雾霾：定义、起因及特征

近年来，我国多次暴发大面积的雾霾事件，尤其是2013年发生在我国中东部的几次严重雾霾事件，引起了国内外的广泛关注和媒体热议。

（一）雾霾的定义

雾霾是一个组合词，是雾和霾的统称。两者同时存在时可称为雾霾，但是雾和霾存在明显的差别，因此不宜将单独存在的雾或霾混淆为雾霾。雾和霾都是能使空气能见度降低的现象，它们之间的主要区别如表15-1所示。

表15-1　雾和霾的主要区别

雾和霾的区别具体体现在以下几点。

（1）根据气象学上的定义，霾，或灰霾，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 km的空气普遍混浊现象，这里的干尘粒，又叫颗粒物（PM），或干气溶胶粒子。气溶胶是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系。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，产生更多、更小的云雾滴，使能见度进一步降低，低于1 km时被定义为雾，而能见度在1～10 km时则被定义为轻雾。

（2）从水分来讲，水分含量达到90%以上的叫雾，低于80%的叫霾，80%～90%之间的，是雾和霾的混合物，但主要成分是霾。

（3）从颗粒物物理特征来讲：造成霾的颗粒物一般粒径小于2.5 μm（PM2.5），主要成分为无机盐、矿物组分和有机物等；造成雾的颗粒物或气溶胶一般粒径大于2.5μm，主要为水滴和冰晶。

（4）从色彩来看，纯净的雾多为乳白色，霾多为灰黄色。雾霾、轻雾、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟雾等天气现象，都是因浮游在空中的大量极微细的尘粒或烟粒等的影响致使有效水平能见度小于10 km。

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 km时，可能既有干气溶胶的影响（即霾的贡献），也有雾滴的影响（即雾的贡献）。霾和雾可以在一天之中变换角色，甚至在同一区域内的不同地方，雾和霾也会有所侧重，难以对其进行严格地区分。即便是环境与气象学的专业人员，也必须结合天气背景、天空状况、空气湿度、颜色气味及卫星监测等因素来综合分析判断，才能得出正确结论。但是，在日常生活中，我国老百姓常把看到的区域性能见度低于10 km的空气普遍浑浊现象通称为“雾霾”或“雾霾天气”，尽管如此，仍需注意在专业学术上，“雾”、“霾”、“雾霾”是存在差别的。

（二）我国雾霾的起因

依据雾霾的定义，没有颗粒物或干气溶胶粒子就不能形成霾，没有气溶胶粒子参与，形成凝结核，在实际大气中也无法形成雾。在过去，当人类活动较少时，这些颗粒物或气溶胶粒子主要源于自然过程，如风沙尘土、火山爆发、森林火灾和海水喷溅等，这些在大气中构成了背景水平。越来越多的科学证据表明，雾霾是在特定的气象条件下，由PM2.5等污染物大量积聚造成的。通常认为，我国多次暴发的雾霾天气与下列因素相关。

1.大气颗粒物排放水平较高　除自然源构成了大气颗粒物的背景水平外，人类活动是大气颗粒物的主要排放源，主要包括以下几个方面。

（1）工业燃料的燃烧。这是大气颗粒物的主要来源。目前我国的主要工业燃料是煤，其次是石油。用煤量最大的是火力发电、冶金、化工、机械、轻工和建材等行业，它们的用煤量占总消耗量的70%以上。燃料燃烧时会产生大量的灰分，并吸附大量的金属、有机物、无机盐等燃烧产物。

（2）工业生产过程的排放。由原材料到产品，工业生产的各个环节都可能有颗粒物排放出来。颗粒物的大小、成分与原料种类及其生产工艺有关。

（3）生活炉灶和采暖锅炉。采暖锅炉以煤或石油产品为燃料，是采暖季节大气颗粒物污染的主要原因之一。生活炉灶使用的燃料有煤、液化石油气、煤气和天然气。如果燃烧设备效率低，燃烧不完全，烟囱高度低或无烟囱，会造成大量颗粒物低空排放。在采暖季节，各种燃煤小炉灶是居民区大气污染的重要来源。

