我国灰霾天气的成因分析及研究进展综述_周刚
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根据中国气象局 《地面气象观测规范》 规定，霾指大量极 细微干尘粒，均匀浮游空中，使空气普遍混浊，水平能见度小 于 10 km 的现象，远处光亮物体微带黄色、红色，黑暗物体微 带蓝色。形成霾的天气条件一般是气团稳定、较干燥，在一天 中任何时候均可出现。
国家气象行业标准［1］规定 “霾是一种天气现象，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
第 41 卷第 12 期
周刚等： 我国灰霾天气的成因分析及研究进展综述
169
天都会出现灰霾天气。 灰霾天气形成原因之一是从大范围看，需要合适的大尺度
环流形势。我们知道，大气稳定度和大气对污染物的扩散能力 取决于高低空大气环流的配置。通常采用 500 hPa 和地面的天 气系统来分类，主要依据 500 hPa 槽所处地理位置、移动速度 和方向以及相应的地面高低压系统的配置情况，灰霾天气过程 发生时的环流形势可分为中阻塞性、南支槽型和纬向型三种。 不论哪种形势，对应在地面上，我国东部均形成高压控制的均 压场，水平气压梯度较小，导致地面风速较小，且大气层结稳 定，不利于污染物的扩散。
车尾气在大气污染物总体中含量并不特别大，但机动车尾气会 增加大气氧化性，形成更多二次气溶胶，导致更多雾霾天气发 生。
二是气象条件方面。在一段时期内，出现严重灰霾天气或 清新晴朗天气决定性控制因素是气象条件。灰霾天气出现时， 一般伴随静小风、强日照和低湿度，严重灰霾天气无一例外都 出现在边界层强逆温情况下，逆温层如同一个锅盖，限制其内 物质扩散和稀释； 另一方面，城市化、工业化发展造成下垫面 属性改变，也使得城市大气边界层物理结构发生变化［8］。
灰霾天气形成 原 因 之 五 是 大 气 垂 直 方 向 出 现 逆 温 现 象［4］。 逆温层好比一个锅盖覆盖在城市上空，这种高空气温比低空气 温更高逆温现象，使得大气层低空空气垂直运动受到限制，导 致污染物难以向高空飘散而被阻滞在低空和近地面。
灰霾天气形 成 原 因 之 三 是 悬 浮 细 颗 粒 物 和 气 态 污 染 物 增 加［5］。近年来，随着城市人口增长、工业持续发展和机动车辆 猛增，使得悬浮细颗粒物 PM2. 5 和气态污染物二氧化硫、氮氧 化物大量增加，PM2. 5 中可溶性粒子 （ 如硫酸盐、硝酸盐、铵盐 以及有机酸盐等） 具强吸水性［6］，它们与水蒸气结合在一起， 形成灰霾天气，让天空瞬间变得灰蒙蒙； 燃煤排放废气和机动 车排放尾气中二氧化硫、氮氧化物是大气细颗粒物 PM2. 5 中硫 酸盐、硝酸盐前体物［6］，二氧化硫和氮氧化物与空气中其他污 染物经过了一系列复杂化学反应形成硫酸盐、硝酸盐等二次颗 粒，由气态污 染 物 转 化 成 固 态 污 染 物，成 为 PM2. 5 主 要 成 分， 二次污染过程成为 PM2. 5 升高最主要原因，加重灰霾天气形成 与持续。
1. 2 形成原因
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
1. 3 影响因素
灰霾天气最主要影响因素是污染排放和气象条件两方面。 空气中有污染物，就有可能形成霾，但如果此时气象条件是狂 风大作大风天气或艳阳高照晴朗天气，污染物扩散很快，就不 会形成灰霾天气。由于气象条件是不可控的，因此应加大力度 控制污染排放，深入开展大气污染治理［7］。
一是污染排放方面。形成灰霾天气大气气溶胶主要来源于 自然排放和人为排放，在一段时期内，无论是自然排放还是人 为排放气溶胶颗粒总量大致稳定。现今全国各地都在大力推行 节能减排，空气中二氧化硫含量逐渐稳步降低，但机动车越来 越多，机动车尾气逐渐成为大气污染新贡献者，虽然目前机动
摘 要： 近年来，由气溶胶污染引发的能见度恶化事件日趋严重，灰霾天气已成为一种常见环境灾害污染事件，受到各方
越来越多的关注。本文综述了灰霾天气的定义、形成原因及影响因素，从大气颗粒物的时空分布和污染水平两方面分析了灰霾期 间的污染特征、灰霾和能见度的相关性，介绍了国内对灰霾天气期间大气污染物源解析方面的研究进展，并提出了今后灰霾天气 的研究方向。
灰霾天气形成 原 因 之 二 是 大 气 水 平 方 向 静 风 现 象 增 多［4］。 近年来随着城市建设迅速发展，大楼越建越高，阻挡和摩擦作 用使风流经城区时明显减弱，水平方向静风现象增多，不利于 大气污染物扩展稀释，却容易在城区和近郊区周边积聚。
