拨开迷雾看雾霾 焦超逸 安娜堡沙龙，Aug 30,2014

首先： 就像学计算机专业的不一定会修电脑， 学大气专业的也不一定能预报天气。

题纲 雾霾的基本概念：组成，来源 雾霾的形成因素：排放，气象场 历史上著名的雾霾污染事件 关于我国雾霾的分析 空气质量指数是什么 雾霾对健康的危害和一些对应办法 关于消除雾霾的一点看法

雾霾里都有啥？ 雾是空气中的水汽凝结现象，是自然的天气现象，和人为污染没有必然联系；霾是排放到空气中的尘粒、烟粒或盐粒等气溶胶的集合体，是大气污染所导致。 二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)以及可吸入颗粒物(PM, Particulate matter)这三项是霾主要组成。 气态的这两个先不说(相对比较简单)，先看看颗粒物。

什么是PM？什么是PM2.5？ 定义：环境空气中空气动力学等效直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。 2.5只是指直径，和成分无关，和毒性无关 空气动力学等效直径？

首先，这些颗粒物的形状非常不规律。 This image shows a magnified view of aerosol particles collected in the industrial city of Port Talbot, England. Photo credit: NASA

空气动力学等效直径？ 空气动力学直径又称气体动力学当量直径。表述粒子运动的一种“假想”粒度。斯托伯把它定义为：单位密度（ρ0=1g/cm3）的球体，在静止空气中作低雷诺数运动时，达到与实际粒子相同的最终沉降速度时的直径。也就是将实际的颗粒粒径换成具有相同空气动力学特性的等效直径（或等当量直径），不论其形状，大小和密度如何，如果它在空气中的沉降速度与一种密度为1g/cm3的球型粒子的沉降速度一样时，则这种球型粒子的直径即为该种粒子的空气动力学直径。

颗粒物里有什么？ Dust Soot (Black Carbon) Smoke liquid droplet 这两个比较复杂，会参加化学反应

雾霾形成两大主因： 1 存在雾霾排放源 2 合适的气象条件 雾霾形成两大主因： 1 存在雾霾排放源 2 合适的气象条件

形成源有哪些(人为)？ 所有的燃烧活动 （机动车尾气、发电、冶金、农业废料燃烧，等等） 细颗粒物源 (<2.5) 某些工业活动 矿石开采等 道路和施工工地扬尘 气体等在空气中的再次反应生成气溶胶 细颗粒物源 (<2.5) 粗颗粒物源(2.5~10)

形成源有哪些(自然)？ 土壤扬尘 海盐 植物花粉 孢子 细菌 火山灰 森林大火 等等。。。 对的，这些都有可能是，但是一般认为自然排放源的危害不大（数量上和成分上）

1、 中国这PM2.5浓度。。。 2、 图中大概分析下人为污染源和自然污染源

几个典型排放源 Soot: Black Carbon consists of pure carbon in several linked forms. It is formed through the incomplete combustion of fossil fuels, biofuel, and biomass.

老式柴油机 未经处理的燃煤废气

二次有机气溶胶 过于复杂，略过。基本概念就是上面讲的很多物质都不是稳定的，尤其在有阳光的情况下，会发生复杂的化学反应。 在模式中如果想模拟二次有机气溶胶，大概需要100~200+ 个反应。。。 很多生成物也是有害的。。。 Upper Fig: Formation of Secondary Organic Aerosols Through Photooxidation of Isoprene Claeys et al., 2004

颗粒物的传输 从西风带这个角度讲，日本韩国提出的受中国污染物影响不是没有道理，当然在定量上，还有很大分歧。不过可以确定的是他们受到的影响肯定比我们小的多的多。

雾霾形成两大主因： 1 存在雾霾排放源 2 合适的气象条件 雾霾形成两大主因： 1 存在雾霾排放源 2 合适的气象条件

气象系统对雾霾的影响 如果气象场对污染物扩散有利，在排放源不变的情况下，雾霾会减轻很多。 有利于形成雾霾的气象场： 水平方向静风现象增多 垂直方向上出现逆温 缺少降水（雨雪）

