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1、灰霾天气的形成与演化 17 灰霾天气的形成与演化 The Formation and Evolution of Haze Weather 1. 目前对灰霾天气的认识 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， 由气溶胶造成的能见度恶化事件越来越多， 这些人类活动排放的污染物，包括直接排放的气溶胶和气态污染物通过化学转化与光化学转化形成的细粒子二次气溶胶， 可致使能见度恶化形成灰霾。也有人将其称为烟尘雾、烟雾、干雾、烟霞、气溶胶云、大气棕色云1-3。非常简洁的描述灰霾天气，就是“气溶胶粒子在高湿度条件下引发的低能见度事件” 。形成灰霾天气的气溶胶组成非常复杂。近年来由于灰霾
2、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， 广泛地引起了科学界、政府部门和社会公众的关注，成为热门话题。 广义来讲， 灰霾天气的本质是细粒子气溶胶污染4, 5，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， 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
3、和硝酸微滴。排除降水粒子（雨滴、冰雹、霰、米雪、冰粒和雪晶）后，其中在近地面层气溶胶中的水滴和冰晶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6。 2. 灰霾定义与判别标准的争议 科学界普遍认为形成雾(轻雾)必须有核化过程发生，这需要过饱和环境，活化粒子是环境过饱和比超过其临界过饱和比，或者粒子直径超过临界直径的粒子。凝结核可能的过饱和核化湿度大致介于 95%100%， 但实际的气象观测中都将界定霾与雾(轻雾)的相对湿度定的非常低，有低至 55%的台站，高者也仅仅 85%，显然明显偏低，如何得到一个合理的标准，还需要进行大量的在高湿度背景下的实际高精度观测和理论研究工作，而后
4、在现有认识水平下提出相应的识别建议。 Bret 和 Doyle 在讨论美国和英国灰霾影响能见度的长期变化趋势研究中，明确指出原始的能见度观测资料需要去除降水等视程障碍并进行相对湿度订正才能确保 18 10000 个科学难题地学卷 高质量，这样可将轻雾中误判的灰霾分离出来,也可将灰霾中误记的轻雾分离出去7, 8。结合世界气象组织等规范初步给出识别灰霾的概念模型(图 3)。 关于灰霾定义与判别标准的争议还在继续，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器测
5、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。目前，已经看到可喜的进展，初步结果相对湿度远高于 95%，而接近100%。 3. 灰霾与光化学烟雾的关系，有直接观测证据吗？ 在城市区域的气溶胶中，巨粒子与次微米粒子数量常相差 106倍，而能见度恶化主要由细粒子贡献， 细粒子与气粒转化相关联， 而假想气粒转化的快速过程就是机动车尾气等排放的光化学烟雾气态前体物(氮氧化物、一氧化碳、挥发性有机化图 1 2003 年 11 月 2 日上午广州有灰霾时的照片(远景是白云山) 图 2 2003 年 11 月 3 日上午广州无灰霾时的照片(远景是白云
6、山) 图 3 霾与雾区分的概念模型 灰霾天气的形成与演化 19 合物)通过紫外线驱动光化学过程，最终形成有机硝酸盐等细粒子。还有一个实际问题需要研究， 即现行空气质量评价体系是质量浓度体系， 不能评价众多细粒子污染形成的灰霾天气。 对光化学烟雾的认识远不清晰， 尤其是对光化学烟雾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，较之光化学烟雾标识物臭氧，都非常贫乏； 至于光化学烟雾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也颇多。 4. 灰霾与气象条件的关系，到底源排放是主要的？还是气象条件是
7、主要的？ 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9。 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， 较之气溶胶物理化学特征的研究而言，知之甚少。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
8、疑。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。 5. 灰霾对人体健康有影响吗？ 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、DNA 伤害、肺癌。虽然生物学机制尚未完全清楚， 但是统计表明灰霾在相当大程度上提高了呼吸道发病率和心肺疾病死亡率。 有证据表明，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。 统计结果有力
9、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10。但要明确、清晰地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20 10000 个科学难题地学卷 及黑碳组份的贡献，这还需要很长的路要走。 参 考 文 献 1 Ramanathan V, Crutzen P J, Mi
10、tra A P, et al. The Indian Ocean experiment and the Asian brown cloud , Science, 2002,83(8): 947955. 2 Wu D, Tie X X, Li C C, et al. An extremely low visibility event over the Guangzhou region: a case study. Atmospheric Environment, 2005, 39 (35): 65686577. 3 Wu D, Bi X Y, Deng X J, et al. Effect of
11、 atmospheric haze on the deterioration of visibility over the Pearl River Delta. Acta Meteorologica Sinica, 2007, 21(2): 215223. 4 Wu D, Tie X X, Deng X J. Chemical characterizations of soluble aerosols in Southern China, Chemosphere, 2006, 64(5): 749757. 5 Wu D, Mao J T, Deng X J, et al. Black carb
12、on aerosols and their radiative properties in the Pearl River Delta region. Sci China (Series D), 2009, 52(8): 11521163. 6 吴兑, 吴晓京, 朱小祥. 雾和霾. 北京: 气象出版社, 2009. 7 Schichtel B A, Husar R B, Falke S R, et al. Haze trends over the United States, 19801995. Atmospheric Environment, 2001, 35(30): 52055210.
13、8 Martin D, Dorling S. Visibility trends in the UK 19501997. Atmospheric Environment, 2002, 36(19): 31613172. 9 吴兑, 毕雪岩, 邓雪娇等, 珠江三角洲气溶胶云造成严重灰霾天气. 自然灾害学报, 2006, 15 (6): 7783. 10 Tie X X, Wu D, Brasseur G. Lung cancer mortality and exposure to atmospheric aerosol particles in Guangzhou, China. Atmospheric Environment, 2009, 43(14): 23752377. 撰稿人：吴 兑 中国气象局广州热带海洋气象研究所
