霧霾時空分布特征及形成原因文獻(xiàn)綜述穆迪

1、霧霾時空分布特征及形成原因文獻(xiàn)綜述1霧霾污染的相關(guān)概念和理論（1）霧霾的概念霧霾中的霧是近地面的云，霾是漂浮在空氣中的硫酸、灰塵等組成的氣溶膠。在一定光 照，溫度，濕度和動力因素霧和霾相結(jié)合就形成了霧霾。霧霾的主要成分是直徑不大于2.5微米的可入肺顆粒物，稱為PM2.5。首先PM是particulate matter ”的英文縮寫，是指可吸入顆粒物質(zhì)，在環(huán)境領(lǐng)域被稱為顆粒物，在大氣科學(xué)領(lǐng)域被稱為大氣溶膠粒子。按氣象學(xué)定義，霧是水汽凝結(jié)的產(chǎn)物，主要由水汽組成；按中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)霾的觀測 和預(yù)報等級的定義，霾則由包含PM 2.5在內(nèi)的大量顆粒物飄浮在空氣中形成。通常將相對濕度大于 90%

2、時的低能見度天氣稱之為霧，而濕度小于80%時稱之為霾，相對濕度介于80%90%之間時則是霾和霧的混合物共同形成的，稱之為霧霾。（2）霧霾污染的形成機制霧霾污染的形成機制非常復(fù)雜，既有人為原因，也有大氣原因。人類活動中工業(yè)生產(chǎn)和居民生活使得污染物大量排放，為霧霾形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，所以說“污染是元兇”；大氣運動包含水平運動和垂直運動兩種，在霧霾污染形成過程，空氣運動扮演“幫兇”的角色。 根據(jù)中國科學(xué)院最新調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中國大陸霧霾污染源主要是燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣、生物質(zhì)燃燒以及揚塵沙塵。其中PM2.5是主要污染物，其污染源所占比重如圖1-1所示。由于人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的排放物形成的一次顆粒物通過地

3、面的界面反應(yīng)，形成二次無機顆粒；同時其他廢氣通過大氣輸送和化學(xué)反應(yīng)，形成二次有機顆粒物， 這樣就形成霧霾的物質(zhì)基礎(chǔ)。氣溶膠與濕潤的空氣在大氣條件出現(xiàn)水平方向連續(xù)靜風(fēng)和垂直方向逆溫時，就產(chǎn)生霧霾，而霧霾的水汽遇冷凝結(jié)成霧或輕霧。圖1-1 PM2.5主要來源占比圖（3 ）霧霾污染的危害1-3-1霧霾的危害是多方面的，包括對國民經(jīng)濟(jì)運行、居民生產(chǎn)生活以及居民身心健康。霧霾天氣發(fā)生時，空氣濕度低于百分之六十，可吸入顆粒物質(zhì)均勻浮游在于空中，顆粒物質(zhì)對大氣具有一定的散射和吸收作用，使得空氣能見度降低，影響交通通訊，工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)?？晌腩w粒物，尤其是可入肺顆粒物通過進(jìn)入人體循環(huán)系統(tǒng)，造成呼吸道炎癥、

4、肺炎等病癥，加重了人們對于霧霾污染的恐懼感，嚴(yán)重影響人們的身心健康。1.3.2霧霾天氣發(fā)生后，嚴(yán)重的視程障礙威脅著城市道路、高速公路、航空港、海港、航道的安全。2013年1月北京霧霾事件中，曾發(fā)生多起交通事故，1月31日霧霾天氣加凍雨雙重影響，導(dǎo)致望京往太陽宮方向高架橋上發(fā)生100多輛車追尾事故。(4 )霧霾的分類及物理特征根據(jù)能見度和含水量將霧霾過程劃分為霧、輕霧、濕霾、霾4個不同階段。霧、濕霾階段的相對濕度平均為95%、91%，輕霧和霾階段平均相對濕度接近，均為79%。4個階段的主要發(fā)生順序為霾 ？輕霧t濕霾t霧t濕霾t輕霧 ？霾，霧前濕霾階段持續(xù)時間長于 霧后。尺度2卩m以霧滴為主的粗粒

5、子數(shù)濃度、表面積濃度和體積濃度在霧階段均顯著大于其他3個階段，其中霾階段濃度最低。霧滴表面積濃度和體積濃度譜在5卩m、13卩m及21.5卩m處分別存在峰值，對霧水體積和液水含量的貢獻(xiàn)最大的尺度范圍為1030卩m，而輕霧、濕霾和霾階段粗粒子譜均為單峰型。尺度0.010卩m的細(xì)粒子表面積濃度譜形在霧和濕霾階段、輕霧和霾階段分別相似，霧和濕霾階段數(shù)濃度占優(yōu)勢的尺度范圍分別為0.040.13卩m和0.020.14卩m，輕霧及霾階段數(shù)濃度優(yōu)勢粒子尺度范圍均為0.020.06卩m。4個階段數(shù)濃度最大差異出現(xiàn)在0.0200.060卩m范圍，從高到低依次為輕霧、霾、濕霾、霧。0.015卩m、0.0150.08

