空氣污染對霧影響的研究進展

朱　彬　郭　婷

（1 南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室，南京 210044；2 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044）

空氣污染對霧影響的研究進展

朱彬1,2郭婷1

（1 南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室，南京 210044；2 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044）

近幾十年，隨著城市化的加劇，空氣污染已先后成為一些國家和地區面臨的主要環境問題，空氣污染已經對城市及周邊霧的物理化學特征產生了顯著的影響。霧的發生發展還受到局地和大尺度氣象條件變化的影響，各因子綜合作用導致不同國家和地區霧的變化較為復雜。對國內外關于霧和空氣污染的關系研究進行了回顧，包括霧水化學組成及來源、霧水化學組成的形成機制、影響霧形成和變化主要因素分析。結果表明，能源結構和其使用方式、空氣污染治理水平是決定城市及周邊霧水化學組成及比例的主要因素；空氣污染、城市化和氣候變化是霧形成和長期變化的重要影響因子，諸因子通過改變宏觀或微觀的氣象和環境條件而影響霧發生發展和長期變化，影響霧長期變化的物理化學機制值得深入研究。

霧水化學，空氣污染，城市化，氣候變化

0　引言

氣象學上，霧和霾分別對應著不同的天氣現象，在物理化學性質和特征上二者有著顯著的區別。而近年來，無論在報紙、電視等媒體還是學術論文上都能聽到或看到霧霾、霧霾天等詞，霧、霾又常常讓人聯想到空氣污染。既然霧和霾有顯著的不同，為什么又經常把它們連在一起呢？因為它們發生的氣象條件很類似；作為大氣中的微粒，它們又有許多共同點和聯系。實際上，歷史上一些著名空氣污染事件都與霧、霾以及它們的相互影響有關，如倫敦煙霧事件[1]、馬斯河谷煙霧事件[2]等。

本文擬重點回顧空氣污染對霧影響的研究進展，從霧水化學組成及其來源、霧—氣溶膠相互作用、城市化和環境氣候變化對霧的影響等方面展開論述，并指出霧、霾長期變化研究和霧、霾相互作用研究的科學意義。

1　霧水化學組成及其來源

隨著全球經濟的發展，工業化和城市化進程的推進，資源和能源的消耗量日益增加。資源和能源利用率水平較低的國家和地區，其空氣質量管理水平往往亦相對落后，大量工業廢氣、汽車尾氣和其他人為排放的污染物未經有效處理即排入大氣，導致城市、城市群和區域空氣質量嚴重惡化。

大氣中的污染氣體和氣溶膠可以通過物理和化學過程進入霧滴進而影響霧水化學組成，因此霧水化學成分在一定程度上可以反映一個地區的污染狀況[3]。對霧水化學成分的分析也有利于更好地理解大氣中污染物的成分。云水化學與霧水化學分析結合，可以解釋和證明空氣污染物長距離輸送[4]。

1.1雨/云/霧水化學的早期認識

對大氣中水的化學組成的早期認識可以追溯到19世紀中葉Smith對英格蘭降雨化學的研究[5-6]，他首次提出“酸雨（acid rain）”這一術語，建立了降水采集和化學組成的分析方法，發現城市、市郊和鄉村降水酸度的差異，指出降水化學組成和燃煤、空氣團來向等因子的關系。霧的研究也較早受到大氣科學界的關注[7]，而對霧水化學成分的研究大約始于20世紀40年代，Cunningham[8]發現霧水中氯離子可能源于海洋，因為距離海洋越遠的觀測站氯離子濃度越低甚至檢測不出來。Houghton[9]發現，相比于氯離子，硫酸根在所有站的霧/云水中都能測出，在大氣中分布較均勻，并推測硫酸根是由二氧化硫在大氣中經歷了氧化過程形成的。20世紀50年代末至60年代初，Mrose[10]收集分析了德國4個山區站和1個海岸站的大量降水（雨和雪）和霧水樣品，發現硫酸鹽、銨根、氯離子是大氣水物質中的主要離子，鉀離子、鈉離子和鈣離子在霧水中也有檢出，霧水中的離子濃度和人為核素（當時在大氣中的核試驗殘留物）遠比雨水中的高，酸化一般也更劇烈，并且明確指出霧水化學成分與空氣污染的關系。

