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雾霾成因与防治论文


雾霾的成因与防治

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市场营销专业 1201 12085119 张杰

雾霾的成因与防治

摘要:
历史数据表明,近 50 年来中国雾霾天气总体呈增加趋势,且持续性霾过程 增加显著。从空间分布看,霾日数呈现东部增加西部减少趋势。其中,珠三角地 区和长三角地区增加最

快。2013 年我国中东部地区先后遭遇多次大范围持续雾 霾天气,给人们生产生活造成了严重影响。随着时间的推移,轻雾、雾和霾的范 围逐渐加大、程度逐渐加剧;特别是北京天津等地雾霾连续数日,严重的影响了 市民的生活质量。对此,我决定以 2013 年雾霾天气为对象,对其成因和其成分 分析及防治问题进行研究,从而建立解决此类问题的模型。

关键词:
雾霾 成因 PM 2.5 静稳天气 大气气溶胶

引言:
雾霾是秋冬季常见的天气现象。雾和霾虽同为视程障碍物,但二者之间却有 很大差别。雾是空气中的水汽凝结现象,是自然的天气现象,和人为污染没有必 然联系;霾是排放 到空气中的尘粒、烟粒或盐粒等气溶胶的集合体,是大气污染所导致。两者 可从空气湿度上作出大致判断,通常在相对湿度大于 90%时称之为雾,小于 80% 时称之为霾,80%~90%之间则为雾霾混合物。雾和霾在一天之中可以变换角色, 也可能在同一区域内有些地方是霾有些地方为雾。当雾和霾同时存在,且区域性 能见度低于 10 公里的空气普遍浑浊现象被称为“雾霾”天气。由于能见度的降 低不仅有“积极”参与的云雾滴的作用,还有气溶胶粒子的贡献,且其中的细粒 子排放主要来自人类活动, 因此雾霾不是纯粹的自然现象,雾霾天气的出现是气 象问题,更是环境问题。 2013 年 1-10 月,我国中东部地区先后遭遇多次大范围持续雾霾天气,其影 响范围、持续时间、雾霾强度历史少见。雾霾天气导致空气质量和能见度下降, 造成呼吸系统和过敏等疾病的发病率增加,高速公路封闭,航班延误或取消,给 人民群众的身体健康和生活造成严重影响。本文就 2013 年雾霾天气的特点、出 现原因、 目前对大气污染已经采取的措施, 以及未来如何应对等问题进行了探讨。

正文:

历史数据表明,近 50 年来中国雾霾天气总体呈增加趋势,且持续性霾过程 增加显著。从空间分布看,霾日数呈现东部增加西部减少趋势。其中,珠三角地 区和长三角地区增加最快。随着时间的推移,轻雾、雾和霾的范围逐渐加大、程 度逐渐加深。霾的组成成分非常复杂,包括数百种大气化学颗粒物质。如矿物颗 粒物、海盐、硫酸盐、硝酸盐、有机气溶胶粒子、燃料和汽车尾气等,对人体健 康和生态环境都有很严重的影响。那么,雾霾的成因是什么?对环境和人体有何 影响?对于我们居民来说, 应如何防治?政府及相关环保部门应如何应对?我们 对化石燃料燃烧而产生的二氧化氮.一氧化氮等氮氧化物对环境产生的影响的防 治有什么深刻的认识?

