灰霾主要研究方向綜述

王同桂 張燦 吳莉萍 周志恩

摘要：從影響灰霾天氣的氣象因素、灰霾天氣的污染特征、灰霾觀測界定、單個霾粒子研究、灰霾數值模擬幾個方面，歸納了國內外灰霾的主要研究成果，并提出了今后灰霾研究的發展趨勢。

關鍵詞：灰霾；影響因素；污染特征；數值模擬；綜述

中圖分類號：X1

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）0801803

[FL（2K2]

1引言

影響我國的灰霾、煙霧等天氣在空間分布上呈現出區域性特征，主要可以劃分為五大高發區，即以京津晉冀為中心的北方灰霾區；以長江三角洲為中心的華東灰霾區；以珠江三角洲為中心的華南灰霾區；以烏魯木齊為中心的西北灰霾區和以成都為中心的西南灰霾區。但目前我國的灰霾研究主要集中在珠三角地帶，研究對象主要屬海陸交換相氣象特征。本文主要從以下幾個方面說明國內外灰霾的研究現狀。

2灰霾的定義和灰霾天氣的界定

國內外對灰霾的認識并沒有十分確切、統一的說法。灰霾最早稱為霾，在中國，“霾字在3000多年前、自從有文字記載以來就已存在，而古人對霾現象的認識或許就更早[1]。國外對霾的認識最早見于aze一詞的解釋，即顆粒物和氣體污染物導致的可察覺到的能見度降低。中國《地面氣象觀測規范》定義灰霾為[2]：“大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10km的空氣普遍有混濁現象，使遠處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色。吳兌[3]指出：“空氣中的灰塵、硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、有機碳氫化合物等粒子也能使大氣混濁，視野模糊并導致能見度惡化，如果水平能見度小于10000m 時，將這種非水成物組成的氣溶膠系統造成的視程障礙稱為霾（aze） 或灰霾（Ash aze） ，香港天文臺稱煙霞（aze） 。稱其為灰霾主要是由于霾粒子散射波長較長的光比較多，看起來呈黃色或橙黃色，而且城市污染大氣氣溶膠中有許多黑炭粒子。

目前全國沒有統一的判別灰霾標準，南方大多是用相對濕度的某一閾值來區分，絕大多數定得相當低，因此將近年來的一些灰霾天氣記為了輕霧或霧。而北方廣大地區由于濕度水平相對較低，易于區分霾和霧這兩種天氣現象，因此大多數地方未規定附加的相對濕度標準。吳兌[3]根據大氣中水溶性粒子的主要成分氯化鈉、硫酸銨等的相對濕度大都在80%左右，建議將相對濕度小于80%時的大氣混濁視野模糊導致的能見度惡化的天氣現象確定為霾，相對濕度大于90 %時的大氣混濁視野模糊導致的能見度惡化確定為霧，相對濕度介于80 %～90 %之間時的大氣混濁視野模糊導致的能見度惡化是霾和霧的混合物共同造成的，但其主要成分應該是霾。

根據灰霾定義，判斷灰霾的另一個重要條件是能見度，測量能見度的主要儀器為激光雷達和能見度儀，兩者在精度、范圍和價格上有較大差異。據了解，目前氣象部門觀測能見度的主要方法主要是目測或器測、目測相結合的方法。霍文等[4]利用塔克拉瑪干沙漠腹地氣象自動站水平能見度觀測資料，通過對器測（Dais自動氣象站）和目測值的數據對比分析得出，器測水平能見度值約是目測的2倍，因此，能見度測量方法的不同也為灰霾天氣的判斷帶來一定影響。

3灰霾天氣的影響因素和污染特征

灰霾的時間和空間變化規律，受到廣泛的關注，許多研究通過研究灰霾的物理化學特性來解釋灰霾的影響、來源、形成和傳輸。灰霾天氣下，能見度明顯降低，氣象條件和污染物是兩個主要影響因素。

溫度、濕度、風向、風速、太陽輻射等氣象條件會影響氣溶膠的擴散，或通過改變氣溶膠的性質和形成，進而影響能見度，另外，溫度和濕度還會影響氣溶膠或前體氣態物質的排放速率。

顆粒物對能見度的影響主要是散射和吸收作用。測量結果表明，直徑小于1μm的細粒子在光的散射和吸收中起支配作用；氣溶膠總的消光系數的90%來自細粒子。北京研究表明，PM2與大氣能見度線性相關系數高達096[6]。吸收效應主要與元素碳（又稱碳黑）有關，元素碳主要來自于以柴油車為主的流動源，它的光吸收系數遠遠大于其它光吸收物質，是透明顆粒的2～3倍[7] 。另外，一些研究表明[8，9]，氣體對能見度也有一定影響。