1.2霧水的化學組成及其環境意義

20世紀80年代至今，國內外開展了很多有關霧的宏微觀結構和物理化學特征的外場試驗和數值模擬研究，霧水化學研究已成為云霧物理研究的重要方面[11-17]，例如國際上“霧、霧收集和露”委員會及會議尤其關注霧水化學及其影響因子研究[18]。對霧水化學成分研究最多的是其中的水溶性無機和有機離子，表1總結了世界部分地區以及不同時期霧中水溶性離子組成。由表可見，霧水中的主要無機離子組成有：Ca2+、Na+、Mg2+、H+、Cl-等。此外還有甲酸根、乙酸根等有機酸根，它們在植被覆蓋率高的地區含量較高。需要指出的是，可來源于土壤和大氣，但由于它們的化學不穩定性體系受溶液pH值和氣相CO2濃度影響）以及檢測的困難，對其的測量很少，但其含量可能并不低。

霧發生在近地面，霧水中離子成分可以反映地區大氣污染特征。海島或沿海站顯示出明顯的海洋性特征，Na+、Mg2+、Cl-離子濃度較高；內陸背景站顯示出地殼元素特征，Ca2+、Mg2+、離子濃度較高。如舟山、廬山和南嶺大瑤山受人為活動直接影響較小，舟山為海洋站點，受海鹽氣溶膠影響，其霧水離子Na+和Cl-絕對值和相對量都很高[19]；雷州半島的湛江港附近既表現出海霧特征也顯示出人為污染的影響[20]；而兩個山區站總離子濃度較低，Ca2+、相對較高[21-22]，Ca2+來源于土壤，源于有機腐殖質分解，山區SO2-4主要源于SO2的氧化。與美國[23-24]、韓國[25]和日本偏遠或鄉村地區[26]霧水離子比較發現，國外這幾個地區Ca2+濃度很低，是否說明即使在我國鄉村地區，人為活動已經顯著改變了自然地表，造成地殼物質排放增高？這有待進一步研究。國內外鄉村地區并無顯著差別，可能是偏遠山區主要源于生化自然活動，而主要源于區域SO2輸送和氧化。我國鄉村地區霧水基本未酸化，而國外幾個鄉村站霧水已酸化，美國Whitetop山站霧水pH值低值3.63，這與它們霧水中堿性物質低濃度有關，如Ca2+低[23]。

表1　國內外部分地區和不同時期霧水化學組成Table 1 Chemical composition of fog water in different periods in domestic and foreign regions

城市人為活動地區與鄉村地區相比，霧水離子濃度要高得多。重慶[27]、上海[28-29]、南京[30]總離子和濃度較清潔地區可高達1個數量級，西雙版納城、郊[31]霧水離子濃度差別很大，說明人類生產生活對大氣環境影響巨大，當今城市霧已遠非自然狀態的霧了[32]。這一方面是由于城市污染源強，另一方面是城市霧水含量較低，氣體和氣溶膠在城市霧水中濃縮。值得一提的是，有大量觀測表明，霧水較之云水和降水，化學成分濃度高得多，但霧水并不一定更酸，云水和降水酸化有時更明顯[33-34]。霧發生在近地層，較之云水和降水更易受到地表污染源排放的較高濃度氣體和氣溶膠物理化學特征的影響。在德國厄爾士山脈多年的觀測發現，霧水中Cl-、Na+、等離子含量與雨水中離子含量的比值比1992年以來有所降低，說明歐洲地區空氣污染明顯好轉[35-37]。而霧/云/降水是否酸化主要取決于液水中酸堿離子的相對濃度。前已述及，由于人為和自然源的排放，SO2氧化為硫酸的過程在很多地區普遍存在，如果云降水中缺乏堿性離子（Ca2+、等），則云降水的H+濃度高、pH值低，形成酸雨。如我國南方地區土壤酸性強，即使云降水中等致酸離子含量并不比北方高，其雨水也較易酸化。反之，霧水中即使離子濃度很高，但等離子濃度也高，霧水就不一定酸化。