一.雾霾天气的成因
2013年我国出现多次大范围的雾霾天气过程, 是有利于雾霾产生的气象条件 和由于人类活动造成的不断增加的污染物排放共同作用的结果。 1.大气环流异常导致静稳天气多,有利于形成雾霾 静稳天气是指当大范围近地面大气层持续或超过24小时出现气压场较均匀、 静风或风速较小的天气。在静稳天气条件下,湍流受到抑制,特别是当逆温层出 现时,低空中的水汽和颗粒物不易扩散,极易形成雾霾天气。 静稳天气在秋冬季更易出现。 2013年1月大气环流异常而导致静稳天气偏多, 为大范围持续雾霾天气的出现提供了有利条件。1月份,西北利亚地区冷高压异 常偏弱,北半球西风指数较常年明显偏大,表明高空西风分量较强,环流比较平 直,纬向型环流较弱,不利于引导极地冷空气进入我国;中东部大部地区的海平 面气压值较常年偏小1~5hpa(百帕) ,处于弱气压梯度区,地面风速不大,垂直 和水平方向扰动小, 静风和小风天气多, 形成持续静稳天气。 气象资料分析表明, 2013年1月我国中东部大部地区稳定类天气出现的频率较常年明显偏多,其中华 东地区为56.5%、华南57.3%、西南63.7%,而华北地区高达64.5%,与2006年并列 为近10年最高。加之南方暖湿气流相对较强,上述地区近地面空气湿度大,因此 出现大范围持续雾霾天气。 2.我国大气气溶胶浓度高有利于形成雾霾 我国大气气溶胶浓度在世界范围来说处于较高水平, 有利于催生雾霾天气的 形成。 大气气溶胶是指悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称,主要包括沙尘、 碳(有机碳和黑碳) 、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和海盐等六大类。我国各地大气气 溶胶有不同的时空分布特点。 冬季北方地区燃煤采暖、春秋季农村地区秸秆焚烧 都会造成碳气溶胶的浓度明显增加;春季,西部地区受沙尘天气影响,以沙尘气 溶胶为主。我国华北地区工业相对比较发达,排放的二氧化硫较多,由于气温高 可加速二氧化硫转化为硫酸盐, 所以夏季华北地区硫酸盐气溶胶浓度较其他季节 和地区都高。 因城市汽车使用量大大高于农村,所以城市中硝酸盐和硫酸盐气溶

胶浓度大大高于农村。 气溶胶中空气动力学当量直径在10微米以下的颗粒物称为 PM10,2.5微米以下的称为 PM2.5. Aaron 利用 Terra 卫星遥感数据反演得到全球 PM2.5浓度分布,结果表明全球大部分地区年均 PM2.5浓度 <10微克/立方米,而 在我国中东部地区则达到60-90微克/立方米,部分地区甚至 >100微克/立方米, 明显处于较高水平;我国 PM10的浓度也远高于欧美地区。近年来,由于煤炭消 耗量和机动车数量增长等因素,我国气溶胶浓度不断上升,1995年到2012年,二 氧化硫排放总量已由1.89×107t(吨)增加到2.12×107t。 大量研究表明, 气溶胶中 PM10和 PM2.5的浓度与能见度密切相关。有研究证 明,济南能见度与 PM10、PM2.5 浓度的相关系数分别达到-0.622、-0.694,当 PM10、PM2.5浓度上升时,能见度将明显下降。能见度降低的主要原因是颗粒物 对光的散射和吸收效应, 并由于散射作用减小了目标物与天空背景之间的对比度 而造成。 大气气溶胶中, 起散射作用的主要是粒径为0.1-1微米的细粒子,对光的 吸收效应几乎全部是由黑碳和含有黑碳的颗粒所引起。由此可见,气溶胶浓度对 能见度的影响非常大, 我国气溶胶浓度高是雾霾天气多发的主要原因,而冬季北 方地区采暖燃煤释放的大量黑碳则加剧了雾霾的形成。 3.雾霾天气使近地层大气更加稳定,加剧雾霾发展 大气中污染物和雾霾相互影响和作用,其主要媒介是气溶胶[9]。雾霾中污 染物的加入显著改变了气溶胶浓度,可促进水汽凝结,形成更多的云雾滴,水汽 凝结时释放的潜热又有利于雾区的抬升和扩展;另一方面,云雾滴和气溶胶的增 加将更多的太阳辐射反射、散射回大气中,使到达地面的辐射减少,地面气温下 降, 大气层结稳定度增加, 造成每日正常排放和转化的气溶胶粒子更易在近地层 大气中集聚,能见度进一步降低。由此可见,气溶胶的增多通过影响近地面层动 力和热力场,对雾霾的发展起正反馈作用。 4.气溶胶二次反应导致污染物浓度增高 气溶胶按照形成过程可分为一次气溶胶和二次气溶胶。 人类活动产生的污染 源排入大气中,其中二氧化硫、碳氢化合物、氮氧化合物等一次气溶胶通过化学 反应和气粒转化过程,形成硫酸盐、硝酸盐和氯化物等新的比较稳定的颗粒,即 二次气溶胶。大量观测数据表明,大气中二次气溶胶对 PM2.5浓度的贡献很大, 大气污染物中有近5成的颗粒物来自于二次反应。二次气溶胶参与形成更多的云 (雾)滴,使本已严重的大气污染状况变得更为复杂,雾霾天气更严重。 5.空气中悬浮颗粒物的增加。 随着城市人口的增长、机动车辆猛增,污染物排放和悬浮物大量增加,直 接导致了能见度降低。实际上,家庭装修中也会产生粉尘“雾霾” ,室内粉尘弥 漫,不仅有害于工人与用户健康,增添清洁负担,粉尘严重时,还给装修工程带 来诸多隐患。除了气象条件,工业生产、机动车尾气排放、冬季取暖烧煤等导致 的大气中颗粒物(包括粗颗粒物 PM10和细颗粒物 PM2.5)浓度增加,是雾霾产生 的重要因素。 如今很多城市的污染物排放水平已处于临界点,对气象条件非常敏

