霧霾時空分布特征及形成原因文獻綜述穆迪

1、.霧霾時空分布特征及形成原因文獻綜述1.霧霾污染的相關概念和理論（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， 在環(huán)境領域被稱為顆粒物， 在大氣科學領域被稱為大氣溶膠粒子。按氣象學定義， 霧是水汽凝結的產物，主要由水汽組成；按中華人民共和國氣象行業(yè)標準霾的觀測和預報等級的定義，霾則由包含PM 2.5 在內的大量顆粒物飄浮在空氣中形成。通常將相對

2、濕度大于 90%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雜，既有人為原因， 也有大氣原因。 人類活動中工業(yè)生產和居民生活使得污染物大量排放，為霧霾形成提供了物質基礎，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。根據中國科學院最新調查發(fā)現，中國大陸霧霾污染源主要是燃煤、工業(yè)生產、汽車尾氣、生物質燃燒以及揚塵沙塵。其中PM2.5 是主要污染物，其污染源所占比重如圖1-1所示。由于人類生產生活產生的排放物形

3、成的一次顆粒物通過地面的界面反應，形成二次無機顆粒； 同時其他廢氣通過大氣輸送和化學反應，形成二次有機顆粒物， 這樣就形成霧霾的物質基礎。 氣溶膠與濕潤的空氣在大氣條件出現水平方向連續(xù)靜風和垂直方向逆溫時，就產生霧霾，而霧霾的水汽遇冷凝結成霧或輕霧。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，包括對國民經濟運行、居民生產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， 可吸入顆粒物質均勻浮游在于空中， 顆粒物質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)生產和農業(yè)生產。可吸入顆粒物， 尤其是可入肺顆

4、粒物通過進入人體循環(huán)系統(tǒng)， 造成呼吸道炎癥、肺炎等病癥，加重了人們對于霧霾污染的恐懼感，嚴重影響人們的身心健康。1.3.2 霧霾天氣發(fā)生后，嚴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? 輕霧濕霾霧濕

5、霾輕霧 ?霾，霧前濕霾階段持續(xù)時間長于霧后。 尺度 >2m 以霧滴為主的粗粒子數濃度、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 m、 13m 及21.5m 處分別存在峰值， 對霧水體積和液水含量的貢獻最大的尺度范圍為1030m，而輕霧、濕霾和霾階段粗粒子譜均為單峰型。尺度>0.010 m 的細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，霧和濕霾階段數濃度占優(yōu)勢的尺度范圍分別為0.040.13 m 和 0.020.14 m，輕霧及霾階段數濃度優(yōu)勢粒子尺度范圍均為0.020.06 m。 4 個階段數濃度最大差

6、異出現在0.0200.060 m 范圍，從高到低依次為輕霧、霾、濕霾、霧。<0.015 m、0.0150.080 m 和 >0.080 m 的氣溶膠粒子最高數濃度分別出現在霾、輕霧和霧階段。從霾、輕霧、濕霾到霧的轉換過程中，以0.0600.090 m為界，小粒子減少，大粒子增多。霧霾演變過程中，細粒子的數濃度與平均直徑整體上呈顯著負相關關系?？倲禎舛仍谳p霧階段最高、霧階段最低、 霾和濕霾階段相當。總表面積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，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

7、斷的提高，很多人都擁有了自己的車輛，這樣就導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了燃料燃燒不充分的情況， 加快了空氣污染的速度。而且汽車在經過十字路口的時候，都不會熄火，這樣就不能夠讓車里的燃料與空氣進行充分的接觸，這也是為什么城市汽車總是會產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)不斷的進步，也加快了經濟的發(fā)展，但是隨之而來的是因為重工業(yè)的發(fā)展產生的廢氣影響了周邊環(huán)境的空氣質量，尤其是鋼鐵廠和水泥廠等。眾所周知， 重工業(yè)廠在運轉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生的不僅

8、是二氧化碳，還有更多的粉塵以及細小的顆粒，這些細小的粉塵顆粒能夠隨著空氣流動進入到人們的身體里面，讓人們受到健康的困擾（3）氣象原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生反應后形成另一種污染物，正如此流程，便形成了霧

9、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于環(huán)境質量的約束和標準，但是地方政府卻沒有針對自身的情況進行下方安排，導致出現嚴重的霧霾情況。就是因為很多環(huán)境保護法都是形'.同虛設的， 所以到對當地企業(yè)和生活沒有太多的影響或是震懾的作用。這樣的情況也表現了政府在此方面沒有做出過多的要求， 更加沒有對相應的企業(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 均嚴重超標，其中 PM2.5 平均超標 2.34 倍，以石家莊市污染最嚴重 ; PM2.5

