灰霾監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

姚玉剛，鄒 強(qiáng)，張仁泉，顧 鈞，朱燕玲，丁黃達(dá)，張曉華(蘇州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 蘇州 215004)

·環(huán)境預(yù)警·

灰霾監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

姚玉剛，鄒 強(qiáng)，張仁泉，顧 鈞，朱燕玲，丁黃達(dá)，張曉華
(蘇州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 蘇州 215004)

隨著國(guó)家對(duì)灰霾監(jiān)測(cè)的日益重視以及人們對(duì)灰霾危害認(rèn)識(shí)的加深，國(guó)內(nèi)許多城市建立了灰霾測(cè)站，逐步開展灰霾監(jiān)測(cè)相關(guān)研究。從灰霾監(jiān)測(cè)因子、灰霾天氣氣溶膠特征以及形成機(jī)理等方面綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者灰霾研究成果，并對(duì)灰霾監(jiān)測(cè)進(jìn)行了展望，供相關(guān)技術(shù)和管理人員參考。

灰霾;污染監(jiān)測(cè);進(jìn)展

大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地懸浮在空中，使水平能見度小于10.0 km的空氣普遍混濁現(xiàn)象，稱為霾(haze)［1］。中國(guó)部分地區(qū)也將受到人類活動(dòng)顯著影響的霾稱為灰霾(Brownish haze)，它已成為災(zāi)害性天氣現(xiàn)象之一［2］。隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，灰霾監(jiān)測(cè)技術(shù)、形成機(jī)理等研究都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。筆者從灰霾監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、氣溶膠特征、形成機(jī)理等方面綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)灰霾監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)灰霾監(jiān)測(cè)今后的研究方向作了展望，為灰霾監(jiān)測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒。

1 灰霾監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

1.1 灰霾監(jiān)測(cè)因子

目前，灰霾監(jiān)測(cè)因子集中在能見度、顆粒物特征和各種氣態(tài)污染物的化學(xué)組成等。表1列舉了前述3個(gè)方面的儀器種類、測(cè)量原理及監(jiān)測(cè)因子?；姻脖O(jiān)測(cè)儀器可根據(jù)具體的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目來(lái)選擇［3］。

此外，灰霾監(jiān)測(cè)因子還包括同期氣象要素監(jiān)測(cè)，如輻射、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等常規(guī)氣象參數(shù)，以綜合評(píng)價(jià)灰霾監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 灰霾監(jiān)測(cè)因子

續(xù)表1

1.2 灰霾天氣的氣溶膠

氣溶膠是懸浮在大氣中的固態(tài)粒子或液態(tài)小滴物質(zhì)的統(tǒng)稱，通過(guò)比較灰霾日與非灰霾日的氣溶膠化學(xué)組成［4］，不僅可以通過(guò)氣溶膠的化學(xué)組成揭示污染物特征，還可以通過(guò)顆粒物的粒徑大小判別污染物來(lái)源?；姻蔡鞖鈼l件下，GENG發(fā)現(xiàn)韓國(guó)仁川市的氣溶膠化學(xué)組成有:元素碳、有機(jī)碳、硫酸銨和硫酸氫銨、海鹽、礦物塵埃(鋁硅酸鹽、二氧化硅、碳酸鈣、碳酸鈣鎂復(fù)合物等)、飄塵等［4］。TIPETT分析了美國(guó)圣路易斯市的細(xì)顆粒物(PM2.5)構(gòu)成，由以下三部分組成:(1)鈉、鎂、鋁等48種元素;(2)硫酸鹽、硝酸鹽、銨離子等;(3)總碳、元素碳、有機(jī)碳和碳酸鹽［5］。LI發(fā)現(xiàn)北京極細(xì)顆粒物(PM1)的化學(xué)組成主要有銨鹽、硫酸鹽、煤煙、硫酸鉀、硝酸鉀和有機(jī)物［6］。此外，楊衛(wèi)芬的研究結(jié)果表明，南京市 Se、Cu、Hg和 Bi富集程度明顯增高［7］，上海則 Ni、Cu、S 和 Zn 的富集程度明顯提高［8］。從上述研究結(jié)果可以看出，不同城市在灰霾天氣條件下的化學(xué)組分相比正常條件下有較大差異，各種化學(xué)元素在氣溶膠中所占的比例也發(fā)生了明顯變化。如廣州灰霾天氣相比非灰霾天氣中有機(jī)碳和元素碳濃度在可吸入顆粒物(PM10)中的比例明顯升高［9］。

此外，范雪波通過(guò)顆粒物粒徑分析，發(fā)現(xiàn)灰霾天中的顆粒物主要由人為源貢獻(xiàn)，非灰霾天卻為自然源［8］。當(dāng)人為排放的 SO2和 PM2.5減少時(shí)，灰霾天數(shù)表現(xiàn)出下降趨勢(shì)［10］，于群在廣州的研究也表明，灰霾天數(shù)與PM10的下降趨勢(shì)保持一致［11］。

