霧霾成因及嚴寒地區(qū)乙醇汽油對霧霾影響

常文濤 白 莉 車文昊 化亞魏

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130118)

近年來，我國霧霾天氣不斷加劇，霧霾影響面積持續(xù)擴大．2013年10月21日至23日，東北連續(xù)多日出現(xiàn)嚴重霧霾天氣，長春市更是出現(xiàn)歷史罕見的大霧，空氣污染嚴重，能見度不足20m，嚴重影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市交通和居民生活．根據(jù)我國環(huán)境監(jiān)測總站的數(shù)據(jù)，全國霧霾影響面積已超過143萬km2，我國從東北到華北，從中部到東部都普遍出現(xiàn)重度或嚴重空氣污染．

1 霧霾簡介及聯(lián)系

霧和霾是兩種自然天氣現(xiàn)象．根據(jù)氣象學(xué)定義，霧是近地面層空氣中水汽凝結(jié)(或凝華)的產(chǎn)物，大量懸浮在近地面空氣中微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)．霾也稱灰霾(或煙霾)，由大量極細微的干塵粒(干氣溶膠粒子)等均勻地漂浮在空氣中形成［1］．霧和霾的區(qū)別表現(xiàn)在兩方面:一是相對濕度．通常將相對濕度大于90%的低能見度天氣稱為霧，相對濕度小于80%時稱為霾［2］．二是能見度．霧的水平能見度低于1km，霾的水平能見度低于10km．

霾天氣出現(xiàn)時大量極細微的干塵粒出現(xiàn)在空氣中，當空氣中水汽較多時，某些吸水性強的干氣溶膠粒子會吸水增長，并最終會活化成云霧的凝結(jié)核，產(chǎn)生更多更小的小水滴(或冰晶)形成霧．由于干氣溶膠粒子和霧都能影響能見度，當水平能見度低于10km時，可能既有干氣溶膠的影響，也可能有霧的影響．

2 霧霾組成成分和形成機理

2．1 霧霾的組成成分

二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和可吸入顆粒物這三項是霧霾的主要組成成分［3］．其中的顆粒物中的PM2．5(也稱可入肺顆粒物)，可深入到細支氣管和肺泡，直接影響肺的通氣功能，使機體容易處在缺氧狀態(tài)，對人體健康的危害較大．

2．2 霧霾加劇原因之一——氣溶膠粒子濃度

在我國霧霾天氣加劇的原因中重要的一方面就是較高的氣溶膠粒子濃度，由圖1中的左圖可以看出，我國城市的硫酸鹽、硝酸鹽、有機碳和銨鹽的粒子濃度分別高達 34μg/m3，15μg/m3，30μg/m3，12μg/m3，遠高于歐洲城市的5μg/m3，4μg/m3，6μg/m3和2μg/m3，并且在圖1中可以看出我國的城郊同樣存在這種現(xiàn)象，氣溶膠粒子濃度遠高于歐洲城郊．雖然歐洲城市氣溶膠粒子濃度相對于城郊高，但是遠不如中國城市和城郊之間的差別大．我國氣溶膠粒子質(zhì)量濃度水平在世界范圍內(nèi)較高，而在歐洲的城市和城郊均遠低于我國，霧霾加劇與我國居高不下的氣溶膠粒子濃度水平有密切的關(guān)系．

圖1 中國和歐洲氣溶膠粒子濃度對比

2．3 霧霾加劇原因之二——二次氣溶膠

二次氣溶膠是氣體經(jīng)過大氣化學(xué)反應(yīng)在大氣中最終一部分轉(zhuǎn)化成為新氣溶膠粒子，其形成受氣象條件影響大，導(dǎo)致了我國霧霾呈區(qū)域性分布的特點．二次氣溶膠形成方式主要有:

(1)直接從氣體變?yōu)闅馊苣z粒子(粒徑通常在30nm以下);

(2)新粒子形成后通過碰并、集聚等過程形成一些更大的粒子(100nm～200nm);

(3)通過凝結(jié)等過程進一步形成一些粒徑更大的粒子(多數(shù)在300nm，一般不超過1 000nm，即PM1)．

在大氣中相對濕度達到過飽和時一部分氣溶膠粒子會活化為云霧凝結(jié)核，形成云霧滴，使能見度進一步降低，飛機觀測顯示，已有氣溶膠作用于低云中云滴數(shù)多于高云，高濃度氣溶膠作用下的云霧形成明顯區(qū)別于海洋和污染較少的其他陸地區(qū)域．

2．4 霧霾的形成機理

霧霾作為一種自然現(xiàn)象，其形成有3方面原因:

(1)懸浮顆粒物的增加． 城市中工業(yè)廢氣、機動車尾氣及其它煙塵排放源排出粒徑在微米級的細小顆粒物停留在大氣中，污染物中的可溶性成分遇到浮塵礦物質(zhì)凝結(jié)核后會迅速包裹，形成混合顆粒;

