雾霾时空分布特征及形成原因文献综述 穆迪.doc

学习资料收集于网络，仅供参考雾霾时空分布特征及形成原因文献综述1.雾霾污染的相关概念和理论（1）雾霾的概念雾霾中的雾是近地面的云，霾是漂浮在空气中的硫酸、灰尘等组成的气溶胶。在一定光照，温度，湿度和动力因素雾和霾相结合就形成了雾霾。雾霾的主要成分是直径不大于 2.5 微米的可入肺颗粒物，称为 PM2.5。首先 PM 是“particulate matter”的英文缩写，是指可吸入颗粒物质，在环境领域被称为颗粒物，在大气科学领域被称为大气溶胶粒子。按气象学定义，雾是水汽凝结的产物，主要由水汽组成；按中华人民共和国气象行业标准霾的观测和预报等级的定义，霾则由包含 PM 2.5在内的大量颗粒物飘浮在空气中形成。通常将相对湿度大于 90%时的低能见度天气称之为雾，而湿度小于80%时称之为霾，相对湿度介于80%90%之间时则是霾和雾的混合物共同形成的，称之为雾霾。（2）雾霾污染的形成机制雾霾污染的形成机制非常复杂，既有人为原因，也有大气原因。人类活动中工业生产和居民生活使得污染物大量排放，为雾霾形成提供了物质基础，所以说“污染是元凶”；大气运动包含水平运动和垂直运动两种，在雾霾污染形成过程，空气运动扮演“帮凶”的角色。根据中国科学院最新调查发现，中国大陆雾霾污染源主要是燃煤、工业生产、汽车尾气、生物质燃烧以及扬尘沙尘。其中 PM2.5是主要污染物，其污染源所占比重如图 1-1 所示。由于人类生产生活产生的排放物形成的一次颗粒物通过地面的界面反应，形成二次无机颗粒；同时其他废气通过大气输送和化学反应，形成二次有机颗粒物，这样就形成雾霾的物质基础。气溶胶与湿润的空气在大气条件出现水平方向连续静风和垂直方向逆温时，就产生雾霾，而雾霾的水汽遇冷凝结成雾或轻雾。 图 1-1 PM2.5主要来源占比图（3）雾霾污染的危害1-3-1雾霾的危害是多方面的，包括对国民经济运行、居民生产生活以及居民身心健康。雾霾天气发生时，空气湿度低于百分之六十，可吸入颗粒物质均匀浮游在于空中，颗粒物质对大气具有一定的散射和吸收作用，使得空气能见度降低，影响交通通讯，工业生产和农业生产。可吸入颗粒物，尤其是可入肺颗粒物通过进入人体循环系统，造成呼吸道炎症、肺炎等病症，加重了人们对于雾霾污染的恐惧感，严重影响人们的身心健康。1.3.2雾霾天气发生后，严重的视程障碍威胁着城市道路、高速公路、航空港、海港、航道的安全。2013年1月北京雾霾事件中，曾发生多起交通事故，1月31日雾霾天气加冻雨双重影响，导致望京往太阳宫方向高架桥上发生100多辆车追尾事故。（4）雾霾的分类及物理特征根据能见度和含水量将雾霾过程划分为雾、轻雾、湿霾、霾 4 个不同阶段。雾、湿霾阶段的相对湿度平均为 95%、91%，轻雾和霾阶段平均相对湿度接近，均为 79%。4 个阶段的主要发生顺序为霾轻雾湿霾雾湿霾轻雾霾，雾前湿霾阶段持续时间长于雾后。尺度2m 以雾滴为主的粗粒子数浓度、表面积浓度和体积浓度在雾阶段均显著大于其他 3 个阶段，其中霾阶段浓度最低。雾滴表面积浓度和体积浓度谱在 5m、13m 及 21.5m 处分别存在峰值，对雾水体积和液水含量的贡献最大的尺度范围为 1030m，而轻雾、湿霾和霾阶段粗粒子谱均为单峰型。