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珠江三角洲大气气溶胶污染形成机理及研究进展摘要：大气气溶胶的气候效应和环境效应研究是当今国际科技界的热门课题。近几年来，珠江三角洲地区的气溶胶污染日趋严重，气溶胶云一年四季都可以出现，造成空气质量和能见度下降。珠江三角洲是典型的城市群，本文对该地区大气的气溶胶的形成机理以及危害、预防措施和管理办法以及研究进展进行了综述。关键词：气溶胶 灰霾 细粒子 PM2.5 PM101绪论 地球大气中除了气体成分之外，还悬浮着各种固体和液体粒子，如尘埃、微生物、植物孢子和花粉、冰晶等，这种由固体和液体微粒与气体载体共同组成的多相体系称为大气气溶胶。气溶胶粒子中空气动力学直径100um的颗粒物又称总悬浮颗粒物TSP(Total Suspended Particle)，其中TSP中粒径2.5um的颗粒物称为可吸入颗粒物，记作PM2.5。大气中的气溶胶粒子主要来源于自然过程和人为过程。自然过程排放的气溶胶有火山爆发时排出的火山灰，海水翻腾向大气释放的海盐粒子，植物花粉、孢子，大风扬起的沙尘等。人为过程排放的气溶胶包括工业、餐饮业和居民生活中燃料燃烧放出的烟气和汽车尾气中排出的颗粒物等。另外，各种气态污染物也可以通过气粒转化产生二次气溶胶。例如大气中的化学氧化过程可使气态NOx和S02转化为液态硝酸和硫酸，并可进一步转化为固态硝酸盐和硫酸盐颗粒物。在光照条件下，氮氧化物和非甲烷碳氢化合物(NMHC)经过一系列光化学反应，可生成03和过氧化乙酰基硝酸酯(PAN)等光化学氧化剂，以及各种自由基、醛、酮等，产生光化学烟雾和二次气溶胶。2珠江三角洲气溶胶污染的状况及研究意义2.1珠江三角洲气溶胶的污染状况近年来，珠江三角洲地区的气溶胶污染日趋严重，大气透明度越来越差，表现为与人类活动及其经济发展水平密切相关，以及明显的区域特征。图1是珠江三角洲地区夏季平均的EOS/MODIS卫星遥感气溶胶光学厚度分布图，可以看到珠江三角洲城市群上空的大气气溶胶污染明显比周边地区严重，550nm的平均气溶胶光学厚度在0.70.8之间，较周边地区几乎大一倍。而且重污染区偏于珠江口以西的珠江三角洲西侧，这与广州、佛山以及南海、番禺、顺德等地大量分散的加工业排放源和密集的区域交通网有关。其它季节的情况更加严重1。2.2珠江三角洲气溶胶的研究意义(1) 珠江三角洲是中国经济增长最快和最活跃的地区之一。但是，随着经济总量的迅猛增加和大气污染物排放总量的不断增大，珠江三角洲城市群气溶胶污染问题突出23因此，改善珠江三角洲的空气质量，已经成为珠江三角洲实现可持续发展的关键问题之一。对珠江三角洲气溶胶进行遥感监测，了解气溶胶分布特征，对珠江三角洲地区的大气污染防治有十分重要的意义。 (2) 在珠江三角洲大气污染防治高峰论坛上，中国工程院院士钟南山指出：“50岁以上的广州人肺都是黑色的”。因此对广州的气溶胶进行较为长期的定点观测，分析广州大气气溶胶的变化特征即污染类型显得十分重要，也十分必要。(3) 珠三角是较典型的城市群区域，近年来煤烟型污染基本得到控制，但酸雨率仍居高不下，灰霾天数逐年增加，光化学烟雾、细粒子等二次污染成为珠三角目前最主要的环境问题。