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中国雾霾的见解与缓解的综述

Xuliang Zhuang¹; lowast;, Yuesi Wang², Hong He¹, Jianguo Liu³, Xinming Wang⁴, Tingyu Zhu⁵,Maofa Ge⁶, Ju Zhou⁷, Guiqian Tang², Jinzhu Ma¹

1. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

2. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

3. Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

4. Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China

5. Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

6. Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

7. Bureau of Science and Technology for Development, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, China

摘要：本文概述了在中国雾霾的化学和物理特性,关注霾和大气微粒之间的关系,和霾的形成机制。它总结了几种控制技术和策略以减少雾霾的发生。仪器的发展和环境测量粒子的分析和前体浓度对霾的形成提供了重要的信息。事实上,新仪器的使用极大地促进当前在中国阴霾的研究。得出深刻结果的例子包括微粒和阴霾之间的关系,粒子的化学成分和来源,霾生消过程的影响,和控制霾形成的技术的应用。基于这些结果,两个相关问题亟待解决:理解阴霾和微粒之间的关系和理解如何控PM2.5。

关键词：霾，二次气溶胶，粒度分布，颗粒，化学成分

介绍

雾霾是一种大气现象,其特点是由于复杂的颗粒物悬浮在空中,如灰尘、烟雾和其他微粒使得能见度不到10公里,。PM10,PM2.5,PM1指在空气动力学粒子直径分别小于10, 2.5和1mu;m。粒子与空气动力学直径小于2.5mu;m被称为“微粒”,被认为能构成比大颗粒更大的健康风险,因为它们可以嵌入人们的肺部深处。除了对人类健康的不良影响,PM2.5还会诱导城市和郊区产生阴霾改变地球辐射平衡,破坏森林和农作物,并污染湖泊和河流。

可见烟雾与空气中几乎所有的污染物有关。在中国,人们关于PM2.5和PM10开始公开辩论,因为北京的天气预报站和这些公布的美国驻北京大使馆公布的空气质量监测结果经常不同。虽然使馆结果描述北京的空气质量为“危险”或“危险”,而北京天气预报站常常污染归为“小”。这两个来源为他们的立场辩护,说散度造成的测量标准的差异。中国目前使用PM10的数量,或颗粒物空气动力学直径小于10mu;m来测量空气质量。使用这种测量差异的根源通常被视为政府评级和中国公民所持有的看法。2012年1月,中国政府终于宣布, PM2.5的空气质量监测数据将向公众发布(这些数据之前只可用于实验室使用)。在过去的几十年里,测量PM2.5中国科学院(CAS)已经实现的许多机构,包括大气物理研究所(IAP),生态环境科学研究中心(RCESS)、广州地球化学研究所(GIG),地球环境研究所(IEE),安徽光学和力学研究所(AIOFM),过程工程研究所(IPE)研究所的化学(IC)和城市的研究所环境(IUE)。PM2.5测量在技术上已经取得了巨大的进步,使用的设备和技术的长期数据监控和分析,了解PM2.5形成的机制, PM2.5曝光控制。目前在中国PM2:5的研究的进展和前景关注的结果都来自于CAS。

1霾的形成机制

1.1阴霾和微粒之间的关系

烟雾是一种微粒导致消光通过散射和吸收的大气现象,这掩盖了清晰的天空(Watson,2002)。粒子的消光系数密切相关,大小、形态、化学成分和混合状态(Madronich and Flocke,1999)。事实上,颗粒直径在0.4和1.0mu;m之间 (光学当量直径) 在大气中灭绝潜力最大 (可见光的波长在0.4和0.7之间mu;m)。因为细颗粒小,低密度和高浮力,它们在大气中存活的时间更长(Haglera et al .,2006)。微粒也作为多相化学反应的载体(Pathaket al .,2009)。大气中差动传动气团导致复杂的阴霾和区域差异。因为单粒子密度变化很大,没有粒子质量浓度之间的定量关系和可见性。与质量浓度相比, ,微粒的数量浓度每单位体积有更直接的影响在霾的形成。因此减少能见度主要受到粒子数浓度而不是粒子质量浓度的影响。的确,一个更大的粒子数浓度表明,参与更多的微粒的散射可见光(Buml;aumer et al., 2008)。所观察到的IAP,在北京PM2.5质量浓度占PM10的60%,和PM1.0质量浓度占PM2.5的60% (Liu et al .,2011)。有趣的是,PM2.5计数浓度分散在可见光占PM10的99%。能见度在北京很好,当细粒(PM0:4minus;1)数量浓度小于1000 cmminus;3 ,和当轻霾出现时细粒子数浓度增加到3500 cmminus;3。当微粒的数量浓度增加到超过15000 cmminus;3, 因为广泛的区域霾污染能见度急剧下降。（Liu et al .,2011）。

