2013年科学世界第三刊

雾霾缘何频袭？     撰文:方晨

2013年新年伊始，我国许多地区就遭遇了大范围的严重雾霾天气。据环保部监测，1月29～30日，雾霾面积达到约140万方公里，也就是说我国国土面积的大约  1／7都在雾霾的笼罩之下。在全国74个空气质量监测城市中，有33个城市的空气质量指数（AQD超过300，达到污染”级别。拿北京来说，1月份仅有5天（也有说是6天）不是雾霾天，空气质量连续多日达到最恶劣的六级，网上到处是PM2.5（tip1）浓度“再次爆表”的惊呼，就连北京市气象台也发布了有气象预警史以来首个霾橙色预警信号。

我国2012年新修订的《环境空气质量标准》，首次设定了PM2.5浓度限值，并将其纳入“空气污染物基本项目”进行控制。PM25的24小时平均浓度，一级标准是35微克／立方米，二级标准是75微克／立方米。在这次的雾霾天中，多个城市PM25的24小时平均浓度远远超标，达到200甚至300微克／立方米以上。据报道，1月13日，北京部分地区的PM2.5实时浓度，甚至令人震惊地突破了1000微克／立方米。

那么，雾霾到底是什么，它又是怎么形成的呢？

什么是雾霾？

严格说来，雾(Fog)和霾(Haze)是两个不同的概念。虽然它们都是漂浮在空气中并造成大气能见度下降的颗粒物，但从学术上讲，它们是不同类型的粒子：雾是湿粒子，霾是干粒子。在气象上经常通过相对湿度来区分它们:当空气相对湿度高于某个值（比如80％）时发生的能见度降低现象就称为雾，低于这个值时就称为霾。通常我们会认为，雾是主要由水滴组成的，虽然影响能见度，但对健康影响不大；而霾主要是由含有多种有毒有害的化学组分的颗粒物造成的，会直接危害人体健康。“但实际上，在湿度大不利于扩散的重污染过程中，很难区分是雾还是霾。”北京大学环境模拟与污染控制国家重点实验室主任胡敏教授说在污染物排放较多的地区，大气颗粒物的化学成分和性质非常复杂，雾和霾往往是你中有我我中有你，它们还会随环境条件的变化而：相互转化，很难简单地用某个相对湿度值将其区分开，所以我们现在经常将这样的天气统称为雾霾天。

当出现大气能见度变差的情况时，公众一般不太容易判断这对健康到底有多大影响而且，并非是能见度越差，对健康就越不利所以，最好还是根据环保局发布的空气质量指数（AQI）和气象局发布的霾预警信号（tip2）等来判断空气污染的程度，安排户外活动或是采取相应的保护措施。

2013年科学世界第三刊

雾霾天是怎么形成的？

雾霾天发生时，给我们最主要的感受就是能见度变差。那么，大气能见度的下降和哪些因素有关？胡敏教授介绍说：“大气能见度是由大气消光系数决定的大气消光系数包括了颗粒物的散射、颗粒物的吸收、气体的散射和气体的吸收四项。其中，颗粒物的散射和吸收占到总消光的80％以上。”而颗粒物的消光，又与其数浓度（既单位体积的大气中颗粒物的数目）、粒径、化学组分、吸湿性等有关。

要形成污染严重，能见度差的雾霾天，需要有两个主要条件。首先，当然是要有污染物的排放。如果大气中没有污染物，那么无论如何也不会出现严重污染的天气。这些污染物是从哪里来的，我们将在下一部分介绍。

形成雾霾还有一个是人几乎无法控制的因素，即不利于污染物扩散的气象条件。北京大学环境科学与工程学院院长朱彤教授介绍，PM2.5在大气中大约可以停留一个星期。所以，在无风的静稳大气条件下，污染物会很快积累起来，浓度迅速上升。在北京，每当没有冷空气活动，大气结层比较稳定的时候，雾霾就不断增强，一旦有冷空气到达，刮起北风，空气质量马上好转。

这次大范围的严重雾霾天气，直接原因就是出现了极端不利于污染物扩散的气象条件。据统计，今年1月，北京的地面月平均风速仅为1.8米／秒，较常年1月平均风速偏小0.5米／秒；其中，共有11天日平均风速低于1.5米／秒。与此对应，这段时间北京出现了持续的雾霾天，空气污染严重。

大气颗粒物来自何方?