尺度0.010m 的细粒子表面积浓度谱形在雾和湿霾阶段、轻雾和霾阶段分别相似，雾和湿霾阶段数浓度占优势的尺度范围分别为 0.040.13m 和 0.020.14m，轻雾及霾阶段数浓度优势粒子尺度范围均为0.020.06m。4 个阶段数浓度最大差异出现在 0.0200.060m 范围，从高到低依次为轻雾、霾、湿霾、雾。0.080m 的气溶胶粒子最高数浓度分别出现在霾、轻雾和雾阶段。从霾、轻雾、湿霾到雾的转换过程中，以 0.0600.090m 为界，小粒子减少，大粒子增多。雾霾演变过程中，细粒子的数浓度与平均直径整体上呈显著负相关关系。总数浓度在轻雾阶段最高、雾阶段最低、霾和湿霾阶段相当。总表面积和体积浓度最高为雾和湿霾阶段，轻雾和霾阶段依次减小。雾和湿霾阶段的气溶胶粒子平均尺度相当，轻雾与霾阶段最小。2.雾霾天气的成因分析（1） 城市汽车尾气排放过多随着人们的生活水平不断的提高，很多人都拥有了自己的车辆，这样就导致城市中辆越来越多，堵车的情况在每一个城市不断的上演，而车子因为不能够快速行驶出现了燃料燃烧不充分的情况，加快了空气污染的速度。而且汽车在经过十字路口的时候，都不会熄火，这样就不能够让车里的燃料与空气进行充分的接触，这也是为什么城市汽车总是会产生有毒尾气污染空气，这也是城市的大型十字路口的空气质量更低的原因（2） 重工业燃料增加我国的工业不断的进步，也加快了经济的发展，但是随之而来的是因为重工业的发展产生的废气影响了周边环境的空气质量，尤其是钢铁厂和水泥厂等。众所周知，重工业厂在运转的过程中需要利用煤炭作为原料，而煤炭在燃烧的过程中所产生的不仅是二氧化碳，还有更多的粉尘以及细小的颗粒，这些细小的粉尘颗粒能够随着空气流动进入到人们的身体里面，让人们受到健康的困扰（3）气象原因雾霾天气的形成也是飘忽不定的气象所影响的，如果天气一直保持一个温度，那么不管天气是冷还是热，在地表的空气流动趋势相对平稳的情况下，整体的空气流动将不会呈现持续运动的状态，一些家庭或者企业乃至重工业排放出的废气将在空气中持续的飘浮，既不能顺畅的流动，更不能尽快的消散。倘若在此情况中空气的湿度加大，那么这些所排放出来的悬浮将会与水融合在一起，从而使大量的悬浮颗粒逐渐的变成液体颗粒，而这些液体颗粒又会重新组合在一起产生反应后形成另一种污染物，正如此流程，便形成了雾霾天气（4）环境立法不足在环境立法方面，虽然我国有很多的关于环境质量的约束和标准，但是地方政府却没有针对自身的情况进行下方安排，导致出现严重的雾霾情况。就是因为很多环境保护法都是形同虚设的，所以到对当地企业和生活没有太多的影响或是震慑的作用。这样的情况也表现了政府在此方面没有做出过多的要求，更加没有对相应的企业做出措施，而且政府为了能够让城市发展的更快，在招商引资的过程中，没有对环境影响方面的进行约束。3.雾霾污染特征1) 我国大范围雾霾期间，8个重点城市PM2.5、PM10均严重超标，其中PM2.5平均超标2.34倍，以石家庄市污染最严重; PM2.5/ PM10比值平均为0.72，北京最高为0.98，交通源污染对雾霾天气贡献明显。2) 雾霾形成#发展表现出显著的区域性特点，北京、天津、石家庄三市变化趋势基本相同，济南与郑州、太原与西安发展趋势接近。区域气候变化及污染物的迁移是形成雾霾区域性的主要原因。3) 夜间逆温与雾的形成导致污染物扩散困难，以及雾霾相互转化形成恶性循环，加上长期无降水降雪及大风天气，是本次持续大范围雾霾天气的气象成因。