灰霾天气形成原因之三是从热力结构看，边界层存在强逆 温现象。通常情况下，在低层大气中，气温是随高度的增加而 降低的。逆温层好比一个锅盖覆盖在城市上空，使城市上空出 现了高空比低空气温更高的逆温现象。污染物在正常气候条件 下，从气温高的低空向气温低的高空扩散，逐渐循环排放到大 气中。但是逆温现象下，低空的气温反而更低，导致污染物的 停留，不能及时排放出去。
Key words： haze； aerosols； atmospheric particulate matter； visibility； research progress
随着我国经济社会不断发展和经济规模的迅速扩大，人民 的生活水平日益提高，环境问题起来越受到人们的重视。近年 来，由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，广泛地引起了科学界、政府部门和社 会公众的关注。
作者简介： 周刚 （ 1975 － ） ，男，主要从事环境管理和监测研究工作。
10 km 的空气普遍混浊现象，又称灰霾。 香港天文台和澳门地球物理暨气象局称霾 （ 灰霾） 为烟
霞。” 并限定出现霾时相对湿度低于 95% 。 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低于 95% ， 而对于 轻 雾，WMO1984 年 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大于 95% ； 英国天气局分 别在 1982、1991、1994 年规定出现轻雾时相对湿度低于 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 得 到 了 共 识［2 － 3］。
2 我国目前的研究进展
目前，国内针对灰霾天气的研究仍处于初期阶段，主要集 中在对灰霾的界定、观测及气候特征的研究上，针对大气颗粒 物的研究主要集中在粒径分布、污染水平、时空分布、化学组 成及源解析等方面。而国外学者针对灰霾天气及大气颗粒物的 研究相对较早，主要集中在大气颗粒物的组分、浓度及来源研 究，且主要是针对 PM2. 5 方面的研究。美国环境保护局 （ USEPA） 于 1997 年就颁布 PM2. 5 的空气质量标准，确定 PM2. 5 的年 均质量浓度限值为 15 μg / m3 ，日均质量浓度限值为 65 μg / m3 ， 2006 年又将日均质量浓度限值标准提高到 35 μg / m3 ，而国内目 前仍没有相关标准。
1 灰霾天气概述
1. 1 定 义
关于灰霾的识别，在我国科学界和气象业务人员之间分歧 颇大。
按照气象出版社 《大气科学词典》 的解释，霾指悬浮在大 气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，组成霾的粒子极 小，不能用肉眼分辨。当大气凝结核由于各种原因长大时也能 形成霾。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ城市严重空气污染地区，霾可以频繁出现。
2 Xinyang City Environmental Monitoring Station，Henan Xinyang 464000，China ）
Abstract： In recent years，the deterioration of visibility events triggered by aerosol pollution worsening haze became a common environmental disaster，and pollution incidents got more and more attention. The definition of haze causes and influencing factors were introduced，and pollution characteristics of haze and relevance of haze and visibility were analyzed from two aspects of Spatial and temporal distribution of atmospheric particulate matter and contamination levels. The research progress of source apportionment of pollutants in the atmosphere in domestic was introduced，and future research directions of haze were proposed.