1.3 灰霾形成機(jī)理

1.3.1 能見度降低

1.3.2 顆粒物來(lái)源和濃度

灰霾天氣的本質(zhì)是細(xì)粒子(直徑小于10 μm的顆粒物)氣溶膠污染［19］，大量極細(xì)顆粒物主要來(lái)自于人為排放源和氣溶膠相變(如:SO2→硫酸鹽;NOx→硝酸鹽;氣態(tài)碳?xì)浠衔铩我袡C(jī)物等)［20］。香港上空的 PM2.5主要來(lái)自交通運(yùn)輸過(guò)程［21］。根據(jù)SO2－4與SO2顯著線性相關(guān)，溫天雪推斷燃煤是北京采暖季 PM10中硫酸鹽的主要來(lái)源［22］。受采樣時(shí)段、采樣地點(diǎn)和氣象條件的影響，各地區(qū)的顆粒物濃度存在較大差異(表2中以PM2.5濃度為例)。

表2 部分城市PM2.5的平均濃度

1.3.3 氣象條件

當(dāng)依據(jù)顆粒物進(jìn)行灰霾評(píng)價(jià)時(shí)，還需要綜合考慮相對(duì)濕度、風(fēng)速和氣溫等氣象條件的影響。灰霾常呈現(xiàn)出區(qū)域性、復(fù)合型的變化特征，主要形成于大氣層結(jié)穩(wěn)定、風(fēng)速較低、逆溫較強(qiáng)的情況［29］。特別易于在穩(wěn)定天氣條件、大氣污染物高排放區(qū)域形成［30］。風(fēng)速、相對(duì)濕度、PM2.5濃度是灰霾天氣形成的主要因素［18］?；姻渤Ｒ娪诙?、春季，與常規(guī)三項(xiàng)污染物(SO2、NO2和 PM10)的濃度關(guān)系不大［31］。顆粒物濃度與溫度、風(fēng)速成反比，而與相對(duì)濕度、逆溫現(xiàn)象成正比［32］。太陽(yáng)輻射和氣溫等氣象條件也會(huì)對(duì)硫酸鹽、硝酸鹽氣溶膠濃度產(chǎn)生影響［17］。

武漢市灰霾與沙塵暴和二次氣溶膠的生成密切相關(guān)［33］。韓國(guó)仁川市的灰霾形成于停滯的氣象條件(低風(fēng)高濕)背景下，與機(jī)動(dòng)車尾氣、生物燃燒有關(guān)，并假設(shè)中國(guó)東部地區(qū)的灰霾傳輸對(duì)仁川市的灰霾形成也有一定影響［4］。

綜上所述，由于灰霾成因非常復(fù)雜，解釋灰霾成因需要基于天氣背景、排放源動(dòng)態(tài)變化、周邊城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化和區(qū)域的污染物傳輸機(jī)制等研究，各項(xiàng)研究亟待加強(qiáng)。目前多數(shù)針對(duì)灰霾的研究主要從3個(gè)方面探討灰霾機(jī)理。一方面，從灰霾日和非灰霾日各種污染要素、氣象要素等的對(duì)比分析研究［4］，通過(guò)分析灰霾氣溶膠可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致灰霾天氣的污染物類型，按照統(tǒng)計(jì)方法算出各污染物的比例，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在聯(lián)系。另一方面，分析局地污染源(如交通路口)和區(qū)域灰霾中污染物之間的關(guān)聯(lián)，從代表性的角度加以闡述［25］。此外，可基于某一次灰霾事件開展的天氣背景和污染物傳輸特征研究［9］，研究單次灰霾天氣成因。

2 灰霾監(jiān)測(cè)展望

2.1 灰霾聯(lián)合監(jiān)測(cè)

Ramanathan通過(guò)區(qū)域試驗(yàn)(印度洋)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，區(qū)域灰霾不僅僅局限于城市，而在全球均有廣泛分布［34］。長(zhǎng)江中下游地區(qū)霾的增加是造成太陽(yáng)總輻射減少的主要原因之一?；姻策€可與溫室氣體相互作用，對(duì)區(qū)域乃至全球變化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，有可能會(huì)改變氣候變化、水循環(huán)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和健康等諸多問題?？紤]到灰霾與全球環(huán)境變化學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)，聯(lián)合監(jiān)測(cè)灰霾已成為大勢(shì)所趨。一方面，為深入研究灰霾本質(zhì)和污染物特征提供高效的體制支持，需要打破部門分割，如環(huán)保、氣象、衛(wèi)生、交通和科研院所等部門聯(lián)合監(jiān)測(cè)，做到各有側(cè)重和資源優(yōu)化，避免重復(fù)建設(shè)。另一方面，為解決灰霾治理中的糾紛問題，需要打破區(qū)域分割，各國(guó)家與各地區(qū)之間進(jìn)行灰霾監(jiān)測(cè)信息交流，共同治理環(huán)境空氣質(zhì)量和制定相關(guān)環(huán)境決策，為治理灰霾提供有力的技術(shù)支撐。