4) 主成分及相关性分析表明，机动车尾气污染是本次雾霾形成的重要原因，济南、太原、西安等市大气污染表现出显著的复合污染特征。4.雾霾分析方法中国在 PM2.5 研究方面起步较晚，随着近几年的雾霾化严重，才引起政府部门和一些学者对 PM2.5 的研究工作的重视。在以前分析颗粒物主要是研究 PM2.5 和气象条件的相关关系。刘辉等在分析北京市 PM2.5 及其水溶性离子在 200年前后的变化特点时通过采集部分地区作为观测点，得出在排除污染源排放之外，影响 PM2.5 增加的最重要因素就是气象条件，除此之外还会影响水溶性离子浓度。刘辉的一系列的研究表明气流的区域性流动也会影响 PM2.5 污染严重性。樊文雁等在北京通过观察分析，得知雾、霾、晴 3 种典型天气状况下大气细粒子质量浓度具有垂直分布的特点。吴志萍等通过研究校园内多种城市绿地空气 PM2.5 的月日变化规律，得知在不同天气条件下不同绿地的 PM2.5 浓度也有极大差异。孟昭阳等持续观测了 2005 年 12 月至 2006 年 2 月太原市区气象溶胶细粒子 PM2.5，并首次用碳分析仪进行了有机碳和元素碳的测定，得出在冬季时太原市 PM2.5、有机碳和元素碳浓度显著高于其它季节，即知太原市冬季污染严重。在该文最后还得出，各种气象条件对 PM2.5、有机碳和元素碳都有着较强的影响作用，特别是相对湿度、风速、气温等。周丽运用统计分析和气象统计预报的方法，利用已知气象观测资料，综合分析了影响大气污染的因素，建立了气溶胶 PM2.5 粒子浓度与气体污染物、气象要素场的两类统计相关拟合模型。随着技术的不断发展，包括一些检测手段的进步，对于 PM2.5 观测特征以及成分和来源分析研究越来越多。陶俊等于 2009 年 4 月 19 日至 5 月 17 日在成都城区每天采集 PM2.5样品，然后对样品进行 8 种碳组分、水溶性有机碳、左旋葡聚糖及水溶性离子分析，初步探讨了碳气溶胶的来源。结果表明 EC2、EC3 主要来源机动车排放，EC1 主要来源于煤炭排放。木拉提等则在沙尘暴期间探讨了北京地区沙尘中 PM10、PM2.5 所含化学元素含量变化的规律和特点。王巍等研究分析了北京和内蒙古阿拉善盟两地 PM2.5 和 PM10 质量浓度变化情况，得出在污染物 Pb、As 容易在 PM2.5 中聚集，并且得出可能主要来源于人类，与其它的自然影响因素无关。张永等研究家庭居室空气中 PM2.5 浓度及其影响因素，得出 PM2.5 和 PM10具有较强的统计学相关性。程鸿等调查住宅内空气污染状况，通过研究室内室外活动对 PM2.5 浓度的变化影响，制定出室内空气质量标准。田芳等通过在天津市塘沽区布设 3 个采样点，共采集 12 个 PM2.5 样品，测定其中 16 种优控 PAHs 的含量，研究细微颗粒物 PM2.5 中 PAHs 的分布特征及来源，通过研究得出，煤的燃烧、工业污染是 PAHs 污染物的主要来源，交通和燃煤是 PAHs 工业点来源的主要来源，而乡村点则主要是煤的燃烧或者来源城市中心或工业点通过大气流而来。何宗健等调查夏季南昌市大气颗粒物 PM10、PM2.5 的污染水平，2007 年 78 月在南昌市 5 个典型城市功能区采集了 80 个样品。