霧水化學組成的長期變化可以反映局地和區域環境變化。在我國云南景洪，1988和1997年開展過兩次霧的觀測試驗（表1）[31,38]，結果表明，由于城市的發展、人為活動的增加，10a間景洪霧水總離子濃度增加6.9倍；而1997年的西雙版納熱帶雨林勐養還保持著背景霧水化學的特征。國際上，霧的觀測資料積累時間最長的當屬意大利北部波河谷地區[36]和美國加利福尼亞州中部山谷地區[24]，近20～30a在這兩個地區開展過很多霧的外場綜合觀測，兩地30a來霧水含量都下降較多，霧、濃霧（能見度小于200m）發生頻次減少明顯，這可能是由于氣溫升高和空氣質量改善引起的凝結核減少所致。波河谷地區[36]霧水電導率、總離子及三種主要離子都呈現顯著下降趨勢。2010/2011年與1993/1994年觀測資料對比，電導率、分別下降了75%、76%、43%和55%，這與該地區20世紀90年代以后空氣質量改善有直接關系，其中SO2大幅減排（減排90%）是的急劇下降的主要原因，而NOx只減排了44%，相應地降低較少（43%）。

SO2和NOx不同程度的減排實際上反映了產業和能源結構的變化，工業排放（以SO2、NOx為主）得到有效控制，而汽車保有量和汽車總排放量增加（以NOx為主），從而使比值下降。歐洲、美國、日本等發達地區霧和雨水中一般已超過S濃度水平。加州中部山谷地區霧和雨水中也大大超過濃度水平，這也是該地區SO2排放大幅減少的結果。近30a，加州中部山谷霧水平均pH值升高了1個多單位，特別是20世紀80年代初可觀測到酸化嚴重的霧水（pH＜4），但在近年已經絕跡[24]。發展中國家城市有較高的S和相對較低比例的（絕對值仍很高），而發達國家表現出較高的比值和低總離子濃度和電導率，這是由于發展中國家能源結構多以煤為主，而汽車保有量較低，NOx排放相對SO2低導致的。由多年歷史數據變化也可以看出，發達國家在20～30年前值較低，由于硫的排放得到有效控制，而汽車保有量增加，比值持續增高；我國部分大城市的數據顯示，由于同樣原因，近20多年表現出比值增高的現象[28]。可見，能源使用方式和能源結構是決定城市及周邊霧水化學組成比例的主要原因。日本北海道受人為活動影響較小，其2006—2012年的觀測除了略有下降（認為與人為NOx排放減少有關）外，可能主要來自火山SO2排放等自然源，未發現等其他離子濃度有顯著變化[29]。

在對比分析各地或某地霧水化學組分濃度長期變化時，還應注意考慮霧的液水含量（LWC），污染物不變而LWC較低或下降會導致化學組分濃度增加。不同的LWC下，霧水組分濃度并不一定能反映空氣質量的變化。此外，在研究霧水組分的生態環境效應時，更關注的是與LWC關系更大的霧水組分的沉降通量[39]。