31氣象因素的影響

usar[10]等對美國地區灰霾研究表明，高溫度和高相對濕度下灰霾的消光系數較高；風速影響氣溶膠粒子的擴散，如果是由于本地源排放造成的灰霾，則風速越小，灰霾消光系數越高；如果是區域性的灰霾，那么風速與消光系數的相關性不明顯。風向主要可用于判斷造成灰霾天氣的污染物來自于本地源還是外地源。Baik等[11]認為相對濕度能影響大氣顆粒物消光系數的主要原因是顆粒物的粒徑分布會隨相對濕度的改變而改變。這是因為含有水溶性化合物的顆粒物粒徑會隨著這些化合物的吸濕而增大，所以當相對濕度超過70%或小于30%時，硫酸鹽或硝酸鹽對光線的消光貢獻更大。譚吉華[12]對廣州灰霾期間氣溶膠的研究表明，相對濕度是影響大氣能見度最主要的氣象因子，較高相對濕度（大于80%）和小風速（地風速小于1m/s）是造成低能見度的主要氣象條件。

32顆粒物和氣體污染特征

usar的研究僅考慮了氣象因素對灰霾消光系數的影響，灰霾粒子的粒徑、成分也是影響氣溶膠消光系數的重要因素，研究表明，灰霾天氣下的細粒子主要有種類型，分別為硫酸鹽、有機物、土壤（或地殼礦物質）、元素碳（或黑碳）和硝酸鹽。

sai[13]在臺灣能見度研究中，發現影響灰霾的主要因素為細顆粒物（<298μm）的濃度、細顆粒物中硫酸鹽和硝酸鹽的濃度以及相對濕度。同樣，Sisler[14]對細粒子成分的研究結果也表明，高濕伴生的高濃度硫酸鹽是影響能見度的最大因素，硝酸鹽和有機物是第二大因素。而Appel[1]等則認為，細粒子硝酸鹽顆粒對光的散射效應比硫酸鹽更強。美國國家環境保護局于國家公園管理署（National Park Serice）建立了覆蓋整個美國的能見度長期監測項目，監測結果表明，在美國多數地區，大氣中的硫酸鹽粒子是區域霧霾的主要影響因素；在美國東部地區，硫酸鹽對區域霧霾的貢獻率為68%，有機碳為16%；在美國西部地區，大氣中的硫酸鹽和有機碳都很重要；而在加利福尼亞州南部，大氣中的硝酸鹽是區域霧霾的最大影響因素。由于不同區域的大氣污染特點不同，因此在結論上也有地域特點，譚吉華[12]的研究表明：廣州灰霾天氣期間，總碳和硝酸鹽是影響能見度的主要因素，非灰霾天氣下，總碳和硫酸鹽是造成大氣能見度降低最主要的影響因素，灰霾天氣下有機碳、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和元素碳的濃度分別為非灰霾天氣的47、37、97、32和23倍。綜合以上研究結果可知，高濕度、大氣細粒子中的硫酸鹽、硝酸鹽及有機碳是影響區域灰霾的主要因素。endprint

摘要：從影響灰霾天氣的氣象因素、灰霾天氣的污染特征、灰霾觀測界定、單個霾粒子研究、灰霾數值模擬幾個方面，歸納了國內外灰霾的主要研究成果，并提出了今后灰霾研究的發展趨勢。

關鍵詞：灰霾；影響因素；污染特征；數值模擬；綜述

中圖分類號：X1

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）0801803

[FL（2K2]

1引言

影響我國的灰霾、煙霧等天氣在空間分布上呈現出區域性特征，主要可以劃分為五大高發區，即以京津晉冀為中心的北方灰霾區；以長江三角洲為中心的華東灰霾區；以珠江三角洲為中心的華南灰霾區；以烏魯木齊為中心的西北灰霾區和以成都為中心的西南灰霾區。但目前我國的灰霾研究主要集中在珠三角地帶，研究對象主要屬海陸交換相氣象特征。本文主要從以下幾個方面說明國內外灰霾的研究現狀。