3气溶胶的危害3.1气溶胶对人类生存环境的危害根据美国环保局1999年的报告，气溶胶颗粒物常含有重金属、杀虫剂等，具有致癌性。PM2.5由于粒径小，极容易在人体肺泡沉积，并进入血液循环，对人体健康危害很大。近10年来美欧在流行病学领域的研究表明，城市空气可吸入颗粒物与医院就诊率、呼吸器官疾病发病率乃至死亡率等关系密切。3.2气溶胶对天气气候的影响大气气溶胶直接影响大气中云的形成。气溶胶粒子通过散射和吸收太阳光导致环境温度发生改变。气溶胶中的黑碳粒子(在城市中最大的来源是汽车发动机)，可以吸收从紫外到红外谱段的辐射，导致大气加热4。另一方面，大气气溶胶粒子愈多，大气透明度越小，使相当数量的太阳辐射反射回太空，直接起冷却地球的作用，在一定程度上又抵消了大气中温室气体的加热作用5。除了影响气候变化，气溶胶对发生在大气中的天气现象也有影响。例如气溶胶污染与雾关系非常密切，它们之间相互影响，气溶胶对雾具有生消双重作用6,7。研究认为，由于在污染云里，存在太多的气溶胶小微粒，每个小微粒都吸附水分凝聚，致使很少能形成大得能足以在蒸发之前到达地面的雨滴，所以抑制了降雨和降雪的形成。3.3气溶胶对其他方面的危害气溶胶不单对人体造成伤害，而且还由于大气能见度降低，导致交通事故增加。此外气溶胶吸附的酸性物质还会影响植物的正常生长，并对裸露户外的各种材料如钢、铜、铝等有腐蚀和破坏作用8。4 珠江三角洲大气气溶胶的形成机制 大气气溶胶是固、液、气三相物质结合的胶体系统，颗粒物中既有有机物又有无机成份，是大气圈与水圈、岩石圈、生物圈、地形圈、土壤圈(层)和人类圈，不断进行物质，能量的相互联系，相互作用，综合作用的产物，太阳能和地球内能(如火山活动)均为其提供了能量来源。人类的社会经济活动，改交了地表自然圈层系统，剧烈影响着地球表层的物能流，排放了大量大气污染物，打破了系统的平衡，造成了大气环境污染加剧。珠江三角洲高速的城市化和经济发展，打造了珠三角城市群和富足的珠三角经济圈，同时也改变了珠三角的地表圈层系统的平衡，导致了珠三角灰霾天数增加，大气气溶胶污染严重的局面。珠江三角大气气溶胶污染是珠三角及其周边地区各地理圈层要素耦合的结果。4.1大气圈的主要贡献 大气圈是气溶胶的承载体。大气圈对大气气溶胶污染的主要贡献体现在两个方面。(1)污染物的区域输送通过大气运动可以使污染物从其他区域移送到珠三角区域，使其遭受大气污染；另外，海陆风也可以将城市的污染物通过热力环流带回到珠三角部分城市，加重城市上空气溶胶的积累。(2)污染物滞留污染物滞留的气象条件是水平方向上的静风条件和近地表大气层结稳定。等压线稀疏，特别是均压场的形成及持续存在数天，造成连续数日的静风条件，大气污染物不利于从水平方向输送出去，大量在地表聚集，超出该区域近地表大气本身的自净能力，造成大气污染。垂直方向上大气稳定，特别是出现较厚的逆温层，大气气溶胶污染物短期内不自基通过溜流输送到上空，而是在近地层不断积累，也会造成大气气溶胶污染。4.2水圈的主要贡献地表水体对大气气溶胶污染的贡献主要体现在两个方面。(1) 源 一方面，地表水的凝华产物在大气中直接成为大气气溶胶颗粒物；另一方面，蒸发到大气中的水汽与大气中的氮氧化物、硫氧化物等反应，形成二次污染物颗粒，间接地增加了大气气溶胶颗粒物。(2) 输送纽带珠江三角洲东、西、北三面环山，山体对区域之间污染物的输送有阻挡作用，珠江水系成为广东省与外界联系的天然纽带。