霧水中的主要化學成分除水溶性無機離子外，還有水溶性有機物（WSOC），如有機酸和醛類物質，以及難溶性懸浮物質，它們主要包括地殼物質（低溶解度的碳酸鹽、硅酸鹽、鋁/鈣/鎂等金屬氧化物）、非碳酸鹽含碳物質（黑碳和有機碳）、生物有機物等。波河谷地觀測發現的可溶性有機物主要有甲酸、乙酸、草酸、多元酸、醛類等，這些可溶性有機物占了霧水中可溶物質的25%左右。不溶性物質可以通過濾膜過濾霧水收集分析，波河谷地研究關注了霧水中懸浮的元素碳（EC）和不溶性顆粒有機碳（POC），發現EC和POC占了霧水中不溶物質的46%～56%，其他不溶物質由各類難溶性礦物質組成；EC又占了不溶性碳物質的19%（中值濃度1.2mgC/L），而POC占了不溶性有機物的大部分（中值濃度5.8mgC/L），EC和POC主要來自各類人為燃燒活動。如果把總有機碳（TOC）定義為WSOC與POC之和，則WSOC占了TOC的52%～95%，平均86%[36]。樊曙先等[40]還研究了霧的不同階段氣溶膠上多環芳烴的變化特征。

Li等[15]、Niu等[16]、牛生杰[41]從霧水采樣、離子分析方法等方面進行系統總結，并揭示了不同地區、不同類型（主要為內陸輻射霧和海岸平流霧）霧和霧中氣溶膠的微物理特征、與邊界層特征結合的宏觀結構特征、霧水化學特征，以及霧的形成、發展、消散過程的物理機制。這里不再贅述。

1.3霧水化學組成的形成機制

通過分析霧水化學成分，不僅可以推測這些成分的來源，還可以了解其形成過程，如氣溶膠作為霧滴的凝結核觸發霧的形成，之后再通過布朗擴散、直接攔截、慣性碰并、熱致電泳、擴散電泳和靜電作用使氣溶膠粒子進入霧滴[42]；而易溶和可溶性氣體可以通過氣液界面的交換過程（吸收）進入霧滴，從而形成霧的基本化學組成。霧滴中還可以發生液相化學反應，形成新的化學物質，如SO2的液相氧化速率至少高于氣相中的1～2個數量級，這可能是我國霧—霾天特別高的原因之一[43-44]。SO2、NOx等的液相氧化與反應環境的pH、金屬催化劑等關系很大，如高pH環境以O3氧化為主、低pH以H2O2氧化為主，這些物理和化學機制已有很多經典研究[45-46]。

霧滴的微觀尺度大小不同（3～100μm）、比表面積差異大（小霧滴具有更大的比表面積），以及對氣溶膠和氣體碰并、吸收、吸附的物理化學特征也不同，這都會導致霧滴譜化學組成的差別；在不同的化學成分、濃度和環境下，發生的化學反應程度、產物都可能不同；此外，不同尺度霧滴沉降速率差異大，最終導致霧滴譜化學組成的較大差別。由于比表面積和沉降速率的差異，表現出霧滴化學和其尺度的依存關系，如觀測發現的平均尺度小的霧滴比大霧滴一般含有較高的總離子濃度[47-48]。技術上得益于多級霧水采樣器的研發[48-49]，霧滴化學和其尺度的依存關系研究得以有效開展，進一步揭示霧中發生的物理和化學過程及其相互作用。Hoag等[50]、孫玉等[51]發現小霧滴含有較高的總離子濃度、主要離子有，霧水pH值也較低；大霧滴一般含不溶性礦物質較多，霧水pH值較高；而H2O2在大小霧滴中的濃度差別不大。由于大霧滴的沉降速率較大，在大霧滴中富集的成分會較快清除，而在小霧滴中富集的成分在大氣中的壽命更長，表現出化學成分的沉降分餾機制[52-53]，類似于雨滴譜清除氣溶膠譜的機制[45]。沉降是霧中氣體和氣溶膠重要的清除機制，觀測發現的氣溶膠尺度譜的變化是由霧對氣溶膠清除以及隨后霧的沉降導致的[42,53]。