1.2 PM10，PM2.5和PM1之间的关系

尽管在过去中国国家空气质量标准只包括PM10指南水平,PM2.5和PM1的指南最近建立了(表1)。一般来说,可吸入颗粒物是指可吸入颗粒物。重要的是,PM2.5可以渗透到肺部深处，并且PM1是PM2.5中可吸入的可以触发血管,心脏和其他器官炎症的子集粒子。PM2.5minus;10被认为是粗粒子和占了一大部分的PM10。然而,粗粒子在大气中单位体积很少,并且在大气消光过程中只扮演次要角色。近年来,北京市政府实施了一系列的环保措施,如首都钢铁工厂的搬迁,禁止柴油汽车、封闭灰尘和其他建筑工地,大大降低粗颗粒的浓度。然而,诱导阴霾消失归因于PM2.5,PM2.5浓度略有增加。这些相互矛盾的结果导致了对方的报告可以接受由环境保护部PM10浓度,因此公众舆论的空气质量恶化。

1.3阴霾和PM2.5中化学组成的关系

在城市地区发现大部分的微粒来自化石燃料的燃烧,大部分这些粒子具有多孔结构,有非常大的特定的表面区域。因此,微粒有能力吸收有毒、有害物质。大气PM2.5的另一个重要来源是使用初级粒子作为载体异构形成新的次级粒子。次级粒子的贡献可以在全球范围内高达20%－80%,可以达到60%,中国的东部(Seinfeld和Pandis,1998)。例如,超细碳酸钙粒子有一个非常弱的消光效果,但在中国西北部和北方旅行之后,碳酸钙粒子与酸性气体二氧化硫和氮氧化合物发生反应,生成靠近城市的CaSO4和Ca(NO3)2。这些化合物有很强的吸湿性。因此,

粒子吸收水分和扩大,形成烟雾微粒具有高消光能力。初级粒子产生和扩展通过物理(吸收)和化学过程(多相反应),涉及几乎所有的元素周期表。因此,有不少于三万的可以形成的化合物会导致空气污染,这凸显了霾形成的理解的难度。PM2.5的化学成分的分析京津冀(BTH)地区IAP透露,二级水溶性离子包括硫酸盐、硝酸盐和铵盐(30% - -40%),碳质气溶胶(30% - -40%);和金属元素(大约10%)。以汽油质量为例,中国汽油的硫含量与欧洲和日本相比相对较高。汽油中的硫可以产生纳米大小,硫酸和硝酸的微粒(弱光灭绝的能力)聚合和成长为粒子大于0.4米(消光能力强),形成霾粒子。此外,中国的汽油和柴油燃料主要是由重油裂解,导致烯烃含量非常高。石油的燃烧可以很容易地形成黑碳颗粒直接吸收可见光。虽然黑碳粒子密度很低(占一小部分PM10质量浓度),石油的燃烧产生大量的黑碳粒子,从而导致阴霾。近年来,越来越多严重的烟雾污染事件的密切相关的快速增加轻质碳质气溶胶。这是美国环境保护署数据变化的另一个原因来自公众舆论。