(2)垂直方向逆溫． 逆溫層使城市上空出現(xiàn)高空比低空氣溫更高，污染物在正常氣候條件下，由氣溫高的近地面向氣溫低的高空擴散，逐漸循環(huán)排放到大氣中．但逆溫現(xiàn)象發(fā)生時，近地面的氣溫更低，導(dǎo)致污染物的滯留，不能及時排放出去;

(3)水平方向靜風現(xiàn)象的增多． 城市建設(shè)的迅速發(fā)展，加大了地面摩擦系數(shù)，使空氣流經(jīng)城區(qū)時明顯減弱，靜風現(xiàn)象的增多，不利于污染物向城區(qū)外圍擴展稀釋，并容易在城區(qū)內(nèi)積累高濃度污染．

形成后的霧霾天氣會使更多的太陽輻射散射和反射回空間，使到達地面的輻射減少，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度增加，而且每日正常排放和二次轉(zhuǎn)化的氣溶膠粒子進一步在近地層大氣中集聚、凝結(jié)，形成更多的云霧滴，造成能見度進一步降低．更多云霧滴還會在一天當中殘留與下一天的匯合，形成惡性循環(huán)，造成在下一次天氣過程出現(xiàn)之前，連續(xù)數(shù)天霧霾維持與加劇，其形成機理見圖2．

以北京的霧霾為例，主要是因為近期大氣環(huán)流異常，出現(xiàn)了極端靜穩(wěn)天氣，加上冬季地面夜間的輻射降溫明顯，使空氣中的水汽迅速達到飽和并形成了輻射霧．水霧不僅為氣態(tài)污染物SO2，NOx迅速轉(zhuǎn)化為硫酸鹽、硝酸鹽粒子提供了極有利的條件，而且為細顆粒物的吸濕、凝聚長大與累積提供了適宜條件．同時，極端靜穩(wěn)天氣形成了低空大氣的“逆溫層”，使空氣在水平、垂直方向的交換流通能力變?nèi)?，不利于空氣中污染物的擴散，從而導(dǎo)致空氣污染的累積效應(yīng)，形成了霾．

圖2 霧霾形成原理

3 乙醇汽油燃燒對霧霾的影響

3．1 乙醇汽油燃燒產(chǎn)物—常規(guī)污染物排放

在我國，推廣使用E10乙醇汽油的地區(qū)有黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽5省以及湖北、河北、山東、江蘇省的部分地區(qū)［4］．

表1 兩種油品的常規(guī)污染物測試結(jié)果

E10乙醇汽油是用體積分數(shù)90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調(diào)和而成．有研究表明，車用乙醇汽油的使用可有效降低汽車尾氣常規(guī)污染物的排放．梁賓的研究顯示，E15乙醇汽油(在汽油中乙醇體積含量為15%)比純車用無鉛汽油碳烴排量下降16．2%，一氧化碳排放量下降了30%［5］．通過表1可以看出，車輛燃用E10乙醇汽油后兩種污染物均有不同程度的降低，CH和NOx降低的分數(shù)依次為21．42%和4．62%．

3．2 乙醇汽油燃燒產(chǎn)物—附加產(chǎn)物

雖然車輛使用乙醇汽油可以減少某些污染物的排放，但有研究表明，也會使其它的污染物(如醛、酮類)排放增加，不能認為變性燃料乙醇將會根本性地改善汽車尾氣的排放狀況．醛、酮等物質(zhì)是污染大氣中自由基和有機氣溶膠的重要來源，不僅可以經(jīng)過一系列反應(yīng)生成光化學(xué)煙霧，而且其又是由碳氫化合物經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)得來的．

對汽車使用乙醇汽油后尾氣中9種醛和酮含量的變化趨勢的研究結(jié)果表明，汽車使用乙醇汽油后，尾氣中丙烯醛、甲醛和正戊醛的增長率高達293%，186%和192%;其它幾種醛類的含量也呈現(xiàn)出增長趨勢，并且平均增長率在47．8% ～92．1%;丙酮和丁酮的含量也有所增加，增加幅度分別為16．6%和25．3%［6］．

當空氣的溫度升高、濕度加大時，可促使光化學(xué)反應(yīng)速度加快，碳氫化合物的氧化、轉(zhuǎn)化速度較快，經(jīng)一系列的化學(xué)反應(yīng)迅速形成醛(或酮)，從而使大氣中醛、酮類有機物濃度升高，這些污染物的濃度的增加，無疑對霧霾天氣的形成起到了推動性的作用．

3．3 乙醇汽油燃燒產(chǎn)物—顆粒物排放

從圖3中可看出，車輛燃用E10乙醇汽油，顆粒物排放數(shù)密度總量比燃用普通汽油降低了33%．從圖4中可以看出，粒徑小于0．2μm(200nm)的顆粒物，E10乙醇汽油相對于燃用汽油顆粒物數(shù)密度的降低率分布近似為多項式分布;粒徑0．02μm附近，兩者排放量接近;在0．07μm附近降幅最大，達到55%;在0．2μm處，降低幅度為10%;在0．2μm之后，降低率的分布基本為對數(shù)分布，雖然降低率隨粒徑增大而增加，但降低率的增加幅度逐漸減小;在3．1μm之后，降低幅度均已超過50%．