2. 1 灰霾天气期间大气颗粒物污染特征研究
灰霾天气期间大气颗粒物污染特征研究主要从大气颗粒物 的时空分布和污染水平 2 个方面展开的。
从时空分布来讲，由于各地气候及地理环境的差异，导致 灰霾产生的时间和季节分布也各不相同。童尧青等［9］利用南京 气象站和 5 个南京郊区气象观测站 1961 ～ 2005 年地面气象观测 资料，得出南京地区 6 站灰霾天气均呈现出冬季 ＞ 春季 ＞ 秋季 ＞ 夏季的季节特征。张立多等［10］在探讨灰霾天气对厦门市能见 度影响的研究中发现灰霾多现在秋冬季，1 月份最多，7 月份 最少。Juan Li 等［11］也发现在乌鲁木齐冬季和秋季是污染比较 严重的季节，他们认为这是因为从 10 月 15 到 4 月 15 日燃煤 取暖造成的； 其次是春季，由于受西北准葛尔盆地和沙尘的影 响，气溶胶浓度增大，灰霾天气严重。吴国平等［12］ 对我国广 州、武汉、兰州、重庆 4 城市空气中颗粒物污染的季节性变化 特征进行了研究，发现在大多数情况下，均是冬春污染最重， 秋季次之，而夏季最轻。国外的研究表明，部分地区 PM2. 5 质 量浓度的 季 节 变 化 与 我 国 有 相 似 的 特 点，如 意 大 利 的 MAＲCAZZAN 等［13］通过对 1997 年 12 月至 1998 年 9 月期间意大利米 兰地区 PM10 和 PM2. 5 的采样分析，也得出了冬季 PM2. 5 质量浓度 高于夏季的结果。
第 41 卷第 12 期 2013 年 6 月
广州化工 Guangzhou Chemical Industry
Vol. 41 No. 12 June. 2013
我国灰霾天气的成因分析及研究进展综述
周 刚1，夏 慧2
( 1 信阳市辐射环境安全技术站，河南 信阳 464000; 2 信阳市环境监测站，河南 信阳 464000)
关键词： 灰霾； 气溶胶； 大气颗粒物； 能见度； 研究进展
中图分类号： X － 1
文献标识码： A
文章编号： 1001 － 9677（ 2013） 12 － 0168 － 04
Cause Analysis and Ｒesearch Development of Haze
ZHOU Gang1 ，XIA Hui2 （ 1 Xinyang City Environmental Ｒadiation Safety Technical Station，Henan Xinyang 464000；
灰霾天气形成原因之四是从湿度条件看，常伴随强日照和 低相对湿度。2010 年出台的国家行业标准 “QX / T 113 － 2010， 霾 （ 灰霾） 的观测和预报等级” 中规定相对湿度在 80% 以下 基本判定为灰霾，而 《广东省灰霾天气预警信号发布细则》 则 更具可操作性，当相对湿度在 80% ～ 95% 时，判定为霾或者轻 雾。统计表明，相对湿度在 40% ～ 70% 之间有利于灰霾及严 重、重度灰霾天气出现，尤以 50% ～ 60% 时出现的概率最高。
国家气象行业标准［1］规定 “霾是一种天气现象，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
第 41 卷第 12 期
周刚等： 我国灰霾天气的成因分析及研究进展综述
169
天都会出现灰霾天气。 灰霾天气形成原因之一是从大范围看，需要合适的大尺度
环流形势。我们知道，大气稳定度和大气对污染物的扩散能力 取决于高低空大气环流的配置。通常采用 500 hPa 和地面的天 气系统来分类，主要依据 500 hPa 槽所处地理位置、移动速度 和方向以及相应的地面高低压系统的配置情况，灰霾天气过程 发生时的环流形势可分为中阻塞性、南支槽型和纬向型三种。 不论哪种形势，对应在地面上，我国东部均形成高压控制的均 压场，水平气压梯度较小，导致地面风速较小，且大气层结稳 定，不利于污染物的扩散。
车尾气在大气污染物总体中含量并不特别大，但机动车尾气会 增加大气氧化性，形成更多二次气溶胶，导致更多雾霾天气发 生。
二是气象条件方面。在一段时期内，出现严重灰霾天气或 清新晴朗天气决定性控制因素是气象条件。灰霾天气出现时， 一般伴随静小风、强日照和低湿度，严重灰霾天气无一例外都 出现在边界层强逆温情况下，逆温层如同一个锅盖，限制其内 物质扩散和稀释； 另一方面，城市化、工业化发展造成下垫面 属性改变，也使得城市大气边界层物理结构发生变化［8］。
灰霾天气形成 原 因 之 五 是 大 气 垂 直 方 向 出 现 逆 温 现 象［4］。 逆温层好比一个锅盖覆盖在城市上空，这种高空气温比低空气 温更高逆温现象，使得大气层低空空气垂直运动受到限制，导 致污染物难以向高空飘散而被阻滞在低空和近地面。
灰霾天气形 成 原 因 之 三 是 悬 浮 细 颗 粒 物 和 气 态 污 染 物 增 加［5］。近年来，随着城市人口增长、工业持续发展和机动车辆 猛增，使得悬浮细颗粒物 PM2. 5 和气态污染物二氧化硫、氮氧 化物大量增加，PM2. 5 中可溶性粒子 （ 如硫酸盐、硝酸盐、铵盐 以及有机酸盐等） 具强吸水性［6］，它们与水蒸气结合在一起， 形成灰霾天气，让天空瞬间变得灰蒙蒙； 燃煤排放废气和机动 车排放尾气中二氧化硫、氮氧化物是大气细颗粒物 PM2. 5 中硫 酸盐、硝酸盐前体物［6］，二氧化硫和氮氧化物与空气中其他污 染物经过了一系列复杂化学反应形成硫酸盐、硝酸盐等二次颗 粒，由气态污 染 物 转 化 成 固 态 污 染 物，成 为 PM2. 5 主 要 成 分， 二次污染过程成为 PM2. 5 升高最主要原因，加重灰霾天气形成 与持续。
1. 2 形成原因
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
1. 3 影响因素
灰霾天气最主要影响因素是污染排放和气象条件两方面。 空气中有污染物，就有可能形成霾，但如果此时气象条件是狂 风大作大风天气或艳阳高照晴朗天气，污染物扩散很快，就不 会形成灰霾天气。由于气象条件是不可控的，因此应加大力度 控制污染排放，深入开展大气污染治理［7］。
