民日死亡率与PM10、PM2. 5、PM1、黑碳粒子日均浓度之间的相关性,通过比较不同粒径细粒子气溶胶及黑碳的急性暴露健康危害、暴露-反应关系的时空变化和健康效应差异,检验城市居民细粒子气溶胶急性暴露的健康危害及黑碳组份的贡献。这还需要很长的路要走。