河流流经的河谷地带是山体阻挡的缺口区域。西江、北江，韩江和东江等水系是珠三角与广西，湖南，江西等省份进行地表污染物区域输送的通道。珠三角地区和广西均为气溶胶高值区域，经过西江水系，广西的高浓度大气气溶胶输送到珠三角地区，从而维持并进一步加强了珠江三角洲地区的高AOD值。4.3地形圈的主要贡献珠江三角洲东、西、北三面环山，南边面海，本区为地势平坦的三角洲平原。这种“簸箕”状地形格局，会造成南来的气流在此区域产生旋转流动，形成“零合风”(区域内所有风的矢量和为零的等效风)，污染物不能及时有效地从水平方向排出，从而加剧大气气溶胶的积累。4.4生物圈的主要贡献生物圈中的绿色植物可吸烟除尘，净化大气，维持大气良好的自净能力。足够的绿色植被可以使大气中的气溶胶粒子被吸附，离开大气层；被净化了的大气反过来可以吸纳、稀释和净化更多的地表产生的大气气溶胶污染物。气溶胶颗粒物在大气与下垫面问的迁移转化中，植被发挥了积极作用。水热条件优良的珠江三角洲在自然条件下是有利于绿色植被生长的，但由于高速城市化，珠三角城市群改变了自然的植被覆盖，城乡结合部越来越不明晰9。近三十年来由于珠江三角洲植被面积不断减少，绿色植物的调节能力减弱，大气气溶胶颗粒物不断增多，大气本身的调节能力减弱，污染事件不断增多。4.5岩石圈和土壤圈(层)的主要贡献岩石圈的风化物和土壤颗粒被风吹拂带到大气中，增加了大气中的气溶胶颗粒物。由施工等人类活动，植被不断遭到破坏，地表裸露，特别是在降水较少的冬半年，在风力作用下，不断有浮尘被带到大气中，增加了珠三角大气污染物的含量。4.6人类圈的主要贡献1)直接作用除了人类活动通过影响地表其他豳层来加重大气气溶胶污染外，人类活动也直接向大气排放着大量的气溶胶颗粒污染物。随着私人小汽车的不断普及，大量的汽车尾气已成为珠三角大气污染物的主要来源之一；工业活动也向大气中排放了大量的气溶胶颗粒物，如顺德的瓷器工业成为当地大气污染物的主要污染源之一；“摩的”等低燃烧率的交通工具产生了大量炭黑颗粒，也是珠三角大气气溶胶的污染来源之一；化工厂和电厂等均会向大气中排放气溶胶颗粒污染物。2)间接作用平坦开阔的珠江三角洲平原有利于来自南岭的风畅流入海，将大气污染物迅速从珠三角吹移出去，但珠三角城市群改变了珠三角原始的平原地形结构，形成了独的人工地形。高楼林立，增加了大气运动的摩擦力，减小了风速，使城市群中静风天数增多，有利于污染物的滞留积累，造成大气污染。4.7珠江三角洲大气气溶胶发生系统珠江三角洲地区大气气溶胶发生系统是个开放的复杂系统，与其他区域存在着物质和能量的交换，由于地处亚热带季风气候区，大气气溶胶污染物随时间呈现出较明显的季节变化特点。冬半年污染物的出现频率高于夏半年。人类的社会活动不断改变自然要素，打破自然环境的平衡，导致整个系统向着有利于大气气溶胶的产生和持续积累的方向进行时，我们的大气环境就会出现持续的恶化，导致大气环境污染。5大气气溶胶污染的预防措施和管理办法5.1气溶胶污染的预防措施(1)气溶胶污染的预防气溶胶污染的形成机理复杂，不仅与气象的变化因素有关，更是人为污染加剧的直接后果，经济高速发展过程中工业气体和汽车尾气的排放是根本的原因。因此，在现有城市格局和规划条件下，调控和控制污染源的排放是预防灰霾污染的关键。