基于长期的观察PM2.5在珠江三角洲地区(PRD),GIG的科学家们调查PM2.5暴露水平在典型的微环境(Song et al., 2004; Li et al., 2011; Zhao et al.,2005; Wang et al., 2006a; Long et al.,2010)和PM2.5周围空气的化学成分和来源(Wang et al., 2006b; Duan et al., 2007; Tan et al., 2009a,2009b; Lv et al., 2010a, 2010b; Gao et al., 2011;Wei et al., 2011)。他们还比较了在雾霾天和在正常天PM2.5的化学成分浓度 (Li et al .,2011;Tan et al .,2009 a,2009 b)。PM2.5的血中毒效能和他们不同的有机分数在正常和雾霾的天被进一步研究,结果表明,PM2.5污染和烟雾的不良健康效应出现在区域范围内(Xu et al .,2008)。灭绝化学分析显示,有机物质贡献28%来消光,这接近硫酸(32%),和所有的组件受损的可见性中发挥了关键作用(Wang et al .,2012)。珠三角地区的野外观察表明,二次有机气溶胶(SOA)对大气能见度有显著负面影响(Tan et al .,2009 a,2009 b)。Tracer-based SOA估计表明,SOA在珠江三角洲地区主要(大约75%)与人为前兆如芳烃(丁et al .,2012)。生物SOA中,催化异构反应被发现是异戊二烯的SOA的主要形成途径示踪剂(如：在珠江三角洲地区, 2-甲基丁四醇)。然而, 在珠江三角洲地区这是SOA示踪剂形成在气溶胶酸度的影响上一个巨大的差距 (即与前室的研究，数量级低)。这个结果表明,SOA形成更复杂的真正的大气中,应采取谨慎当商会推断结果来描述环境样品(丁et al .,2011)。

目前,大气细粒子的形成机制和数量,特别是纳米级粒子尚不清楚。理化性质是复杂的,时空演变很大,阐明纳米粒子的影响形成的烟雾粒子在大气研究是一个新的挑战。

1.4雾霾生消形成的影响

中国的空气污染的特点是在大气中共存的高浓度的气体污染物和颗粒物。如前所述,PM2.5,特别是PM1,在大气中存在很长一段时间,可以长距离运输。此外, 由于其巨大的表面积许多气态污染物很容易吸附到PM上。因此,异构和多相反应在大气中气态污染物和点之间不仅改变气态污染物的分布,而且极大地改变化学成分和理化性质的点。这种现象被称为点的老化。二次气溶胶形成的氧化气态前体氧化剂和同步异构反应霾形成的机制非常重要。因为他们的时间和空间分布不均,大量物种的参与和协同作用的拮抗效果,霾形成的机制非常复杂。因此,许多大气和环境科学的研究集中在调查霾形成的机制。研究表明,大气痕量气体之间的反应（如NO2、SO2、OCS和CH3COOH）和矿物尘粒后导致的形成硝酸盐、硫酸盐、醋酸,成为内部与矿物颗粒混合(He et al., 2005; Liu et al., 2008b, 2012a;Liu and He, 2009; Ma et al., 2008; Tong et al., 2010)。此外,烟尘,O3氧化能产生烟尘表面含氧极性物种(Liu et al .,2010)。内部混合可溶性盐或极地物种可以增强粒子的亲水性(Ma,2010)。点的高吸湿性可以进一步促进点之间的反应和可溶性气体污染物增加粒子大小和增强消光,都是有利于霾的形成。ICCAS进行了一系列的实验室调查研究均匀挥发和自由基之间的反应,如OH,NO3和Cl。我们发现重要的短暂的,高度活跃的物种,反应途径和机制在大气化学转化过程。结果提供基础数据和科学支持研究挥发的大气化学和评估他们的环境影响(Du et al .,2007;Wang et al .,2009,2010a,Gai et al .,2009,2011a)。随后,我们将异构动力学的研究扩展到包括氧化剂,这凸显了过氧化氢之间的异构反应和气溶胶。证明了多阶段,通过过氧化氢催化氧化可能是一个重要的二次有机气溶胶来源(Wang et al .,2011;Liu et al .,2011 b,2012 b)。此外,环境因素非常有影响力的异构机制。事实上,研究表明,相对湿度的差异会导致反应之间的有机酸和尘埃的变化 (Tong et al .,2010),而低温可以增加二氧化硫和粉尘间异构反应(Wu et al .,2011)。次生气溶胶的形成和老化的研究为跟踪阴霾的原因创造了一个坚实的基础。

2 仪器的发展与测量

2.1技术监测和仪器发展

PM2.5监测要求连续、实时、在线的测量，不仅要测量质量浓度大小,还有数量,颗粒物的组成。目前,一个大气细粒子质量浓度(PM2.5)自动在线监测和碳黑气溶胶分析仪已经由中科院工业化。空气动力学粒径分析

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