水平方向静风现象增多 城市里大楼越建越高，阻挡和摩擦作用使风流经城区时明显减弱。静风现象增多，不利于大气中悬浮微粒的扩散稀释，容易在城区和近郊区周边积累。

垂直方向上出现逆温

为什么说早晨的空气质量不一定好？ 逆温层导致夜间污染物浓度上升 早高峰的尾气排放信号 臭氧主要是光化学反应，比较特殊

缺少降水（雨雪） 雾霾中的大部分成分是亲水性(hydrophilic)的。即使是不亲水的dust, soot也会在空气中被亲水基团coating，转化为亲水的。 比如拿soot (black carbon)来讲，大致正常情况下空气中90%以上的都是亲水的。 所以说一场大雨或者大雪对于缓解污染很有效。

历史上的雾霾 1930年，比利时发生马斯河谷烟雾事件。马斯河谷是比利时重要的工业区，该地处于狭窄的盆地中。当年的12月1日至15日，马斯河谷上空出现了很强的逆温层，在其持续作用下，马斯河谷工业区排放的大量烟雾弥漫在河谷上空无法扩散，越积越厚。第3天开始，河谷工业区有上千人发生呼吸道疾病，一周内就有60多人死亡。 1948年，美国的多诺拉出现类似事件。多诺拉是美国宾夕法尼亚州山谷中的一个小镇，是硫酸厂、钢铁厂、炼锌厂的集中地。

历史上的雾霾 1952年，英国出现骇人听闻的“伦敦烟雾事件”。12月5日至8日，伦敦上空维持逆温层，高压中心控制下一连数日无风，大雾笼罩城市，燃煤排放的煤烟粉尘等污染物在无风状态下蓄积不散，呼吸道疾病患者剧增。仅4天时间死亡人数就达4000多人，之后的两个多月又有8000多人陆续丧生。

让我们回顾下去年的情况 我国能见度逐年下降，从上世纪60年代为近26公里，下降至近十年为平均22公里左右。 2013年1月，在全国2400余个气象观测站中，能见度小于等于1000米、500米、200米的站次数分别达到8233站次、5218站次和3374站次，分别为近7年平均值的2.7倍、2.6倍和2.5倍。 第一批实施环境空气质量新标准的74个城市监测结果表明，1月份总体超标天数达68.4%，其中严重污染占10.0%，重度污染20.2%，中度污染13.5%，轻度污染24.7%；PM2.5的平均超标率为68.9%，月均浓度为130微克/立方米（表示每立方米空气中可吸入颗粒物的含量，值越高代表空气污染越严重），最大日均值达766微克/立方米。

2013雾霾原因分析 2013年我国出现多次大范围的雾霾天气过程，是有利于雾霾产生的气象条件和由于人类活动造成的不断增加的污染物排放共同作用的结果。 接下来分析一下国家气象局的一个报告：

2013年1月我国中东部大部地区稳定类天气出现的频率较常年明显偏多，其中华东地区为56. 5%、华南57. 3%、西南63 2013年1月我国中东部大部地区稳定类天气出现的频率较常年明显偏多，其中华东地区为56.5%、华南57.3%、西南63.7%，而华北地区高达64.5%，与2006年并列为近10年最高。加之南方暖湿气流相对较强，上述地区近地面空气湿度大，因此出现大范围持续雾霾天气。 冬季北方地区燃煤采暖、春秋季农村地区秸秆焚烧都会造成碳气溶胶的浓度明显增加；春季，西部地区受沙尘天气影响，以沙尘气溶胶为主。我国华北地区工业相对比较发达，排放的二氧化硫较多。。。Terra卫星遥感数据反演得到全球PM2.5浓度分布，结果表明全球大部分地区年均PM2.5浓度 <10微克/立方米，而在我国中东部地区则达到60-90微克/立方米，部分地区甚至 >100微克/立方米。。。近年来，由于煤炭消耗量和机动车数量增长等因素，我国气溶胶浓度不断上升，1995年到2012年，二氧化硫排放总量已由1.89×107t 增加到2.12×107t。