(2)动态调控污染源的排放从国外的经验来看，动态调控污染源的排放是减少气溶胶污染天气的有效途径。灰霾天气出现的一个气象特征是其区域有一个气流停滞区。当监测到某区域有气流停滞区时，该地区的汽车流量和工业气体排放就应该受到限制；而当大气条件好、空气扩散能力强时，则可以充分排放。(3)提高汽车尾气的排放标准机动车尾气排放的大量增加是灰霾产生的重要因素，因此通过提高汽车尾气的排放标准，使用高效、清洁和低排放能源，减低汽车尾气排放对环境造成的影响。比如通过改进三元催化剂性能，降低HC、NOX、SOX等污染物的排放。(4) 控制空气中臭氧和自由基等氧化剂的含量，斩断气溶胶形成的链条气溶胶现象可以导致近地臭氧富集，近地臭氧又加剧灰霾形成，因而，降低空气中的臭氧含量，进而减少近地臭氧对环境的危害。例如，通过涂装于汽车水箱上的臭氧催化剂，利用汽车行驶过程中降温水箱和风扇的气流流动作用，催化消除空气中的臭氧；或者在城市的拥堵路段设立大型的臭氧催化净化装置，降低空气中的臭氧含量。臭氧量的减少可以使二次污染物的产生减少，从而控制灰霾天气的引发。5.2 环境管理对对策针对珠江三角洲大气污染物的特征，PM10和PM2.5是首要污染控制对象，东莞、佛山和广州是重点污染整治区。根据污染物相关性分析PM10和PM2.5在珠江三角洲地区拥有共同的污染源，需要加强燃煤脱硫及除尘T作，特别是在一些燃煤使用量大的行业(如火电厂、陶瓷等)。现代的排烟除尘设备几乎能全部除去烟伞颗粒物中的粗粒子。至于气溶胶污染物积累到一定程度的时候会导致相关系数增大。PM10和PM2.5更加容易产生高浓度积累，建议在灰霾刚开始的时候加强环境管理，降低火电厂、陶瓷等用煤大户的作业负荷。另外需要做好城市建筑工地的防尘工作，针对珠江三角洲能耗高的情况，还应提高燃煤和重油的利用率，增大水电、太阳能、核电等清洁能源的使用比例。广州等大城市的汽车尾气也需要重点整治，建议优先发展公共交通，控制私人车辆增长。如采取提高新购车辆的上牌成本和年票费等方式，通过财政补贴降低公共汽车和地铁的费用(如北京)，鼓励更多的市民选择公共交通。有条件还可以对现有道路狭窄、车流量大的路段进行扩宽改造，加强疏导交通，减少拥堵现象，降低污染物的排放。6 问题与展望珠江三角洲的大气污染已由“城市污染”转向“区域复合型污染。区域性的大气污染，单纯依靠单个城市是不可能解决的，任何城市也都无法独善其身。(1)目前大气细粒子污染己经给珠江二角洲地区经济的发展和人们的生活带来了比较恶劣的影响，在此形势下已有许多机构展开了对该区域大气细粒子的研究，并取得了一些进展，今后在以下方面需要进行深入研究：(2)加紧解决环境监测到模拟中的一些瓶颈问题。应大力开展细颗粒物形成和演化规律的认识，解决大、中、小不同宏观尺度监测过程中遇到的基础瓶颈问题，利用学科交叉优势，在宏观、微观层面上，集中研究细颗粒物与气相组分之间的反应过程。(3)利用微观研究手段，加强细颗粒物表面化学物理过程研究.对细颗粒物表面结构和表面过程开展深入研究，建立适于细颗粒物表面和内部物理化学微观过程原位分析方法，利用敏感于表面的各种谱学技术获得表面仅几个分子层甚至但分子层的结构信息，在分子水平上揭示发生在细颗粒物表面的重要大气化学物理过程。(4)深入开展珠江二角洲地区大气细颗粒物的生理效应以及对人体健康的影响研究。应加强细颗粒物的生理效应研究，在