霧水化學數值模式可以考慮到氣溶膠凝結活化形成霧滴、氣溶膠—氣體通過前述物理過程進入霧滴、氣相—液相相互作用的化學反應，以及氣溶膠和霧滴的微物理過程及其霧滴的沉降過程。霧滴分檔的霧化學模式基本可以重現霧滴化學的尺度變化，并且能更好地模擬霧中硫酸鹽濃度[54-55]，而總體霧水化學模式往往低估SO2的液相氧化率和硫酸鹽濃度，模式模擬進一步確認了分檔的霧滴沉降和霧滴化學反應是霧水化學尺度依存關系的主要原因[56-57]。Schell等[58]在分析兩個不同尺度的云滴化學成分觀測資料時發現，少部分個例表現出大滴濃度高的特征，數值模式的敏感性試驗表明，新形成的云在一定的氣溶膠條件下可以出現此特征。

2　影響霧形成和變化的因素

研究霧的宏觀特征時，一般認為近地層從來都不缺乏氣溶膠等凝結核，霧的形成主要由降溫（如夜間輻射冷卻）、增濕（如暖濕氣流輸送）以及兩個過程的結合而決定[59]。但霧的微觀研究必須考慮到氣溶膠尺度以及由其化學組成決定的吸濕活化能力的不同，可能在大氣未飽和時，有的氣溶膠就開始活化形成霧滴；或者過量的氣溶膠在有限的水汽含量下，可能處于霾粒子的階段，即氣溶膠反而抑制了霧的形成。因此，霧的形成條件至少包含降溫、增濕和氣溶膠條件及其組合等。

近半個世紀以來，全球變暖加劇，全球大部分地區對流層特別是近地層氣溫顯著升高；城市化帶來的土地利用變化、城市熱源增加以及由它們所致的地表—大氣能量平衡的變化、風速降低，可形成城市及其臨近地區顯著的熱島效應和干島（部分城市增濕）效應，這些變化和效應均改變霧的形成和維持條件。此外，人類活動和空氣污染還顯著增加了一次、二次氣溶膠在大氣中的濃度，如前所述，可能會抑制或促進霧的形成，從而改變大霧、霧、輕霧和霾發生的頻率。霧通常在低風速和穩定近地層條件下發生，因此大氣環流調整、季風強度的年際變化會引起近地層風速、風向的變化，還會引起溫度和水汽的變化，對霧發生頻率的年際變化也會產生重要影響。因此，霧的宏微觀特征、長期變化趨勢、霧—霾相互關系的研究已經不能局限于云物理和氣候領域，只有從氣候變化、云物理和大氣化學等多角度開展綜合研究，才能揭示上述這些人為和自然變化因子對霧形成、特征和變化的作用機制。

2.1城市化和氣候變化對霧形成及其長期變化的影響

進入20世紀80年代以后，中國中東部地區快速的城市化、工業化和人口遷入，對該地區的能源、資源和土地使用類型已產生巨大影響。研究發現，由于城市化導致的地表能量平衡變化、人為污染導致的氣溶膠增加，以及霧的發生頻率、強度皆可能發生變化[60]。國內外大部分研究發現，城市化導致熱島、干島[61-62]，但一些特殊地形，如重慶則呈現熱島伴隨濕島。Li等[63]認為重慶地形復雜、處于兩江交匯處，城市熱島環流可以增強市區與長江之間的水汽輻合上升，形成特殊的“熱島+濕島”現象，這有利于霧的垂直發展；但城市高溫又不利于霧的形成。隨著人類活動增加，世界上一些地區植被覆蓋率下降，下墊面性質的改變、植物蒸騰作用的減少都不利于霧的形成[64]。