（4）交通尾气。主要是指飞机、汽车、火车、轮船和摩托车等交通运输工具排放的颗粒物。目前这些交通工具的主要燃料是汽油、柴油等石油制品，燃烧后能产生大量的颗粒物和有机物。改革开放以来，我国机动车数量每年以14%的速度递增。截至2012年，我国民用汽车保有量超过1亿辆，其中私人汽车保有量近8 000万辆。随着机动车数量的增加，机动车尾气排放已经成为我国许多大城市中大气污染的主要来源之一。例如，北京市大气中46.25%～57.72%的PM2.5来自机动车尾气污染。

（5）扬尘与区域传输。地面尘土飞扬或土壤及固体废弃物被大风刮起，车辆轮胎与沥青路面摩擦，建筑扬尘等都可以成为大气颗粒物的来源。另外，不容忽视的是大气颗粒物的区域传输问题。我国在京津冀、长三角、珠三角地区和若干城市群已存在明显的区域性污染问题，因此区域内传输已成为某些地区大气颗粒物污染的重要来源之一。

2.二次颗粒物（气溶胶）的形成　化石燃料燃烧在排放颗粒物的同时，还产生大量的气态污染物，如SO2、NO2。这些气态污染物在物理、化学等因素的作用下发生变化，或与环境中的其他物质发生反应，可形成二次颗粒物。常见的有SO2在大气中被氧化形成硫酸盐；NO2在大气中被氧化形成硝酸盐。硝酸分子也可以被空气中的氨气中和，形成硝酸铵。以上气态二次污染物可通过气固相进入颗粒物。以上过程受温度影响显著。温度越低，气态向固态的分配作用越明显，气溶胶中无机二次组分往往存在明显的吸湿增长现象，对颗粒物的光学特性影响显著。

通过对我国16个站点两年的采样结果分析发现，可吸入颗粒物（PM10）质量浓度中有超过50%是二次气溶胶。在北京夏季，此比例可达80%。传统研究认识到硫酸盐/硝酸盐对于新颗粒物形成有贡献，在我国华北区域观测发现，不论在新颗粒物形成，还是随后的老化阶段，二次颗粒物的贡献均很大。通过对比排放和气象条件对区域霾形成的贡献，发现一次排放的颗粒物与排放强度关系密切，而天气条件控制着区域中占多数的二次颗粒物的形成及总体PM10的浓度变化，这导致了人们通常看到的雨过天晴后的1～2 d空气变得浑浊，能见度逐渐变差的空气普遍浑浊现象（即霾），且具有跨省、连片的区域性特征。Huang R J等学者监测了2013年1月雾霾期间北京、上海、广州、西安四城市PM2.5的成分和源排放特征，结果发现，二次气溶胶形成占到了PM2.5所有来源的30%～77%；有机气溶胶中有44%～71%来源于二次形成过程，可见二次气溶胶形成是我国发生严重雾霾事件的主要原因之一。

此外，颗粒物还可通过碰并、集聚、凝结等方式形成一些粒径更大的颗粒物。

3.颗粒物“吸湿”作用　空气湿度可影响颗粒物的化学组成、混合状态、粒径分布、光学特性等。对于单纯无机颗粒物，湿度增大会导致其吸湿性增长，造成颗粒物粒径增大。在湿度增加的情况下，颗粒物中无机可溶物质直接潮解，将颗粒物从干燥状态转为潮湿状态，此时的相对湿度被称为潮解相对湿度。随着相对湿度的增加，潮解作用更加明显，造成颗粒物粒径增长。但是，在相对湿度下降时，可溶性物质并不因为过饱和作用而直接析出，而是存在滞后期，可以在风化湿度之下析出。随着相对湿度的增加，在吸湿性组分存在的情况下，颗粒物中的水分逐渐增加，为非均相反应提供了平台，从而改变了颗粒物的水平和组成。(www.xing528.com)