2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)拓展

未來(lái)灰霾監(jiān)測(cè)需要在現(xiàn)有灰霾評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓寬監(jiān)測(cè)指標(biāo)和監(jiān)測(cè)范圍?？赏ㄟ^(guò)以下步驟逐步完善灰霾監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系建設(shè):第一步，通過(guò)調(diào)整國(guó)家和地方灰霾監(jiān)測(cè)網(wǎng)的功能和布局，在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的基礎(chǔ)上獲得第一手監(jiān)測(cè)資料。第二步，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，開展數(shù)據(jù)同化和數(shù)據(jù)分析，深入挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)涵，得出指導(dǎo)性結(jié)論。第三步，根據(jù)指導(dǎo)性結(jié)論，各地根據(jù)地方特點(diǎn)增加監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并參考環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可制定嚴(yán)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的地方標(biāo)準(zhǔn)。第四步，通過(guò)國(guó)際交流和參考國(guó)外先進(jìn)測(cè)霾經(jīng)驗(yàn)，對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的生態(tài)效應(yīng)加以評(píng)估，量化指標(biāo)的影響。此外，搜集的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)灰霾數(shù)據(jù)也可以提供給科研機(jī)構(gòu)和大專院校，便于開展多角度、多層次的科學(xué)研究工作，拓展灰霾監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系。

2.3 灰霾健康風(fēng)險(xiǎn)影響評(píng)價(jià)

現(xiàn)行的灰霾評(píng)價(jià)與人性化評(píng)價(jià)還有差距，人性化評(píng)價(jià)是健康評(píng)價(jià)的需要，也將成為主導(dǎo)灰霾監(jiān)測(cè)目標(biāo)的一個(gè)重要因素。如傳統(tǒng)的空氣污染指數(shù)(API)對(duì)公眾健康的關(guān)注較少，加拿大新近采用AQHI(環(huán)境空氣健康指數(shù))替代了環(huán)境空氣質(zhì)量(AQI)的評(píng)價(jià)體系，選用AQHI的理由是該指數(shù)與健康威脅密切相關(guān)。兩者的區(qū)別在于:(1)AQI評(píng)價(jià)體系主要反映空氣污染物的具體水平，AQHI卻反映同等空氣質(zhì)量水平下的健康威脅。(2)AQI評(píng)價(jià)體系由一種污染物的最高分指數(shù)決定，AQHI評(píng)價(jià)體系由每一種污染物的健康威脅綜合而成。具體到污染物而言，DADVAND對(duì)英國(guó)東北部10年間(1993—2003年)的大氣污染物和先天性心臟病的出現(xiàn)頻率之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)CO和NO影響較大，而 SO2、O3和 PM10影響相對(duì)較弱［35］。BRANIS在捷克布拉格的研究結(jié)果表明，餐館內(nèi) PM2.5含量最高(1 103 μg/m3)、次高值出現(xiàn)在室內(nèi)壁爐附近(420 μg/m3)，而最低值則出現(xiàn)在郊區(qū)(25 μg/m3)［36］。

因此，為客觀評(píng)價(jià)灰霾的健康風(fēng)險(xiǎn)影響，除了向社會(huì)定期公告空氣質(zhì)量狀況以外，環(huán)保部門還要針對(duì)灰霾對(duì)人群健康效應(yīng)的可能影響(如易感人群，如老人、兒童、孕婦和哮喘病人等)，出臺(tái)相應(yīng)的應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和管理方法。

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Progress in the Study of Haze Monitoring

YAO Yu-gang，ZOU Qiang，ZHANG Ren-quan，GU Jun，ZHU Yan-ling，DING Huang-da，ZHANG Xiao-hua
(Suzhou Environmental Monitoring Central Station，Suzhou，Jiangsu，215004，China)

Many haze monitoring stations were established in domestic cities in China with more understanding and attention of haze hazard and monitoring.Studies on haze monitoring were reviewed including the factors of haze monitoring，aerosol characteristics and formation mechanism.Three prospects of haze monitoring were proposed for management and technicians.

haze;monitoring;progress

X823

A

1674-6732(2012)-05-0014-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2012.05.004

2011-11-09

姚玉剛(1983—)，男，工程師，博士，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。

(本欄目編輯 周立平)