10、/ 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明顯。2) 霧霾形成 #發(fā)展表現出顯著的區(qū)域性特點，北京、天津、石家莊三市變化趨勢基本相同，濟南與鄭州、 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致污染物擴散困難，以及霧霾相互轉化形成惡性循環(huán)，加上長期無降水降雪及大風天氣，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，濟南、太原、西安等市大氣污染表現出顯著的復合污染特征。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

11、霾化嚴重，才引起政府部門和一些學者對 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和氣象條件的相關關系。劉輝等在分析北京市PM2.5 及其水溶性離子在200 年前后的變化特點時通過采集部分地區(qū)作為觀測點，得出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粒子質量濃度具有垂直分布的特點。吳志萍等通過研究校園內多種城市綠地空氣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

12、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)氣象溶膠細粒子PM2.5 ，并首次用碳分析儀進行了有機碳和元素碳的測定，得出在冬季時太原市PM2.5 、有機碳和元素碳濃度顯著高于其它季節(jié)，即知太原市冬季污染嚴重。在該文最后還得出，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、風速、氣溫等。周麗運用統(tǒng)計分析和氣象統(tǒng)計預報的方法，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)計相關擬合模型。隨著技術的不斷發(fā)展，包括一些檢測手段的進步，對于 PM2.5觀測特征以及成

13、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，初步探討了碳氣溶膠的來源。結果表明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蒙古阿拉善盟兩地PM2.5 和PM10 質量濃度變化情況，得出在污染物Pb、 As 容易在PM2.5 中聚集，并且得出可能主要來源于人類， 與其它的自然影響因素無關。張永等研究家庭居室空氣中PM2

14、.5 濃度及其影響因素，得出 PM2.5和 PM10 具有較強的統(tǒng)計學相關性。程鴻等調查住宅內空氣污染狀況，通過研究室內室外活動對PM2.5濃度的變化影響，制定出室內空氣質量標準。田芳等通過在天津市塘沽區(qū)布設 3個采樣點，共采集12個 PM2.5 樣品，測定其中16 種優(yōu)控PAHs 的含量，研究細微顆粒物PM2.5 中 PAHs 的分布特征及來源，通過研究得出，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。何宗健等調查夏季南昌市大氣顆粒物PM10 、PM2.5的污染水平，

15、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。得出南昌市污染嚴重，且交通干線遠遠大于工業(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)則遠大于遠郊區(qū)。王娟等 （利用氣相色譜質譜技術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PM2.5 、 PM10 顆粒物中正構烷烴組分，通過與中國其他大中型城市對比發(fā)現， 中國多地區(qū)PM2.5 、PM10 顆粒物中正構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、的污染狀況得出，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

16、和有機氮等多種形式存在。劉章現等調查平頂山市大中型商場室內空氣可吸入顆粒物( PM10) 和細顆粒物 ( PM2.5)的污染情況得出，商場內空氣中顆粒物污染嚴重。賴森潮等調查廣州市居民室內空氣中PM2.5的污染特征并探討其污染來源得出，室內污染源，室外污染源以及房屋條件等對室內的PM2.5濃度水平的影響較大。郝明途等用重量法測定了濟南市PM10 、PM2.5 的質量濃度， 結果顯示， 濟南市在冬季PM10和 PM2.5 污染嚴重。同樣的，黃鸝鳴等初步調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重，且研究得出對人體健康危害最大的主要是PM2.5 。吳國平等為了研

17、究中國四大城市空氣中PM2.5 和 PM10的污染水平，在這4 個城市分別設一個污染點和對照點進行了為期2a 的 PM2.5 、 PM10 和TSP 監(jiān)測，結果表明，空氣中顆粒物的污染是嚴重的，污染點比對照點更甚。對人體健康危害較大的PM2.5普遍超過美國新標準的2 8倍。在對 PM2.5 的研究過程中，利用數值模擬工作還是較少，直到費建芳等利用多尺度空氣質量模式系統(tǒng)對北京等多地區(qū)的一次大霧霾天氣下細小顆粒物的濃度進行數值模擬，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

18、、變化的機理的過程中，需要大力地開展數值計算模擬方面的工作，并在對數據進行建模的過程中需要更多地考慮進行多維的相關性分析， 比如傳遞函數模型或多輸入變量的協(xié)整模型等。而且在數據分析處理時應多利用相關的標準統(tǒng)計專業(yè)軟件如SAS、R 軟件等進行分析。 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，總體變化趨勢呈現出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 ) 濃度值達到最高值，霧霾最嚴重。進入春季( 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為從西北向東南逐漸增高，南北差異甚大，其中河