在霧的長期變化上，Sachweh等[64]發現，德國慕尼黑及周邊地區自1949—1990年霧頻減少約50%，主要原因是城市化加劇、植被減少、下墊面改變而使熱儲存率下降、人為熱增加、濕度源減少，導致城市熱島和干島：溫度增加、比濕下降效應。他們的研究還指出，在發達國家城市，風速降低和空氣污染帶來的吸濕性凝結核是有利于霧的形成的，但發達國家空氣污染輕，風速降低和凝結核增加效應不足以抵消升溫、減濕效應。而發展中國家空氣污染嚴重得多，城市導致的熱島、干島、污染島都會使霧頻下降。Vautard等[65]采用更新更廣泛的數據進行研究并發現，整個歐洲霧、輕霧、霾發生頻次自20世紀80年代以后均在下降，能見度增加，認為歐洲空氣質量的改善在其中起到較大的作用。Dai[66]利用大量站點氣候資料和再分析資料，研究了全球地表濕度的變化特征及其影響因素。

在我國，孫丹等[67]分析了1956—2001年霧頻的變化，發現除華北平原霧整體增加外，其他地區基本呈減少趨勢或者變化不大，霧頻明顯減少的時間在1994年前后；陳瀟瀟等[68]得到類似結果。吳兌等[69]分析了1951—2005年中國大陸霧、輕霧的長期變化趨勢并發現，長江以南各省的輕霧日數明顯多于長江以北地區，而且20世紀80年代以后輕霧日有明顯增加。在研究華北平原霧長期變化趨勢時，Fu等[70]發現，1995年以前華北霧頻是增加的，1995—2003年相對平緩，2003年之后霧頻急劇下降。而Niu等[71]針對我國中東部研究指出，近30a中國中東部霧日數翻倍，并認為這是由于東亞冬季風減弱，即冷空氣不活躍、地面風速減小造成的。Shi等[72]研究安徽霧的長期變化時發現，安徽大部分城市20世紀60—80年代中期霧頻增加，之后則減少；老城市和新城市霧的變化又有不同，新城市霧頻基本是持續增加的，即城市發展不同階段或者空氣污染條件的不同可導致霧的不同變化特征；其還發現，最近30a城市霧的消散時間明顯推后，平均持續時間增加。史軍等[73]發現在1961—1980年和1981—2007年期間，華東多數地區的霧日數分別呈現出增多和減少的變化趨勢，而霾日數則在兩個時期都表現為增多的趨勢。田心如等[74]研究發現，江蘇省年霧日數在20世紀80年代前中期為鼎盛期，之后呈較快的下降趨勢；大霧持續時間呈顯著增長趨勢，主要表現為霧消時間的推遲。伍紅雨等[75]發現，1961—2008年華南霧日數下降而霾日數增加明顯；云南的霧和霾日數呈一致減少趨勢。而同期我國絕大多數地區霾的長期變化則是顯著增加的，特別是1980年以后[76-77]。

研究霧、霾長期變化特征時，要用到氣象測站相對濕度、能見度、溫度、風和天氣現象記錄等氣象要素的長期資料，要求測站周邊觀測環境最好長期維持相對不變。但我國大部分測站不僅觀測環境變化很大，測站本身位置也多次遷移。因此在利用長期數據進行氣候統計分析時，往往要考慮觀測點代表性、觀測環境變化等因素的影響[78]。孫丹等[67]、Fu等[70]和Niu等[71]對華北和中國中東部地區霧長期趨勢研究得出的不同結論可能就與站點的選擇不同有關。在采用氣象站長期數據進行氣候統計分析時，往往要考慮觀測點代表性、觀測環境變化等因素的影響[79]。

2.2空氣污染、氣溶膠與霧的關系

霾和霧既可單獨存在，也可以共存。近年來我國很多城市霾往往持續數日，在此期間，當空氣濕度達到或接近飽和時，霧就可能出現。當空氣濕度降低時，霧會蒸發消散，霾粒子又會再次大量出現，即存在霧—霾轉化現象[80-81]。霧過程中那些未活化的粒子常被稱為間隙氣溶膠粒子。成霧之后，通過一系列后續過程（包括液相化學反應、氣溶膠粒子與霧滴的碰并以及霧滴之間的碰并），還將繼續改變霧滴和氣溶膠的化學和物理性質。由此，當相對濕度下降，霧蒸發后的氣溶膠粒子的化學成分和尺度譜分布將與之前的狀態有很大不同[53,82]。