当空气中水汽较多时，某些吸水性强的颗粒物成分（如硫酸盐、硝酸盐、铵盐和部分可溶性有机物）会吸水、长大。在我国华北区域的观测发现吸湿后的气溶胶粒子粒径会增大20%～60%，使得在相对湿度大时观测的PM2.5质量浓度“虚高”。因其不完全是颗粒物的贡献，还有水分的影响。因此，可以从某种程度上讲，雾霾的形成离不开先前存在的雾。

4.地形地貌　对于区域和跨区域污染，地形因素有一定的作用。历史上，美国洛杉矶盆地曾经发生过严重的空气污染，其成因和地理因素密切相关。我国的大气污染存在明显的区域特征，即在“三区十群”污染比较严重，即京津冀、长三角、珠三角地区，辽宁中部、山东、武汉及其周边、长株潭、成渝、海峡西岸、山西中北部、陕西关中、甘宁、新疆乌鲁木齐城市群。这些地区的共同特点是人口密集、经济发达、城市化水平较高，本地污染物排放也较高。

京津冀地区北部为高原，南部为平原，西部为山区，存在山地平原环流，白天谷风从平原吹向山区，偏南风为主，夜间为偏北风从山区吹向平原。在静稳天气控制下，边界层高度较低，山谷风环流受抑制，污染物堆积效应显著，易形成大范围污染。

长江中下游平原地势平坦，对较快移动的天气系统活动阻力较小。春季冷空气活动频繁，有利于污染物的扩散。夏季进入梅雨期，地形影响并不明显。此区域的大气环流状态受地形阻滞较小，有利于区域输送，易受区域污染的影响，比如易受到北风南下污染带的影响。

珠江三角洲有复杂的海岸线，海陆风频繁。由于地形阻挡，来自北方的冷空气团南下缓慢，该区域受陆风和海风的双重影响，偏北风将内陆区域的污染物吹向沿海地区。由于海岸线复杂，海风风向多变，且强度降低。在海陆风的作用下，污染物往往被维持在该区域的城市群间，不利于污染物的扩散。珠三角地区在夏季受到来自太平洋的东南季风和来自印度洋的西南季风的影响，高温多雨。冬季时，来自蒙古、西伯利亚的冷气团越过华南丘陵影响到珠江三角洲地区，带来北方的污染物。

5.不良的气象条件　颗粒物的排放与形成在一段时期变化不大，因此不会是严重雾霾天气的触发因素，不良的气象条件才是最直接的“导火线”。

大气边界层为大气层中最接近地球表面的空气，其空气的流动受到地表的摩擦阻力、温度差异和地球自转的影响，水平向流速的垂直剖面呈不均匀分布，流场较为复杂。大气边界层的厚度约为数百米到1 500 m。大气污染物的传送和扩散与大气边界层内的风向风速即大气稳定度有直接关系。高度越高，污染物可被稀释的空间越大，越有利于污染物的扩散。反之，大气边界层高度越低，污染物浓度越大。

静稳的大气环境多由逆温条件造成。当气流下沉压缩，绝热过程使温度升高形成逆温现象，出现逆温现象的大气层称之为逆温层。在逆温层的影响下，不易发生对流，污染物的垂直扩散受到抑制，易造成污染物累积，是重污染事件发生的直接原因。

雾霾形成之后，会使更多的太阳辐射反散射回空间，使得到达地面的辐射减少，大气层结稳定度增加，使得每日正常排放和二次转化的颗粒物进一步在近地层大气中集聚、凝结，并形成更多的云雾滴，造成能见度进一步降低。更多的云雾滴还会在一天当中残留，与下一天的颗粒物汇合，形成恶性循环，造成在下一次天气过程之前，连续数天雾霾污染维持与加剧。