雾霾中污染物的加入显著改变了气溶胶浓度，可促进水汽凝结，形成更多的云雾滴，水汽凝结时释放的潜热又有利于雾区的抬升和扩展；另一方面，云雾滴和气溶胶的增加将更多的太阳辐射反射、散射回大气中，使到达地面的辐射减少，地面气温下降，大气层结稳定度增加，造成每日正常排放和转化的气溶胶粒子更易在近地层大气中集聚，能见度进一步降低。由此可见，气溶胶的增多通过影响近地面层动力和热力场，对雾霾的发展起正反馈作用。 人类活动产生的污染源排入大气中，其中二氧化硫、碳氢化合物、氮氧化合物等一次气溶胶通过化学反应和气粒转化过程，形成硫酸盐、硝酸盐和氯化物等新的比较稳定的颗粒，即二次气溶胶。大量观测数据表明，大气中二次气溶胶对PM2.5浓度的贡献很大，大气污染物中有近5成的颗粒物来自于二次反应。

接下来讲讲生活中会接触的一些概念

空气质量指数 首先，这个不是简单地污染物浓度，各国的计算方法也不完全一致。 对我国施行的标准，污染物浓度和单项污染物污染指数不是线性关系，和最终的空气质量指数也不是线性关系，和对健康的危害也不是线性关系。 如果这个指数处于对身体有害的区间的话，应该减少户外运动。

中国的空气质量指数标准

中国的空气质量指数标准

美国的空气质量指数标准

雾霾对健康的危害 一般而言，小于10微米的颗粒物可以危害到上呼吸系统，而小于2.5微米的颗粒物则更危险，可以通过呼吸渗入到支气管，肺的深部和血液中，而其上面附着的很多化学物质则可能对呼吸道和肺等器官造成伤害。 SO2, NOx和O3等气态污染物对呼吸系统等也有很大危害。

雾霾对健康的危害 仅利用现有技术对Soot和CH4减排后的收益效果。 Shindell et al., 2012

雾霾天气该怎么办？ 我觉得，空气净化器和口罩(注意下能过滤颗粒物的直径)都是好选择。还有避免雾天锻炼。可以选择中午阳光较充足、污染物较少的时候短时间开窗换气等也是有根据的。 关于百度百科或者知乎上的其他的预防措施（比如“补钙、补维D，多吃水果”。。。），其实我也不太懂。。。 其实这个研究医学或者public health的可能会比较了解。。。

关于排放源和可再生能源 中国煤炭工业协会统计数据显示，2013年全国煤炭产量完成37亿吨左右，煤炭消费量36.1亿吨左右，煤炭产量增幅由前十年年均增加两亿多吨，降到5000万吨左右，煤炭消费增幅也由前十年年均增长9%左右，下降到2.6%左右。 煤炭在一次能源生产结构中的比重接近80%.

关于排放源和可再生能源 1990到2011年间，美国煤电装机比重从36.9%下降到30.3%，油电装机比重从7.6%下降到4.9%，核电比重从13.6%下降到9.6%；与此同时，气电比重从4.6%大幅增加到39.3%，风电等非水可再生能源装机比重从0.7%增加到5.1%。 我觉得风能，太阳能，水能，地热能等配合天然气（也许还得有核能），同时如果智能电网+环保廉价的储能设备的技术成熟，那么很多能源问题和与其相对应的环境问题是可以解决的。甚至现在已有的某些技术已经足够成熟了。 一个关于可再生能源与核能的Ted，有兴趣的可以看下： http://www.ted.com/talks/debate_does_the_world_need_nuclear_energy?language=en#t-470796

总结 雾霾的成分：多且复杂，同时伴随着很多光化学反应。其中气态污染物和直径小于2.5微米的颗粒物对健康危害最大。 雾霾的形成：排放源和气象条件都要满足。 尽量减少在雾霾天气下的活动。 雾霾其实没有太好的防治办法，从数量级上讲，改变能源消费结构才是根本。

Thanks!