大氣重污染過程中大氣能見度會降低，其主要影響因素是細顆粒物的質(zhì)量濃度和化學(xué)成分．例如，采用多元線性回歸方法研究發(fā)現(xiàn)，細顆粒上的NH4+，SO42-，NO3-OC和EC能夠顯著降低大氣的能見度．學(xué)者Deng［7］等通過研究分析南京市空氣質(zhì)量指數(shù)、氣象參數(shù)與大氣能見度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，顆粒物質(zhì)量濃度和相對濕度能夠顯著影響大氣能見度．學(xué)者Lin［8］等在研究北京、上海、成都和廣州的空氣質(zhì)量與大氣能見度的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，空氣中顆粒物的質(zhì)量濃度能夠顯著影響大氣能見度．

圖3 兩種油品顆粒物數(shù)密度的排放總量

圖4 兩種油品的顆粒物數(shù)密度的分布曲線總量

3．4 乙醇汽油燃燒產(chǎn)物—水

乙醇的燃燒會生成大量水汽．當空氣中水汽較多時，某些吸水性強的干氣溶膠粒子(硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和部分可溶性有機氣溶膠)會吸水、長大．在我國華北區(qū)域的觀測發(fā)現(xiàn)，吸濕后的氣溶膠粒子粒徑會增大20% ～60%，使得在相對濕度大時觀測的PM2．5質(zhì)量濃度“虛高”，因其不完全是氣溶膠粒子的貢獻，還有水分的影響．室內(nèi)實驗研究還發(fā)現(xiàn)苯甲酸等芳香類有機物與無機鹽混合的氣溶膠可以在相對濕度70%時就開始吸濕增長，但高濕條件下粒子增幅和理論值相比變小，這會導(dǎo)致氣溶膠滯空時間加長，光學(xué)特性變化，使與霾有關(guān)的PM2．5、能見度和氣溶膠光學(xué)厚度觀測的不確定性加大．

綜上所述，機動車尾氣排放基數(shù)大，會使其產(chǎn)物水蒸氣對局部相對濕度產(chǎn)生一定的影響，當出現(xiàn)極端靜穩(wěn)天氣時，空氣相對濕度會持續(xù)增大，在氣溶膠和顆粒物濃度較高時容易誘發(fā)霧霾天氣．通過以上的研究表明，乙醇汽油燃燒產(chǎn)物對霧霾的影響是顯而易見的．

除此之外，由于乙醇汽油產(chǎn)生大量水汽，嚴寒地區(qū)冬季經(jīng)常會使城市道路結(jié)一層薄冰，尤其是在紅綠燈路口車輛集中減速路段，以及橋梁引橋路段結(jié)冰現(xiàn)象更加嚴重，易發(fā)生交通事故，嚴重影響道路交通安全．

4 結(jié)語

從降低常規(guī)污染物和顆粒物的排放角度來看，乙醇汽油的燃燒比普通汽油具有優(yōu)勢，但乙醇汽油燃燒后醛、酮等有機污染物的含量增多，會引發(fā)光化學(xué)煙霧，加重霧霾形成．此外冬季乙醇汽油燃燒后，生成的水分會在一定程度上影響區(qū)域性相對濕度，并且嚴寒地區(qū)冬季路面容易結(jié)冰，對交通產(chǎn)生不利影響．

目前的研究還不能定量地確定乙醇汽油對霧霾形成貢獻力，但本文的研究顯示，燃用乙醇汽油仍然沒有從根本上解決氣體污染物排放問題，因此綜合考慮，建議在嚴寒地區(qū)冬季不宜大量使用乙醇汽油．

［1］王 強．霧霾的成因危害及防護研究［J］．農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2012(10):163-165．

［2］中國氣象局．霾的觀測和預(yù)報等級［S］．北京:氣象出版社，2010．

［3］許慧慧，張江華．霧霾對健康的影響與防護［J］．生命與災(zāi)害，2013(2):6-7．

［4］李麗云．高寒地區(qū)冬季應(yīng)階段性停用乙醇汽油［N］．科技日報，2013-03-08．

［5］梁 賓．汽油車燃用乙醇汽油的顆粒物與醛酮排放特性［J］．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2013(19):341-347．

［6］周志軍．淺析氣象因子對大氣中低分子醛酮類有機物的影響［J］．干旱環(huán)境監(jiān)測，2008(22):15-19．

［7］Deng JJ，Wang TJ，Jiang ZQ，et al．Characterization of visibility and its affecting factors over Nanjing，China［J］．Atmospheric Research，2011(10):681-691．

［8］Lin M，Tao J，Chan CY，et al．Regression Analyses between recent air quality and visibility changes in megacities at four haze regions in China［J］．Aerosol and Air Quality Research，2012(12):1049-1061．