人类现在还无法控制天气，所以要消除污染、就必须从控制污染排放源人手。因此，首先要弄清楚大气中的颗粒物是从哪里来的。

大气污染是伴随着经济的发展而出现的。以北京市为例，1997年2月，全市机动车数量达到100万辆，而到了2012年2月就突破了500万辆。这15年间，北京市地区生产总值(GDP)从约2000亿元上升到1.78万亿元，增加了大约8倍;常住人口从约1200万增加到约2000万，翻了将近一番。经济的高速发展，实际上是建立在能源消耗大幅上升的基础上的。

目前，我们的能源主要来自于化石燃料的燃烧，而这就是导致雾霾天气的大气颗粒物(包括PM2.5)的主要来源。

大气颗粒物的来源，可以分为一次来源和二次来源。一次来源是指污染源直接排放到大气中的颗粒物，二次来源是指污染源排放的气态污染物，如二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物(VOC)等在大气中发生一系列非常复杂的物理化学反应后形成的颗粒物。胡敏教授介绍说。在北京，中大部分的PM2.5都是二次来源的。在污染严重的时候，二次来源可以占到约2/3。

大家关心的是，主要的污染排放源有哪些，以及它们对污染的贡献各有多大。总的来说，我国城市中PM 2.5的来源，主要是机动车、燃煤、工业排放和建筑扬尘等，还有研究显示，餐饮业的排放也有相当的贡献。

实际上，在不同的地区、时间和气象条件下，污染物的来源并不相同。还以北京为例，春季干燥多风，大风会吹走很多污染物，但会扬起地上的尘土，有时还会将西北地区的沙尘带来，所以大气颗粒物中来自沙尘的一次来源会多一些。到了夏季，光照强烈，湿度也相对较高，大气中的气态污染物在这种条件下容易发生光化学反应，形成新颗粒物，因此二次来源会上升。而在冬季，由于燃煤取暖，来自于煤炭燃烧的一次和二次颗粒物比例又会升著。这次雾霾天，北京市大气颗粒物的主要来源就是燃煤和机动车排放。

在北京，机动车除了会排放一次颗粒物外，对大气中形成二次颗粒物的挥发性有机物和氮氧化物的贡献也占了约一半，但在一氧化硫这个指标上的贡献倒不太大。这是因为北京的机动车排放标准比 较高，相应要求汽油的含硫量低(硫会使汽车尾气净化催化剂“中毒”，无法正常工作，因此如果汽油含硫量高，尾气排放就不能达标)而造成的。但在我国不同地区，机动车排放标准不同，油品的差别相 应也较大。从硫含量来看，北京刚刚实行 的京Ⅴ标准要求硫含量低于10ppm(ppm表示百万分之一)，上海、江苏、珠三角等地实行的国Ⅳ标准则要求硫含量低于50ppm，我国其余大部分地区仍然实行国Ⅲ标准，要求硫含量低于1 50ppm。也就是说，我国大部分地区允许的油品硫含量是北京标准的15倍，因此对大气中二氧化硫的含量而言，来自机动车排放的部分也比北京多。这些弥散在大气中的二氧化硫不但对人体健康有害，而且在一定的条件下会转变为硫酸盐颗粒物，成为PM2.5的二次来源。

PM2.5在空气中停留的时间比较长，所以其污染还具有区域性。这次雾霾天的区域性特征就很明显，污染并不限于某几个城市，而是随着时间的推移，范围不断扩大。朱彤教授说，“有些城市将污染较重的企业搬迁到离市区较远的地方，但当风向朝向市区时，还是会对市区造成影响。”