有学者提出了污染气象条件指数（Plam），用于表征气象条件是否有利于大气污染形成。Plam指数主要基于风速、风向、相对湿度、大气凝结函数、大气稳定度等计算得出，其值越高，指示了气象条件越有利于更多的二次气溶胶形成、集聚、凝结和变化，可视为定量反映静稳型天气程度的“污染气象条件”的指数。在较干净天气时，Plam值通常在40以下，Plam指数超过80时易出现雾霾天气。以北京2013年1月6日到16日期间的雾霾事件为例，Plam值在1月6日凌晨就上升至80左右，直到8日深夜，预示着气象条件有利于大气气溶胶集聚和凝结。9日之后，Plam指数值维持在110～130之间长达5d，直到13日深夜；在14—16日凌晨之间稍有回落，但仍在80～90之间，形成近几年少见的静稳型天气。研究者通过对比发现，在此次雾霾期间我国中东部地区大气层结稳定、静风或风力小。而前期这些地区的降水有利于地面浅层水汽蒸发，使近地面空气的相对湿度加大、湿空气饱和凝结，有利于雾霾天气的形成。

综上，大气中各类污染物的存在，尤其是颗粒物，是形成雾霾污染事件的必要条件，是根本原因，而不良气象条件则是雾霾事件的主要诱因。一旦大气中的污染物浓度超出了大气自身的清除能力（即自净作用），污染物就不能及时被清除。在这种情况下，任何不利的气象条件均能造成重污染事件。这种不利的气象条件在我国北方地区的冬季更为常见。在具体的因素中，逆温层的存在和边界层的降低是造成污染物累积的直接原因。在静稳的气象条件下，大气化学过程会加重污染，形成大量的二次污染物，但其具体机制与相对贡献有待进一步研究。

（三）我国雾霾天气的现状与特征

雾霾这一词近几年来在我国迅速被广为人知，但这并不意味着雾霾仅在这几年集中暴发，也不意味着我国大气污染形势在近几年严重恶化。

1.雾霾天气的现状　中国气象局基于能见度的观测结果表明，2013年全国平均霾日数为35.9 d，比上年增加18.3 d，为1961年以来最多。中东部地区雾和霾天气多发，华北中南部至江南北部的大部分地区雾和霾日数范围为50～100 d，部分地区超过100 d。具体分布如图15-1所示。

环境保护部基于空气质量的监测结果表明，2013年1月和12月，中国中东部地区发生了2次较大范围区域性灰霾污染。两次灰霾污染过程均呈现出污染范围广、持续时间长、污染程度严重、污染物浓度累积迅速等特点，且污染过程中首要污染物均以PM2.5为主。其中，1月份的灰霾污染过程接连出现17 d，造成74个城市发生677天次的重度及以上污染天气，其中重度污染477 d次，严重污染200 d次。污染较重的区域主要为京津冀及周边地区，特别是河北南部地区，石家庄、邢台等为污染最重城市。12月1日至9日，中东部地区集中发生了严重的灰霾污染过程，造成74个城市发生271 d次的重度及以上污染天气，其中重度污染160 d次，严重污染111 d次。污染较重的区域主要为长三角区域、京津冀及周边地区和东北部分地区，长三角区域为污染最重地区。

图15-1　2013年全国灰霾日数分布图

2.雾霾天气下的污染特征　PM2.5被广泛认为是雾霾天气的“罪魁祸首”之一。我国2012年新颁布的《环境空气质量标准》（GB3095-2012），对PM2.5提出了新的监测与管控要求。2013年，京津冀、长三角、珠三角等重点区域及直辖市、省会城市和计划单列市共74个城市，按照新标准开展了PM2.5监测。依据《2013中国环境状况公报》，PM2.5年均浓度范围为26～160 μg/m3，平均浓度为72 μg/m3，仅海口、舟山、拉萨三个城市达标（35 μg/m3）。其中，京津冀、长三角和珠三角地区的PM2.5平均浓度分别为106 μg/m3、67 μg/m3和47 μg/m3。由此可见，我国PM2.5污染比较严重，出现了明显的区域差异，以京津冀为核心的华北地区污染尤为严重。同时，我国的PM2.5污染水平也明显超过了世界卫生组织发布的空气质量指导值（10 μg/m3）和欧美发达国家的一般水平。