6、0卩m和0.080卩m的氣溶膠粒子最高數(shù)濃度分別出現(xiàn)在霾、 輕霧和霧階段。從霾、輕霧、濕霾到霧的轉(zhuǎn)換過程中，以0.0600.090卩m為界，小粒子減少，大粒子增多。霧霾演變過程中，細(xì)粒子的數(shù)濃度與平均直徑整體上呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系?？倲?shù)濃度在輕霧階段最高、霧階段最低、霾和濕霾階段相當(dāng)?？偙砻娣e和體積濃度最高為霧 和濕霾階段，輕霧和霾階段依次減小。霧和濕霾階段的氣溶膠粒子平均尺度相當(dāng)，輕霧與霾階段最小。2.霧霾天氣的成因分析(1) 城市汽車尾氣排放過多隨著人們的生活水平不斷的提高，很多人都擁有了自己的車輛，這樣就導(dǎo)致城市中輛越來越多，堵車的情況在每一個城市不斷的上演，而車子因為不能夠快速行駛出現(xiàn)了燃

7、料燃燒不充分的情況，加快了空氣污染的速度。而且汽車在經(jīng)過十字路口的時候，都不會熄火，這樣就不能夠讓車?yán)锏娜剂吓c空氣進(jìn)行充分的接觸，這也是為什么城市汽車總是會產(chǎn)生有毒尾氣污染空氣，這也是城市的大型十字路口的空氣質(zhì)量更低的原因(2) 重工業(yè)燃料增加我國的工業(yè)不斷的進(jìn)步，也加快了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 但是隨之而來的是因為重工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生的廢氣影響了周邊環(huán)境的空氣質(zhì)量，尤其是鋼鐵廠和水泥廠等。眾所周知，重工業(yè)廠在運轉(zhuǎn)的過程中需要利用煤炭作為原料，而煤炭在燃燒的過程中所產(chǎn)生的不僅是二氧化碳，還有更多的粉塵以及細(xì)小的顆粒，這些細(xì)小的粉塵顆粒能夠隨著空氣流動進(jìn)入到人們的身體里 面，讓人們受到健康的困擾(3 )氣象原

8、因霧霾天氣的形成也是飄忽不定的氣象所影響的，如果天氣一直保持一個溫度，那么不管天氣是冷還是熱，在地表的空氣流動趨勢相對平穩(wěn)的情況下，整體的空氣流動將不會呈現(xiàn)持續(xù)運動的狀態(tài)，一些家庭或者企業(yè)乃至重工業(yè)排放出的廢氣將在空氣中持續(xù)的飄浮，既不能順暢的流動，更不能盡快的消散。 倘若在此情況中空氣的濕度加大，那么這些所排放出來的懸浮將會與水融合在一起，從而使大量的懸浮顆粒逐漸的變成液體顆粒，而這些液體顆粒又會重新組合在一起產(chǎn)生反應(yīng)后形成另一種污染物，正如此流程，便形成了霧霾天氣(4)環(huán)境立法不足在環(huán)境立法方面，雖然我國有很多的關(guān)于環(huán)境質(zhì)量的約束和標(biāo)準(zhǔn)，但是地方政府卻沒有針對自身的情況進(jìn)行下方安排，導(dǎo)致出

9、現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾情況。就是因為很多環(huán)境保護(hù)法都是形同虛設(shè)的，所以到對當(dāng)?shù)仄髽I(yè)和生活沒有太多的影響或是震懾的作用。這樣的情況也表現(xiàn)了政府在此方面沒有做出過多的要求， 更加沒有對相應(yīng)的企業(yè)做出措施， 而且政府為了能夠讓 城市發(fā)展的更快，在招商引資的過程中，沒有對環(huán)境影響方面的進(jìn)行約束。3霧霾污染特征1）我國大范圍霧霾期間，8個重點城市PM2.5、PM10均嚴(yán)重超標(biāo)，其中 PM2.5平均超 標(biāo)2.34倍，以石家莊市污染最嚴(yán)重 ；PM2.5/ PM10比值平均為0.72，北京最高為0.98，交通 源污染對霧霾天氣貢獻(xiàn)明顯。2）霧霾形成#發(fā)展表現(xiàn)出顯著的區(qū)域性特點，北京、天津、石家莊三市變化趨勢基本相 同，