得出南昌市污染严重，且交通干线远远大于工业区，工业区大于商业混合区，商业混合区大于居住区，而居住区则远大于远郊区。王娟等（利用气相色谱质谱技术分析了秋季鄂尔多斯市居民区、工业区和清洁区 5 个采样点大气 PM2.5、PM10 颗粒物中正构烷烃组分，通过与中国其他大中型城市对比发现，中国多地区 PM2.5、PM10 颗粒物中正构烷烃主要来自于人为污染排放。刘刚等研究杭州市大气 PM2.5 中重金属和碳、的污染状况得出，杭州市 PM2.5 重要组成部分是碳，而主要污染重金属是 Zn、Pb、Cu、Mn，氮、氢则主要是以无机氮和有机氮等多种形式存在。刘章现等调查平顶山市大中型商场室内空气可吸入颗粒物( PM10) 和细颗粒物( PM2.5) 的污染情况得出，商场内空气中颗粒物污染严重。赖森潮等调查广州市居民室内空气中PM2.5 的污染特征并探讨其污染来源得出，室内污染源，室外污染源以及房屋条件等对室内的 PM2.5 浓度水平的影响较大。郝明途等用重量法测定了济南市PM10、PM2.5 的质量浓度，结果显示，济南市在冬季 PM10 和 PM2.5 污染严重。同样的，黄鹂鸣等初步调查南京市空气中颗粒物 PM10、PM2.5 的污染水平，得知在南京市污染最为严重，且研究得出对人体健康危害最大的主要是 PM2.5。吴国平等为了研究中国四大城市空气中 PM2.5 和 PM10 的污染水平，在这 4个城市分别设一个污染点和对照点进行了为期 2a 的 PM2.5、PM10 和 TSP 监测，结果表明，空气中颗粒物的污染是严重的，污染点比对照点更甚。对人体健康危害较大的 PM2.5 普遍超过美国新标准的 28 倍。在对 PM2.5 的研究过程中，利用数值模拟工作还是较少，直到费建芳等利用多尺度空气质量模式系统对北京等多地区的一次大雾霾天气下细小颗粒物的浓度进行数值模拟，分析了 PM2.5 演变过程和影响。要想改变这种落后的状况首先要做的就是加强 PM2.5 的全面系统的监测与公示，为开展 PM2.5 研究工作提供资料保证。同时在探讨污染物形成、变化的机理的过程中，需要大力地开展数值计算模拟方面的工作，并在对数据进行建模的过程中需要更多地考虑进行多维的相关性分析，比如传递函数模型或多输入变量的协整模型等。而且在数据分析处理时应多利用相关的标准统计专业软件如 SAS、R 软件等进行分析。这些工作都需要大力开展并且必将成为以后研究的重点。5、PM2.5时空分布特征以京津冀包括北京、天津、石家庄、邢台、邯郸、衡水、保定、沧州、廊坊、唐山、张家口、承德、秦皇岛等 13个城市为例研究2013年11月到2014年11月的雾霾时空分布（1）时间动态变化特征由京津冀2013年11月到2014年11月PM2.5浓度值变化情况可知，在时间序列上，总体变化趋势呈现出秋末至冬初骤然上升、春初骤然下降的特征。具体变化特征为: 在 11月至次年2月呈不断攀升的趋势，在冬季( 12 月至次年2月) 浓度值达到最高值，雾霾最严重。进入春季( 3-5月)PM2.5浓度值呈下降趋势，春末形成较稳定的良好状态。夏季PM2.5浓度值降至最低，秋末PM2.5浓度值骤然上升，之后再次进入攀升期。PM2.5浓度值随四季的天气变化形成了一个恶性循环。（2）空间分布特征京津冀 PM2.5浓度值空间分布总体特征表现为从西北