国内一些城市开展了雾霾天气PM2.5污染特征研究。吴兑等研究表明，广州地区能见度的恶化主要与细粒子有关，PM2.5季均值全部超过世界卫生组织的日均指导值。PM2.5占环境空气中PM10的比重达到62%～69%，尤其是旱季比雨季更高。此外，雾霾天气发生时，颗粒物上的一些成分也发生变化。如成都市灰霾期间大气PM2.5上的Cu、Zn、Mo、Pb、Br、S、Cd、As和Cl等元素比非灰霾期间更容易富集，这些元素主要来源于机动车排放、地面扬尘、工业生产等，与人类活动密切相关。广州市大气PM10中K、Al、Fe、Mn等无机元素的质量浓度在灰霾期要高于非灰霾期，而灰霾与非灰霾期间所测元素的分布特征基本一致，且来源于人为活动的Zn、Pb、As和Cu在灰霾期更容易富集。对厦门市2008—2009年冬春季节的灰霾期和非灰霾期多环芳烃（PAHs）的差异特征进行对比分析，结果表明灰霾期间PM10中PAHs总的质量浓度明显高于非灰霾期，并且灰霾期间低相对分子质量组分菲、荧蒽和芘的质量分数显著下降，高相对分子质量组分苯并［b］荧葸、苯并［k］荧、苯并［a］芘、茈、茚并［1，2，3.cd］芘、苯并［ghi］茈和晕苯的质量分数相对升高。而广州的研究表明，由于灰霾发生时温度、颗粒物饱和蒸气压等不同，相对分子质量大的PAHs在夏季出现的灰霾中含量更高，而相对分子质量小的PAHs则在冬季出现的灰霾中含量更高。

3.我国雾霾天气的空间特征　1961—2007年全国平均霾天气年总日数分布研究显示：中国的霾天气主要分布在东经100°以东、北纬42°以南地区，且“浊岛”现象非常明显，其中华北的中部和西部、西北的东南部、华中大部、华东大部、华南西部和南部地区平均每年霾天气日数为10 d及以上，是霾天气的多发区。空间分布特征呈现东多西少的态势，东部地区集中在长江中下游、华北和华南；其中霾天气高频区主要集中在人口比较密集的大城市和煤矿基地，如环北京地区、山西中南部地区、陕西和河南局部地区、长江三角洲、珠江三角洲等地；且在同一区域内，大中城市的霾天气较乡村明显偏多。

4.我国雾霾天气的时间特征和季节趋势　1961—2007年间全国平均年霾日数呈现明显的增加趋势，增长率为3.19 d/10年。经济发达、人口密集的特大城市霾天气日趋加剧。其中，1956—1975年霾日较少，仅在四川盆地、辽宁中南部和新疆南部，年霾日超过50 d；1975年以后霾日数有轻微增加的趋势。到了21世纪，霾天气显著增多，大陆东部大部分地区几乎年霾日数都超过100 d，大城市区域超过150 d。近50年间中国霾日数序列有2次明显的突变，分别位于20世纪70年代中期和2000年之后；在年际尺度上，霾天气与风力条件具有很好的反相关关系，风速≥5 m/s的日数和风速≥10 m/s的日数与霾日数的相关系数分别为-0.809和-0.734，表明风力条件可影响大气污染物稀释扩散能力，进而对霾天气增减趋势产生非常显著的影响。

对1961—2007年中国霾日统计资料的分析显示：我国大部分地区霾日呈现为冬季多、夏季少，春秋季居中的特点。这与我国大气颗粒物污染呈现冬季高、夏季低的趋势相一致。