在發展中國家，伴隨城市化和工業化而來的就是空氣污染。機動車尾氣、工業廢氣等空氣污染物排放量都在不斷增加，不僅使城市空氣質量惡化，而且使形成霧的凝結核產生微物理和化學成分的改變。氣溶膠濃度較低時，隨著凝結核的增加，霧滴數濃度增加，人為氣溶膠的吸濕性有利于霧的形成；但在高氣溶膠濃度時，隨著氣溶膠增加，過多的凝結核爭食水汽，反而不利于霧的形成[16,54]。目前我國的氣溶膠水平常達發達國家的10倍左右，這么高的氣溶膠水平所導致的霧的變化與發達國家的清潔地區應有很大不同之處[71]。Quan等[83]研究了華北1954—2009年霧、霾長期變化的關系，發現霾頻次在40d/a以下時，霧、霾發生頻次有強的正相關；而當霾的發生頻次超過75d/a時，霧、霾的關系不明顯。至于促進或抑制氣溶膠濃度的臨界值是多少，尚需大量觀測和數值模擬研究確認。這個問題實質上等同于在氣溶膠—云相互作用研究中，氣溶膠是促進還是抑制云降水的發展以及氣溶膠正負效應的臨界值是多少的問題[84]。氣溶膠的輻射效應還可以改變環境溫度，在夜間吸收地表紅外輻射，溫度升高，不利于夜間成霧[85]。

目前的氣象和大氣化學雙向耦合模式已可以考慮宏觀云霧物理和云霧/氣溶膠微物理化學過程以及各過程之間的反饋。WRF-Chem是中尺度氣象和大氣化學雙向耦合模式的代表，充分考慮了地表與邊界層物質能量交換、氣溶膠直接輻射效應以及氣溶膠凝結核成云成霧過程，可用于研究城市化和氣溶膠直接和間接效應對霧發生發展的影響以及氣象要素之間的反饋關系。賈星燦等[86]應用該模式研究了我國華北和華東地區冬季的一次嚴重霧—霾過程，認為通過微物理、熱力和動力作用，人為污染條件下的邊界層結構更有利于霧的形成，人為大氣污染物使霧的范圍最大增加50%，強度加大、持續時間延長。Gao等[87]應用該模式研究了2013年1月華北平原氣溶膠與邊界層溫濕風結構的反饋過程，表明在嚴重霾污染下，地表短波輻射明顯下降，邊界層上部則增溫，由此導致大氣穩定度加強、邊界層下降，抑制對流和擴散，從而使得污染加劇。王自發等[88]應用WRF-NAQPMS雙向耦合模式，研究了同期我國中東部的持續強霾過程，發現靜穩天氣仍舊存在顯著的區域污染輸送，指出氣象—大氣污染雙向反饋機制對強霾的形成非常重要，忽視之會導致模式對污染物濃度的較大低估。

3　空氣污染對霧影響研究的展望

IPCC歷次報告越來越確認，全球大部分地區對流層特別是近地層氣溫顯著升高；同時城市化可形成城市及其鄰近地區顯著的熱島、干島和空氣污染；大氣環流的調整也會引起近地面風、溫、濕等要素的變化，這些變化和效應均會改變霧的形成和其維持條件。氣候變暖、城市化和空氣污染都與人為活動增加有關，要區分它們各自的作用并不容易。因此，研究空氣污染對霧的影響要從云霧物理、大氣化學和氣候變化多角度開展綜合研究，才能揭示這些人為和自然變化因子對霧形成、特征和變化的作用機制。IPCC第四次評估報告[89]和第五次評估報告[90]都有專門的章節，對氣溶膠—云和氣溶膠—氣候相互作用的研究進展進行評述和展望，而對氣溶膠—霧的關系則幾乎沒有涉及。盡管霧可看作是接地的云，但其受區域氣候、地表類型改變和人為污染影響更大、響應信號更強，因而值得深入研究。