2灰霾的定義和灰霾天氣的界定

國內外對灰霾的認識并沒有十分確切、統一的說法。灰霾最早稱為霾，在中國，“霾字在3000多年前、自從有文字記載以來就已存在，而古人對霾現象的認識或許就更早[1]。國外對霾的認識最早見于aze一詞的解釋，即顆粒物和氣體污染物導致的可察覺到的能見度降低。中國《地面氣象觀測規范》定義灰霾為[2]：“大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10km的空氣普遍有混濁現象，使遠處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色。吳兌[3]指出：“空氣中的灰塵、硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、有機碳氫化合物等粒子也能使大氣混濁，視野模糊并導致能見度惡化，如果水平能見度小于10000m 時，將這種非水成物組成的氣溶膠系統造成的視程障礙稱為霾（aze） 或灰霾（Ash aze） ，香港天文臺稱煙霞（aze） 。稱其為灰霾主要是由于霾粒子散射波長較長的光比較多，看起來呈黃色或橙黃色，而且城市污染大氣氣溶膠中有許多黑炭粒子。

目前全國沒有統一的判別灰霾標準，南方大多是用相對濕度的某一閾值來區分，絕大多數定得相當低，因此將近年來的一些灰霾天氣記為了輕霧或霧。而北方廣大地區由于濕度水平相對較低，易于區分霾和霧這兩種天氣現象，因此大多數地方未規定附加的相對濕度標準。吳兌[3]根據大氣中水溶性粒子的主要成分氯化鈉、硫酸銨等的相對濕度大都在80%左右，建議將相對濕度小于80%時的大氣混濁視野模糊導致的能見度惡化的天氣現象確定為霾，相對濕度大于90 %時的大氣混濁視野模糊導致的能見度惡化確定為霧，相對濕度介于80 %～90 %之間時的大氣混濁視野模糊導致的能見度惡化是霾和霧的混合物共同造成的，但其主要成分應該是霾。

根據灰霾定義，判斷灰霾的另一個重要條件是能見度，測量能見度的主要儀器為激光雷達和能見度儀，兩者在精度、范圍和價格上有較大差異。據了解，目前氣象部門觀測能見度的主要方法主要是目測或器測、目測相結合的方法。霍文等[4]利用塔克拉瑪干沙漠腹地氣象自動站水平能見度觀測資料，通過對器測（Dais自動氣象站）和目測值的數據對比分析得出，器測水平能見度值約是目測的2倍，因此，能見度測量方法的不同也為灰霾天氣的判斷帶來一定影響。

3灰霾天氣的影響因素和污染特征

灰霾的時間和空間變化規律，受到廣泛的關注，許多研究通過研究灰霾的物理化學特性來解釋灰霾的影響、來源、形成和傳輸。灰霾天氣下，能見度明顯降低，氣象條件和污染物是兩個主要影響因素。

溫度、濕度、風向、風速、太陽輻射等氣象條件會影響氣溶膠的擴散，或通過改變氣溶膠的性質和形成，進而影響能見度，另外，溫度和濕度還會影響氣溶膠或前體氣態物質的排放速率。

顆粒物對能見度的影響主要是散射和吸收作用。測量結果表明，直徑小于1μm的細粒子在光的散射和吸收中起支配作用；氣溶膠總的消光系數的90%來自細粒子。北京研究表明，PM2與大氣能見度線性相關系數高達096[6]。吸收效應主要與元素碳（又稱碳黑）有關，元素碳主要來自于以柴油車為主的流動源，它的光吸收系數遠遠大于其它光吸收物質，是透明顆粒的2～3倍[7] 。另外，一些研究表明[8，9]，氣體對能見度也有一定影響。

31氣象因素的影響

usar[10]等對美國地區灰霾研究表明，高溫度和高相對濕度下灰霾的消光系數較高；風速影響氣溶膠粒子的擴散，如果是由于本地源排放造成的灰霾，則風速越小，灰霾消光系數越高；如果是區域性的灰霾，那么風速與消光系數的相關性不明顯。風向主要可用于判斷造成灰霾天氣的污染物來自于本地源還是外地源。Baik等[11]認為相對濕度能影響大氣顆粒物消光系數的主要原因是顆粒物的粒徑分布會隨相對濕度的改變而改變。這是因為含有水溶性化合物的顆粒物粒徑會隨著這些化合物的吸濕而增大，所以當相對濕度超過70%或小于30%時，硫酸鹽或硝酸鹽對光線的消光貢獻更大。譚吉華[12]對廣州灰霾期間氣溶膠的研究表明，相對濕度是影響大氣能見度最主要的氣象因子，較高相對濕度（大于80%）和小風速（地風速小于1m/s）是造成低能見度的主要氣象條件。