雾霾对健康的影响

2013年科学世界第三刊

雾霾对健康的影响，主要就是细颗粒物对健康的影响。研究表明，可吸入颗粒物，特别是PM2.5，在各种空气污染物中 对人类健康的影响最大。

流行病学研究表明，无论是短期还是长期暴露在颗粒物环境中，都会对人体健 康产生不利影响。毒理学研究显示，不同 化学组分的毒性机制和效应有很大差异。 朱彤教授说：“颗粒物对健康的影响是全身性的。最直接的是呼吸系统，进而会影响到心血管系统，现在认为对免疫系统、 神经系统等也都有影响。PM2.5对人体健 康的影响，主要是通过氧化应激和全身系统的炎症来实现的。”

氧化应激(Oxidation Stress)，是1990年由美国科学家索哈尔(Sohal)提出的一个概念，指机体在受到有害刺激时，体内产生过多的活性氧自由基和活性氮自由基等高活性分子，氧化系统和抗氧化系统失衡，从而导致细胞和组织损伤。

氧化还原反应是人体内的基本生化反应过程，氧化应激原本是人体的一种保护机制。在正常生理条件下，体内氧化和抗氧化系统保持动态平衡，既保证正常氧化应激反应，又防止活性氧自由基对人体的危害。但如果由于某些刺激，这些具有较氧化性的高活性分子产生过多，就会导致DNA，蛋白质和脂质等的损伤，诱发基因突变、蛋白质变性和脂质过氧化，从而诱发癌症、心脑血管疾病、神经退行性疾病(老年痴呆)和糖尿病等。

而PM2.5正是会导致氧化应激的一类物质。一方面，颗粒物上携带的一些化学物质(如过渡金属和醌类等)会通过化学反

应，生成过氧化物和自由基等高氧化性物

质；另一方面，超细颗粒物还能够穿透人体的气血屏障，从而通过肺部进入血液，造成血管内皮细胞等的损伤，引起机体自身的氧化应激和炎症反应，并扩展到全身。这种全身性的炎症，又会进一步引发身体各个系统的疾病。

PM2.5对人体健康影响的机制还没有完全弄清楚，科学家们仍在进一步研究之中。

应对雾霾天

除非突然出现严重的污染排放事件，一般发生的严重污染，往往是因为大气忽然变得很稳定。在一段时间内，污染源每天的排放其实都差不多，但在不利于扩散的气象条件下，污染物就会迅速积累。一旦发生这种情况，政府就有必要采取应急措施来控制污染排放，以保证空气质量。最有效的办法，就是把对污染贡献最大的排放源控制住，例如要求排放标准较低的老旧车辆暂时停驶、污染排放较大的企业暂时停工等。当然，要顺利实施应急预案，需要公众、企业的理解和配合。据报道，2013年1月，北京市首次启动了极重污染日应急预案，有30%的公车限行，99家企业停产或减产。

应急方案是在污染出现之后所采取的

措施，如果能够比较准确地对雾霾天作出预报，就可以提前采取措施。朱彤教授认为，“空气污染预报还需要加强”。这种预报是在气象预报的基础上，加上大气化学反应的计算，定量地描述各种污染物在大气中所发生的迁移和转化，从而预报某种污染物在特定时刻和空间位置的浓度。这方面还有很多研究工作需要开展，例如要研究清楚在特定条件下，不同类型的排放源所排放的污染物的种类及其浓度(称为源清单)，在此基础上才能对空气污染作出比较准确的预报。

对个人来说，在污染严重的雾霾天要尽

量减少外出，关闭门窗，有条件的可以使用 室内空气净化器去除空气中的颗粒物。外出 时，可以考虑佩戴能有效过滤PM2.5的符合 N95标准的口罩(详情请参见本期《PM2.5口罩。靠谱吗?》一文)。空气质量较差时， 最好不要进行运动量较大的户外体育锻炼， 否则对健康来说就得不偿失了。

雾霾的治理

雾霾天对人体健康非常不利，而且PM2.5对健康的影响没有什么“浓度阙值”。即使PM2.5的浓度很低，也一样会危害健康。所以，我们希望大气中的PM2.5浓度越低越好。那么，雾霾天到底是否能够得到根本治理?

