细说气溶胶

    影响“能见度”的雾和霾，与一种叫“气溶胶”的物质关系密切。“气溶胶”为什么会导致我们看到的空气既像雾又像霾？如何降低气溶胶对空气质量的影响？

    从2005年开始，中国气象局在全国范围启动PM10、PM2.5的业务观测，2010年又启动了地面气象观测自动化专项工作。试图通过能见度指标，及时数值预报“雾霾天气”。2011年，中国气象局率先推广使用“能见度自动观测技术”，并在江苏、广东等省开展能见度自动观测试点工作。目前，全国国家级台站已有200多套能见度仪投入业务使用。

    影响“能见度”的雾和霾，与一种叫“气溶胶”的物质关系密切。“气溶胶”为什么会导致我们看到的空气既像雾又像霾？如何降低气溶胶对空气质量的影响？

“干气溶胶粒子”导致霾的形成

    我们平时看不到的空气里面散布着许多“气溶胶粒子”。有的气溶胶粒子比较干，有的会吸水。在过去没有太多人为污染时，“干气溶胶粒子”也被称为“干尘粒”。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，产生云雾滴。

    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的现象。而雾，则是水汽比较重时，“干尘粒”吸水，最终结成云雾滴，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1～10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10公里时，可能既有干气溶胶的影响（即导致霾的产生），也可能有雾滴的影响（即导致轻雾）。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，我国区域性能见度低于10公里的空气普遍浑浊现象，会被称为“雾——霾”现象。

    因此，科学家发现，“气溶胶粒子”十分重要，没有干气溶胶粒子就无法形成霾，在实际的大气中没有气溶胶粒子参与也无法形成雾。在过去，当人类活动比较弱的时候，这些气溶胶粒子主要来自于自然过程，在大气当中被视为是一种‘背景气溶胶’，霾的问题并不突出。

    但是，随着人类活动的加剧，这一现象出现了显著的变化。通过多年对我国能见度与气溶胶关系的分析发现：我国近二三十年中东部区域霾问题日益严重，主要是由人类活动排放的大气气溶胶显著增加所致。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的介入，都已经不是一种完全的自然现象。

    “能见度”不仅有干气溶胶粒子的贡献，还有其“积极”参与的云雾滴的作用。所以，“能见度预报”，不是简单的空气质量预报，仅预报PM2.5是不够的，还需要预报出云雾滴对能见度的影响，以及对雾霾的形成机理作更深入的研究。

    在国家973项目持续支持及行业专项等支持下，中国气象局研发了“中国雾霾数值预报系统”，通过预报6类7种气溶胶组分及其对云雾的影响，进而预报霾和雾造成的能见度状态。该系统在2008年奥运会期间首次应用。经过几年的业务试用，2012年已正式被中央气象台采用，并在2012年秋冬季和今年1月的持续性雾——霾天气过程中，提供了有效的预报预警服务。

雾——霾的形成变化机制十分复杂

    雾——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变化机制十分复杂。

    雾——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。研究发现，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、美洲的城市和城郊区域。我国背景气溶胶（主要是矿物粉尘）浓度就与欧美城市所有气溶胶浓度相当。

    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——霾中矿物粉尘约占35%，硫酸盐、有机碳各占15%左右。同时，通过对我国、美国、西班牙三个本底站气溶胶光学厚度的比较，我国本底气溶胶浓度相对高。这说明我们在积极应对雾——霾天时，要对控制我国气溶胶污染难度有充分的估计。

    难以解决的是，不同成分的气溶胶会互相起作用，比如华北区域70%的气溶胶，会以“内混”方式混合。华北地区的矿物气溶胶含量较高，与两到三种酸性气体反应，在表面形成液膜，会抑制新粒子形成；但在气溶胶老化阶段又会促使更多的硫酸盐和硝酸盐形成，自身也更易吸湿增长，参与云雾的形成；这些矿物气溶胶的酸性界面，也更容易导致更多的“二次有机气溶胶”形成。在具备一定的气象条件下，一部分气溶胶粒子会活化为云雾的凝结核，形成轻雾和雾，使我国雾——霾问题更为复杂。

    雾——霾一旦形成，使到达地面的太阳辐射减少，大气层结稳定度增加，导致更多的气溶胶不断积聚和凝聚，刺激更多的雾霾生成，形成“恶性循环”。

如何控制大城市“气溶胶污染”

    基于“排放源清单”对上述各种化学组分来源的分析显示，北京PM1中，来自工业燃煤和生活燃煤的排放各贡献约18%和14%，机动车贡献了约23%，居民日常生活及其他活动占了约19%，它们是北京细气溶胶污染最重要的来源，包括煤炭燃烧、汽车和工业燃油排放，加油、装修和油漆涂料使用过程中的排放，还有大量来自燃烧天然气的贡献。生物质作为燃料燃烧和在露天燃烧也贡献了北京PM1的约4%，其他的工业活动贡献了约3%，还有约7%来自矿物粉尘粒子的贡献。

    所以，对我国燃煤、燃油、生物质燃烧，以及与居民生活密切相关的各种污染源控制的长期性和艰巨性应有充分的科学判断。和全国情况类似，北京的气溶胶污染源归根到底也为3类：一是化石燃料燃烧，二是生物质燃烧，三是与居民的各项活动有关的排放。对于燃煤源的削减，关键是调整能源结构，我国现今一次性能源消费的70%以上仍靠煤炭，对2050年的测算显示到时仍有50%的一次能源消费来自煤炭，调整能源结构需要政府抉择、任重道远。

    削减燃油排放，控制机动车的排放是关键，除了可削减其自身的排放物外，还可以极大地减弱大气氧化性，减少二次气溶胶粒子的形成。但我国机动车保有量仍在攀升，机动车使用确实为居民生活和经济发展带来诸多益处，大幅削减机动车需要综合的政策调整，因素错综复杂。控制机动车保有量大幅增长，提高油品质量，调高机动车排放标准，提高长时间商业运营车辆的“档次”减少其排放，加快淘汰老旧车辆、工程农业高排放车辆，不断发展公共交通，是当今可以采取的措施。

    控制与居民生活紧密相关的各种污染源排放，更是长期的挑战。机动车燃油排放以及燃煤排放中，生活和商用燃煤排放都与居民的活动息息相关，此外建筑用和居民用油漆、装修、汽车加油过程、城市垃圾处理和居民做饭等，都涉及居民的活动。我国北京、上海、广州这些拥有上千万人口的超大城市，以及伴随着城市化进程发展的中小城市居民活动持续增加，这些都将给污染控制带来巨大挑战。

    （作者为中国气象科学研究院研究员）

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北京的PM2.5

    北京的PM2.5，大多是直径小于1微米（也称为PM1）的粒子，其中有机碳气溶胶约占40%，硫酸盐气溶胶占16%，主要来自燃煤。第三大组分为硝酸盐气溶胶，约占13%，既有机动车燃油的贡献，也有燃煤的影响，来自城市居民活动和城郊农业等排放的氨气也很容易形成更多的硫酸盐和硝酸盐。

    还有占11%的元素碳（俗称黑碳），它与有机碳的来源基本一致。北京大气中还有大量矿物粉尘粒子，主要分布在2.5～40微米粒径之间，但对PM1也有约7%的贡献，它们多来自城市道路开挖、未覆盖道路、建筑工地、燃煤烟尘和城市外矿物粉尘的输入。