32顆粒物和氣體污染特征

usar的研究僅考慮了氣象因素對灰霾消光系數的影響，灰霾粒子的粒徑、成分也是影響氣溶膠消光系數的重要因素，研究表明，灰霾天氣下的細粒子主要有種類型，分別為硫酸鹽、有機物、土壤（或地殼礦物質）、元素碳（或黑碳）和硝酸鹽。

sai[13]在臺灣能見度研究中，發現影響灰霾的主要因素為細顆粒物（<298μm）的濃度、細顆粒物中硫酸鹽和硝酸鹽的濃度以及相對濕度。同樣，Sisler[14]對細粒子成分的研究結果也表明，高濕伴生的高濃度硫酸鹽是影響能見度的最大因素，硝酸鹽和有機物是第二大因素。而Appel[1]等則認為，細粒子硝酸鹽顆粒對光的散射效應比硫酸鹽更強。美國國家環境保護局于國家公園管理署（National Park Serice）建立了覆蓋整個美國的能見度長期監測項目，監測結果表明，在美國多數地區，大氣中的硫酸鹽粒子是區域霧霾的主要影響因素；在美國東部地區，硫酸鹽對區域霧霾的貢獻率為68%，有機碳為16%；在美國西部地區，大氣中的硫酸鹽和有機碳都很重要；而在加利福尼亞州南部，大氣中的硝酸鹽是區域霧霾的最大影響因素。由于不同區域的大氣污染特點不同，因此在結論上也有地域特點，譚吉華[12]的研究表明：廣州灰霾天氣期間，總碳和硝酸鹽是影響能見度的主要因素，非灰霾天氣下，總碳和硫酸鹽是造成大氣能見度降低最主要的影響因素，灰霾天氣下有機碳、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和元素碳的濃度分別為非灰霾天氣的47、37、97、32和23倍。綜合以上研究結果可知，高濕度、大氣細粒子中的硫酸鹽、硝酸鹽及有機碳是影響區域灰霾的主要因素。endprint

摘要：從影響灰霾天氣的氣象因素、灰霾天氣的污染特征、灰霾觀測界定、單個霾粒子研究、灰霾數值模擬幾個方面，歸納了國內外灰霾的主要研究成果，并提出了今后灰霾研究的發展趨勢。

關鍵詞：灰霾；影響因素；污染特征；數值模擬；綜述

中圖分類號：X1

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）0801803

[FL（2K2]

1引言

影響我國的灰霾、煙霧等天氣在空間分布上呈現出區域性特征，主要可以劃分為五大高發區，即以京津晉冀為中心的北方灰霾區；以長江三角洲為中心的華東灰霾區；以珠江三角洲為中心的華南灰霾區；以烏魯木齊為中心的西北灰霾區和以成都為中心的西南灰霾區。但目前我國的灰霾研究主要集中在珠三角地帶，研究對象主要屬海陸交換相氣象特征。本文主要從以下幾個方面說明國內外灰霾的研究現狀。

2灰霾的定義和灰霾天氣的界定

國內外對灰霾的認識并沒有十分確切、統一的說法。灰霾最早稱為霾，在中國，“霾字在3000多年前、自從有文字記載以來就已存在，而古人對霾現象的認識或許就更早[1]。國外對霾的認識最早見于aze一詞的解釋，即顆粒物和氣體污染物導致的可察覺到的能見度降低。中國《地面氣象觀測規范》定義灰霾為[2]：“大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10km的空氣普遍有混濁現象，使遠處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色。吳兌[3]指出：“空氣中的灰塵、硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、有機碳氫化合物等粒子也能使大氣混濁，視野模糊并導致能見度惡化，如果水平能見度小于10000m 時，將這種非水成物組成的氣溶膠系統造成的視程障礙稱為霾（aze） 或灰霾（Ash aze） ，香港天文臺稱煙霞（aze） 。稱其為灰霾主要是由于霾粒子散射波長較長的光比較多，看起來呈黃色或橙黃色，而且城市污染大氣氣溶膠中有許多黑炭粒子。

目前全國沒有統一的判別灰霾標準，南方大多是用相對濕度的某一閾值來區分，絕大多數定得相當低，因此將近年來的一些灰霾天氣記為了輕霧或霧。而北方廣大地區由于濕度水平相對較低，易于區分霾和霧這兩種天氣現象，因此大多數地方未規定附加的相對濕度標準。吳兌[3]根據大氣中水溶性粒子的主要成分氯化鈉、硫酸銨等的相對濕度大都在80%左右，建議將相對濕度小于80%時的大氣混濁視野模糊導致的能見度惡化的天氣現象確定為霾，相對濕度大于90 %時的大氣混濁視野模糊導致的能見度惡化確定為霧，相對濕度介于80 %～90 %之間時的大氣混濁視野模糊導致的能見度惡化是霾和霧的混合物共同造成的，但其主要成分應該是霾。