10、濟(jì)南與鄭州、太原與西安發(fā)展趨勢接近。區(qū)域氣候變化及污染物的遷移是形成霧霾區(qū)域 性的主要原因。3）夜間逆溫與霧的形成導(dǎo)致污染物擴散困難，以及霧霾相互轉(zhuǎn)化形成惡性循環(huán)，加上 長期無降水降雪及大風(fēng)天氣，是本次持續(xù)大范圍霧霾天氣的氣象成因。4）主成分及相關(guān)性分析表明，機動車尾氣污染是本次霧霾形成的重要原因，濟(jì)南、太 原、西安等市大氣污染表現(xiàn)出顯著的復(fù)合污染特征。4. 霧霾分析方法中國在PM2.5研究方面起步較晚，隨著近幾年的霧霾化嚴(yán)重，才引起政府部門和一些學(xué)者對PM2.5的研究工作的重視。在以前分析顆粒物主要是研究PM2.5和氣象條件的相關(guān)關(guān)系。劉輝等在分析北京市PM2.5及其水溶性離子在 200年前

11、后的變化特點時通過采集部分地區(qū)作為觀測點，得岀在排除污染源排放之外，影響PM2.5增加的最重要因素就是氣象條件，除此之外還會影響水溶性離子濃度。劉輝的一系列的研究表明氣流的區(qū)域性流動也會影響PM2.5污染嚴(yán)重性。樊文雁等在北京通過觀察分析，得知霧、霾、晴3種典型天氣狀況下大氣細(xì)粒子質(zhì)量濃度具有垂直分布的特點。吳志萍等通過研究校園內(nèi)多種城市綠地空氣PM2.5的月日變化規(guī)律，得知在不同天氣條件下不同綠地的PM2.5濃度也有極大差異。孟昭陽等持續(xù)觀測了2005年12月至2006年2月太原市區(qū)氣象溶膠細(xì)粒子PM2.5，并首次用碳分析儀進(jìn)行了有機碳和元素碳的測定，得岀在冬季時太原市PM2.5、有機碳和元

12、素碳濃度顯著高于其它季節(jié)，即知太原市冬季污染嚴(yán)重。在該文最后還得岀，各種氣象條件對PM2.5、有機碳和元素碳都有著較強的影響作用，特別是相對濕度、風(fēng)速、氣溫等。周麗運用統(tǒng)計分析和氣象統(tǒng)計預(yù)報的方法，利用 已知氣象觀測資料，綜合分析了影響大氣污染的因素，建立了氣溶膠PM2.5粒子濃度與氣體污染物、氣象要素場的兩類統(tǒng)計相關(guān)擬合模型。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，包括一些檢測手段的進(jìn)步， 對于PM2.5觀測特征以及成分和來源分析研究越來越多。陶俊等于2009年4月19 日至5月17日在成都城區(qū)每天采集PM2.5樣品，然后對樣品進(jìn)行8種碳組分、水溶性有機碳、左旋葡聚糖及水溶性離子分析，初步探討了碳?xì)馊苣z的來源。

13、結(jié)果表明EC2 EC3主要來源機動車排放，EC1主要來源于煤炭排放。木拉提等則在沙塵暴期間探討了北京地區(qū)沙塵中PM10、PM2.5所含化學(xué)元素含量變化的規(guī)律和特點。王巍等研究分析了北京和內(nèi)蒙古阿拉善盟兩地PM2.5和PM10質(zhì)量濃度變化情況，得岀在污染物Pb、As容易在PM2.5中聚集，并且得岀可能主要來源于人類，與其它的自然影響因素?zé)o關(guān)。張永等研究家庭居室空氣中PM2.5濃度及其影響因素，得岀PM2.5和PM10具有較強的統(tǒng)計學(xué)相關(guān)性。程鴻等調(diào)查住宅內(nèi)空氣污染狀況，通過研究室內(nèi)室外活動對 PM2.5濃度的變化影響，制定岀室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。田芳等通過在天津市塘沽區(qū) 布設(shè)3個采樣點，共采集 12