首先，我们应当意识到，大气污染与我们每个人的生活方式息息相关。现在我们还只能依赖化石燃料作为主要能源，因此追求高能耗的生活方式，在现有的技术条件下必然造成污染物的大量排放。低碳生活、绿色出行，是值得提倡的生活方式。

另一方面，为什么很多发达国家的能耗比我们高，但污染却没我们严重?朱彤教授认为，“这实际上还是污染控制力度的问题”。我们的排放标准还要进一步提高，而污染控制措施的执行力度也要加强。

其实，从1998年起，北京市已连续实施了16个阶段的大气污染治理措施，先后关停、搬迁了首钢等200多家重污染企业，还先后5次在全国率先执行机动车排放新标准。近年来，北京完成了大批燃煤锅炉改造，使城市核心区实现了无燃煤锅炉供暖。为控制机动车污染排放，淘汰老旧车数十万辆。这些措施取得了一定的效果。前些年，北京市的道路、施工扬尘以及水泥厂、电厂等的排放很大，现在这些次污染大为下降。机动车方面，士几年前北京还没有明确的排放标准，现在执行京V排放标准，已相当于最新的欧Ⅴ标准。根据环保局测算，京V标准实施后，新车的污染物减排将在40%左右，只是机动车保有量增长过快。

虽然北京市采取了一系列大气污染治理措施，但由于经济发展引来的污染排放源的不断增加，这些措施还不足以保证空气质量达到公众的期望。“现在大家对环境问题更关注，要求更高，所以要采取更多更严格的控制措施来改善空气质量。”朱彤教授说。

除了各种污染排放控制技术之外，要从根本上改善空气质量，还要改变能源结构。例如烧煤改成烧天然气，污染就会下降很多，因为天然气可以燃烧得比较完全。如前所述PM2.5的主要来源是化石燃料的燃烧，所以，发展太阳能、风能等清洁能源，对治理空气污染具有非常重要的意义。

以北京市为例，市政府去年制定的《北京市2012～2020年大气污染治理措施》，将控制PM2.5污染作为重点。北京市空气质量改善的目标是到2015年，空气中主要污染物的年均浓度均比2010年下降15%，其中PM2.5达到60微克/立方米左右。到2020年，主要污染物的年均浓度均比2010年下降30%，其中PM2.5达到50微克/立方米左右。

为了改善空气质量，到2020年，北 京市将把燃煤比重控制在10%以下，5年内消减62％；2013年将提前淘汰40万辆老旧机动车，2015年强制淘汰30万辆国Ⅰ标准老旧机动车，2020年淘汰90万辆国Ⅱ标准以下的老旧机动车;优先发展公交系统等。由于PM2.5污染具有区域性，所以还要加强周边地区的联防联控。如果这些措施能得到有力 的执行，北京的天空有望在不远的将来变得 更蓝。

大气颗粒物的污染是一个非常复杂的问题，颗粒物的形成和转化、源排放的解析、 对健康的影响机制等，都有待于更深入的研究。在此基础上才能制定更为科学、有效的防治措施。另外，建立更为完善的空气质量监测系统也很重要。

北京的空气污染问题突出，研究较多，治理力度也比较大，所以本文主要以北京为例进行介绍。但我国大部分人口稠密、经济比较发达的地区都面临着类似的困扰。说到底，对空气污染的治理，其实体现的是如何处理经济发展与环境保护的关系。从根本上来说，以不破坏环境、不影响人们健康为前提的发展，才是真正的、高质量的发展。