根據灰霾定義，判斷灰霾的另一個重要條件是能見度，測量能見度的主要儀器為激光雷達和能見度儀，兩者在精度、范圍和價格上有較大差異。據了解，目前氣象部門觀測能見度的主要方法主要是目測或器測、目測相結合的方法。霍文等[4]利用塔克拉瑪干沙漠腹地氣象自動站水平能見度觀測資料，通過對器測（Dais自動氣象站）和目測值的數據對比分析得出，器測水平能見度值約是目測的2倍，因此，能見度測量方法的不同也為灰霾天氣的判斷帶來一定影響。

3灰霾天氣的影響因素和污染特征

灰霾的時間和空間變化規律，受到廣泛的關注，許多研究通過研究灰霾的物理化學特性來解釋灰霾的影響、來源、形成和傳輸。灰霾天氣下，能見度明顯降低，氣象條件和污染物是兩個主要影響因素。

溫度、濕度、風向、風速、太陽輻射等氣象條件會影響氣溶膠的擴散，或通過改變氣溶膠的性質和形成，進而影響能見度，另外，溫度和濕度還會影響氣溶膠或前體氣態物質的排放速率。

顆粒物對能見度的影響主要是散射和吸收作用。測量結果表明，直徑小于1μm的細粒子在光的散射和吸收中起支配作用；氣溶膠總的消光系數的90%來自細粒子。北京研究表明，PM2與大氣能見度線性相關系數高達096[6]。吸收效應主要與元素碳（又稱碳黑）有關，元素碳主要來自于以柴油車為主的流動源，它的光吸收系數遠遠大于其它光吸收物質，是透明顆粒的2～3倍[7] 。另外，一些研究表明[8，9]，氣體對能見度也有一定影響。

31氣象因素的影響

usar[10]等對美國地區灰霾研究表明，高溫度和高相對濕度下灰霾的消光系數較高；風速影響氣溶膠粒子的擴散，如果是由于本地源排放造成的灰霾，則風速越小，灰霾消光系數越高；如果是區域性的灰霾，那么風速與消光系數的相關性不明顯。風向主要可用于判斷造成灰霾天氣的污染物來自于本地源還是外地源。Baik等[11]認為相對濕度能影響大氣顆粒物消光系數的主要原因是顆粒物的粒徑分布會隨相對濕度的改變而改變。這是因為含有水溶性化合物的顆粒物粒徑會隨著這些化合物的吸濕而增大，所以當相對濕度超過70%或小于30%時，硫酸鹽或硝酸鹽對光線的消光貢獻更大。譚吉華[12]對廣州灰霾期間氣溶膠的研究表明，相對濕度是影響大氣能見度最主要的氣象因子，較高相對濕度（大于80%）和小風速（地風速小于1m/s）是造成低能見度的主要氣象條件。

32顆粒物和氣體污染特征

usar的研究僅考慮了氣象因素對灰霾消光系數的影響，灰霾粒子的粒徑、成分也是影響氣溶膠消光系數的重要因素，研究表明，灰霾天氣下的細粒子主要有種類型，分別為硫酸鹽、有機物、土壤（或地殼礦物質）、元素碳（或黑碳）和硝酸鹽。

sai[13]在臺灣能見度研究中，發現影響灰霾的主要因素為細顆粒物（<298μm）的濃度、細顆粒物中硫酸鹽和硝酸鹽的濃度以及相對濕度。同樣，Sisler[14]對細粒子成分的研究結果也表明，高濕伴生的高濃度硫酸鹽是影響能見度的最大因素，硝酸鹽和有機物是第二大因素。而Appel[1]等則認為，細粒子硝酸鹽顆粒對光的散射效應比硫酸鹽更強。美國國家環境保護局于國家公園管理署（National Park Serice）建立了覆蓋整個美國的能見度長期監測項目，監測結果表明，在美國多數地區，大氣中的硫酸鹽粒子是區域霧霾的主要影響因素；在美國東部地區，硫酸鹽對區域霧霾的貢獻率為68%，有機碳為16%；在美國西部地區，大氣中的硫酸鹽和有機碳都很重要；而在加利福尼亞州南部，大氣中的硝酸鹽是區域霧霾的最大影響因素。由于不同區域的大氣污染特點不同，因此在結論上也有地域特點，譚吉華[12]的研究表明：廣州灰霾天氣期間，總碳和硝酸鹽是影響能見度的主要因素，非灰霾天氣下，總碳和硫酸鹽是造成大氣能見度降低最主要的影響因素，灰霾天氣下有機碳、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和元素碳的濃度分別為非灰霾天氣的47、37、97、32和23倍。綜合以上研究結果可知，高濕度、大氣細粒子中的硫酸鹽、硝酸鹽及有機碳是影響區域灰霾的主要因素。endprint