14、個PM2.5樣品，測定其中16種優(yōu)控PAHs的含量，研究細(xì)微顆粒物PM2.5中PAHs的分布特征及來源，通過研究得岀，煤的燃燒、工業(yè)污染是PAHs污染物的主要來源，交通和燃煤是PAHs工業(yè)點來源的主要來源，而鄉(xiāng)村點則主要是煤的燃燒或者來源城市中心或工業(yè)點通過大氣流而來。何宗健等調(diào)查夏季南昌市大氣顆粒物PM10、PM2.5的污染水平，2007年7 8月在南昌市 5個典型城市功能區(qū)采集了80個樣品。得岀南昌市污染嚴(yán)重，且交通干線遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工業(yè)區(qū)，工業(yè)區(qū)大于商業(yè)混合區(qū)，商業(yè)混合區(qū)大于居住區(qū)，而居住區(qū)則遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)郊區(qū)。王娟等（利用氣相色譜一質(zhì)譜技術(shù)分析了秋季鄂爾多斯市居民區(qū)、工業(yè)區(qū)和清潔區(qū)5個采樣點大氣

15、PM2.5、PM10顆粒物中正構(gòu)烷烴組分，通過與中國其他大中型城市對 比發(fā)現(xiàn)，中國多地區(qū) PM2.5、PM10顆粒物中正構(gòu)烷烴主要來自于人為污染排放。劉剛等研究杭州市大氣 PM2.5中重金屬和碳、的污染狀況得岀，杭州市 PM2.5重要組成部分是碳，而主要 污染重金屬是 Zn、Pb、Cu、Mn ,氮、氫則主要是以無機氮和有機氮等多種形式存在。劉章現(xiàn)等 調(diào)查平頂山市大中型商場室內(nèi)空氣可吸入顆粒物（PM10）和細(xì)顆粒物（PM2.5）的污染情況得岀，商場內(nèi)空氣中顆粒物污染嚴(yán)重。賴森潮等調(diào)查廣州市居民室內(nèi)空氣中PM2.5的污染特征并探討其污染來源得岀，室內(nèi)污染源，室外污染源以及房屋條件等對室內(nèi)的PM2.

16、5濃度水平的影響較大。郝明途等用重量法測定了濟(jì)南市PM10、PM2.5的質(zhì)量濃度，結(jié)果顯示，濟(jì)南市在冬季 PM10和PM2.5污染嚴(yán)重。同樣的，黃鵬鳴等初步調(diào)查南京市空氣中顆粒物PM10、PM2.5的污染水平，得知在南京市污染最為嚴(yán)重，且研究得岀對人體健康危害最大的主要是PM2.5。吳國平等為了研究中國四大城市空氣中PM2.5和PM10的污染水平，在這 4個城市分別設(shè)一個污染點和對照點進(jìn)行了為期2a的PM2.5、PM10和TSP監(jiān)測，結(jié)果表明，空氣中顆粒物的污染是嚴(yán)重的，污染點比對照點更甚。對人體健康危害較大的PM2.5普遍超過美國新標(biāo)準(zhǔn)的2 8倍。在對PM2.5的研究過程中，利用數(shù)值模擬工作

17、還是較少，直到費建芳等利用多尺度空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)對北京等多地區(qū)的一次大霧霾天氣下細(xì)小顆粒物的濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了PM2.5演變過程和影響。要想改變這種落后的狀況首先要做的就是加強PM2.5的全面系統(tǒng)的監(jiān)測與公示，為開展 PM2.5研究工作提供資料保證。同時在探討污染物形成、變化的機理的過程中，需 要大力地開展數(shù)值計算模擬方面的工作，并在對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的過程中需要更多地考慮進(jìn)行多維的相關(guān)性分析，比如傳遞函數(shù)模型或多輸入變量的協(xié)整模型等。而且在數(shù)據(jù)分析處理時應(yīng)多利用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計專業(yè)軟件如SAS R軟件等進(jìn)行分析。 這些工作都需要大力開展并且必將成為以后研究的重點。5、PM2.5時空分布特征以

18、京津冀包括北京、天津、石家莊、邢臺、邯鄲、衡水、保定、滄州、廊坊、唐山、張家口、承德、秦皇島等 13個城市為例研究 2013年11月到2014年11月的霧霾時空分布（1）時間動態(tài)變化特征由京津冀2013年11月到2014年11月PM2.5濃度值變化情況可知，在時間序列上，總體變化趨勢呈現(xiàn)岀秋末至冬初驟然上升、春初驟然下降的特征。具體變化特征為：在11月至次年2月呈不斷攀升的趨勢，在冬季（12月至次年2月）濃度值達(dá)到最高值，霧霾最嚴(yán)重。進(jìn)入春季（3-5月）PM2.5濃度值呈下降趨勢，春末形成較穩(wěn)定的良好狀態(tài)。夏季PM2.5濃度值降至最低，秋末PM2.5濃度值驟然上升，之后再次進(jìn)入攀升期。PM2.5濃度值隨四季的天氣變化形成了一個 惡性循環(huán)。（2）空間分布特征京津冀PM2.5濃度值空間分布總體特征表現(xiàn)為從西北