一是污染排放方面。形成灰霾天气大气气溶胶主要来源于 自然排放和人为排放，在一段时期内，无论是自然排放还是人 为排放气溶胶颗粒总量大致稳定。现今全国各地都在大力推行 节能减排，空气中二氧化硫含量逐渐稳步降低，但机动车越来 越多，机动车尾气逐渐成为大气污染新贡献者，虽然目前机动
摘 要： 近年来，由气溶胶污染引发的能见度恶化事件日趋严重，灰霾天气已成为一种常见环境灾害污染事件，受到各方
越来越多的关注。本文综述了灰霾天气的定义、形成原因及影响因素，从大气颗粒物的时空分布和污染水平两方面分析了灰霾期 间的污染特征、灰霾和能见度的相关性，介绍了国内对灰霾天气期间大气污染物源解析方面的研究进展，并提出了今后灰霾天气 的研究方向。
灰霾天气形成 原 因 之 二 是 大 气 水 平 方 向 静 风 现 象 增 多［4］。 近年来随着城市建设迅速发展，大楼越建越高，阻挡和摩擦作 用使风流经城区时明显减弱，水平方向静风现象增多，不利于 大气污染物扩展稀释，却容易在城区和近郊区周边积聚。
灰霾天气形成原因之三是从热力结构看，边界层存在强逆 温现象。通常情况下，在低层大气中，气温是随高度的增加而 降低的。逆温层好比一个锅盖覆盖在城市上空，使城市上空出 现了高空比低空气温更高的逆温现象。污染物在正常气候条件 下，从气温高的低空向气温低的高空扩散，逐渐循环排放到大 气中。但是逆温现象下，低空的气温反而更低，导致污染物的 停留，不能及时排放出去。
Key words： haze； aerosols； atmospheric particulate matter； visibility； research progress
随着我国经济社会不断发展和经济规模的迅速扩大，人民 的生活水平日益提高，环境问题起来越受到人们的重视。近年 来，由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，广泛地引起了科学界、政府部门和社 会公众的关注。
作者简介： 周刚 （ 1975 － ） ，男，主要从事环境管理和监测研究工作。
10 km 的空气普遍混浊现象，又称灰霾。 香港天文台和澳门地球物理暨气象局称霾 （ 灰霾） 为烟
霞。” 并限定出现霾时相对湿度低于 95% 。 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低于 95% ， 而对于 轻 雾，WMO1984 年 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大于 95% ； 英国天气局分 别在 1982、1991、1994 年规定出现轻雾时相对湿度低于 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 得 到 了 共 识［2 － 3］。
2 我国目前的研究进展
目前，国内针对灰霾天气的研究仍处于初期阶段，主要集 中在对灰霾的界定、观测及气候特征的研究上，针对大气颗粒 物的研究主要集中在粒径分布、污染水平、时空分布、化学组 成及源解析等方面。而国外学者针对灰霾天气及大气颗粒物的 研究相对较早，主要集中在大气颗粒物的组分、浓度及来源研 究，且主要是针对 PM2. 5 方面的研究。美国环境保护局 （ USEPA） 于 1997 年就颁布 PM2. 5 的空气质量标准，确定 PM2. 5 的年 均质量浓度限值为 15 μg / m3 ，日均质量浓度限值为 65 μg / m3 ， 2006 年又将日均质量浓度限值标准提高到 35 μg / m3 ，而国内目 前仍没有相关标准。
1 灰霾天气概述
1. 1 定 义
关于灰霾的识别，在我国科学界和气象业务人员之间分歧 颇大。
按照气象出版社 《大气科学词典》 的解释，霾指悬浮在大 气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体，组成霾的粒子极 小，不能用肉眼分辨。当大气凝结核由于各种原因长大时也能 形成霾。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ城市严重空气污染地区，霾可以频繁出现。
2 Xinyang City Environmental Monitoring Station，Henan Xinyang 464000，China ）
Abstract： In recent years，the deterioration of visibility events triggered by aerosol pollution worsening haze became a common environmental disaster，and pollution incidents got more and more attention. The definition of haze causes and influencing factors were introduced，and pollution characteristics of haze and relevance of haze and visibility were analyzed from two aspects of Spatial and temporal distribution of atmospheric particulate matter and contamination levels. The research progress of source apportionment of pollutants in the atmosphere in domestic was introduced，and future research directions of haze were proposed.