霧化學組成研究要與霧的物理化學過程和機制研究、微觀過程與宏觀變化相結合[54-55,91]。只有把霧中的液相化學和非均相化學過程和物理過程相結合，才能解釋觀測到的復雜多變的霧水化學組成特征，發現新的觀測事實并提出新的科學假設。霧的物理化學模式模擬可以進一步揭示霧水化學組成形成的機制，深入認識空氣污染對霧的影響。觀測資料還可以驗證模式，新的機制可以改進模式。因此，一方面要繼續開展霧水化學長期觀測、積累各地各時期復雜多變的組成特征，分析其隱含的環境氣候變化意義；另一方面要發展三維分檔云霧化學模式，在模式不同尺度過程結合、機制不確定性和計算效率上都存在很大挑戰[92]。

氣溶膠中有機成分的確認是氣溶膠化學組成研究的最不確定之處，也是大氣環境界研究的重點和熱點之一。同樣，霧中有機化合物的組成和化學特征值得關注，液相的有機物和有機化學反應也是氣相有機物的源或匯[93]。在云凝結核的核化能力的研究上，有學者認為其尺度效應比其化學效應更重要[94]。但對于霧水，其化學成分的濃度更高、組成更復雜，除了含有吸濕性的鹽核，也有具有表面活性的有機物[95-97]，高濃度鹽核和表面活性有機物都會改變霧凝結核的活化能力、影響霧的形成和維持。因此，霧凝結核的尺度和其化學組成何者決定其活化能力還未有定論，需要進一步的觀測和理論模擬研究。對霧凝結核的物理化學性質的認識也是對云霧物理機制認識的深化和推進。

由于各地的氣候條件、城市化水平和空氣污染條件不同，甚至對全球變暖的響應也不同，所以不同地區霧的氣候特征并不一致，甚至存在較大差異。有必要利用各代表性站點[80]的長期氣象與環境資料，揭示各地區霧頻次與區域氣候變化、城市化和空氣污染的關系。利用天氣—大氣化學耦合模式，模擬分析典型霧和霾個例，探討城市化和空氣污染對霧和霾演化的影響，揭示諸因子相互作用影響霧發生的機制。研究結果不僅對認識霧與氣候環境變化的關系具有科學意義，也可為氣溶膠—云相互作用的理論研究提供直接證據。

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Review of the lmpact of Air Pollution on Fog

Zhu Bin1,2, Guo Ting1
（1 Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration， NUIST， Nanjing 210044 2 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters， Nanjing 210044）

In recent decades, air pollution has become a major environmental problem following the industrialization and urbanization in many countries and regions. Air pollutants have signifcant effect on the physical and chemical characteristics of fog in urban and surroundings. This paper reviews the main progresses on the research of relationships between fog and air pollution, including fog-water chemical compositions and their sources, the formation mechanism of chemical composition, the factors infuencing fog formation and change. Results show that： the structure and usage ways of energy sources and air pollution control level are the main reasons for chemical composition of fog in the urban and surroundings. The urbanization, climate change and air pollution are the three main factors that affect the formation and the long-term change of fog. Via altering macro and micro meteorological and environmental conditions of fog, the further studies might focus on the physical and chemical mechanism inducing long term variation of fog.

fog chemistry, air pollution, urbanization, climate change

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.02.006

2015年12月1日；

2016年1月12日

朱彬（1969—），Email：binzhu@nuist.edu.cn

資助信息：國家自然科學基金（41575148，41275143）