2. 1 灰霾天气期间大气颗粒物污染特征研究
灰霾天气期间大气颗粒物污染特征研究主要从大气颗粒物 的时空分布和污染水平 2 个方面展开的。
从时空分布来讲，由于各地气候及地理环境的差异，导致 灰霾产生的时间和季节分布也各不相同。童尧青等［9］利用南京 气象站和 5 个南京郊区气象观测站 1961 ～ 2005 年地面气象观测 资料，得出南京地区 6 站灰霾天气均呈现出冬季 ＞ 春季 ＞ 秋季 ＞ 夏季的季节特征。张立多等［10］在探讨灰霾天气对厦门市能见 度影响的研究中发现灰霾多现在秋冬季，1 月份最多，7 月份 最少。Juan Li 等［11］也发现在乌鲁木齐冬季和秋季是污染比较 严重的季节，他们认为这是因为从 10 月 15 到 4 月 15 日燃煤 取暖造成的； 其次是春季，由于受西北准葛尔盆地和沙尘的影 响，气溶胶浓度增大，灰霾天气严重。吴国平等［12］ 对我国广 州、武汉、兰州、重庆 4 城市空气中颗粒物污染的季节性变化 特征进行了研究，发现在大多数情况下，均是冬春污染最重， 秋季次之，而夏季最轻。国外的研究表明，部分地区 PM2. 5 质 量浓度的 季 节 变 化 与 我 国 有 相 似 的 特 点，如 意 大 利 的 MAＲCAZZAN 等［13］通过对 1997 年 12 月至 1998 年 9 月期间意大利米 兰地区 PM10 和 PM2. 5 的采样分析，也得出了冬季 PM2. 5 质量浓度 高于夏季的结果。
第 41 卷第 12 期 2013 年 6 月
广州化工 Guangzhou Chemical Industry
Vol. 41 No. 12 June. 2013
我国灰霾天气的成因分析及研究进展综述
周 刚1，夏 慧2
( 1 信阳市辐射环境安全技术站，河南 信阳 464000; 2 信阳市环境监测站，河南 信阳 464000)
关键词： 灰霾； 气溶胶； 大气颗粒物； 能见度； 研究进展
中图分类号： X － 1
文献标识码： A
文章编号： 1001 － 9677（ 2013） 12 － 0168 － 04
Cause Analysis and Ｒesearch Development of Haze
ZHOU Gang1 ，XIA Hui2 （ 1 Xinyang City Environmental Ｒadiation Safety Technical Station，Henan Xinyang 464000；
灰霾天气形成原因之四是从湿度条件看，常伴随强日照和 低相对湿度。2010 年出台的国家行业标准 “QX / T 113 － 2010， 霾 （ 灰霾） 的观测和预报等级” 中规定相对湿度在 80% 以下 基本判定为灰霾，而 《广东省灰霾天气预警信号发布细则》 则 更具可操作性，当相对湿度在 80% ～ 95% 时，判定为霾或者轻 雾。统计表明，相对湿度在 40% ～ 70% 之间有利于灰霾及严 重、重度灰霾天气出现，尤以 50% ～ 60% 时出现的概率最高。