感,空气质量在扩散条件较好时能达标,一旦遭遇不利天气条件,空气质量和能 见度就会迅速下滑。

二.雾霾的影响
雾霾对公路、铁路、航空、航运、供电系统、农作物生长等均产生重要不良 影响。雾、霾会造成空气质量下降,影响生态环境,其中直接有害人体健康的主 要是 PM2.5,PM2.5 是指大气中直径小于或等于 2.5 微米的颗粒物,也称为可入 肺颗粒物。被吸入人体后会直接进入支气管,干扰肺部的气体交换,引发包括哮 喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。而在雾霾天气时,城市中空气污染物不 易扩散,空气中往往会带有细菌和病毒,极易导致传染病扩散和多种疾病发生。 雾中水分的作用加重了二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等物质的毒性,危害人体 健康。尤其冬季遇雾、霾天气时,若空气污染严重可能形成烟尘或黑色烟雾等毒 雾,严重威胁人的生命和健康。

三.雾霾的防治
雾霾的治理,是一项综合性、系统性的工程。 1.PM2、5 等微粒,是污染大气的主要‘物质,也是很好的凝结核。而大气 中的水分,具有吸收、粘结、固定‘微粒’的功能。因此,人工向空中输送“水 分” ,改善区域小气候,是净化大气、影响成云致雨的天气形势,是治理区域大 气污染的有效方法。 人工主动干预生态天气系统,以大气运动为条件,水分为因子,从水循环的 ‘水分’开始调控;降落地表的宏观水分,增加地表面的湿度,固定粉尘;水汽 蒸发的微观‘水分’ ,增加大气的密度,改变空中大气的物理状态;地理空间的 宏观、微观‘水分’ ,加大天地之间的‘物理量’ ,形成天地之间降水的‘同位素’ 条件交互耦合反馈成云致雨的天气系统。 人工水汽,随着气流上升运动,紊乱 扩散混合, 增加空间大气的密度,水分发生随机性的自组织的混沌的内外潜热的 交换,复杂多变的温度、气压的变化,连续的物质、能量的转化,混乱的热力结 构、动力结构和势能、动能的改变,通过涨落,空气中水分在“露点”饱和、凝 结、相变,沾附在凝结核上,产生云滴或冰晶,涌现出新的“信息”物质的云层 结构, 水分子从无形体的微观气态水混乱运行的形态,到宏观实体物质降水粒子 的状态转化。 以人工主动干预的科学技术手段,空中水分降尘,成云致雨、降水净化大气 的机制。可以在很大程度上降低空气中总悬浮颗粒数,改善雾霾天气,达到治理 的目的。 2.对政府而言, 加强环保立法,完善法律制度才是解决包括雾霾在内的大气

污染的根本途径。可以修改《环境保护法》及《大气污染防治法》等相关环保法 律。改善落后的生产生活方式。大力推广新型能源,提高环保意识从源头上减少 污染物的排放。 3.从能源消耗产业结构的关系考察,2013 年我国能源消耗总量为 34.8 亿吨标准 煤,其中 70%是工业部门消耗的,24.3 亿吨,排放的二氧化碳总量为 61.9 亿吨。其 中,冶金、建材、火力发电、石油炼化、化工、重型装备制造等六大行业消耗的能源 又占工业总能耗的 79%。所以工业废气排放是形成雾霾的主要源头。为此,国家一定要 加大对工业部门的监管力度,在保证经济高效快速发展不受影响的前提下,尽量减少 对化石燃料的使用,或加大对燃料燃烧废气的加工和处理,降低化石燃料占一次能源 的比重,增加清洁能源占一次能源的比重。 4.从工业布局考察,我国的重化工业主要集中在华北、东北和西北地区。华北地区 高耗能的钢铁工业的比重过高,仅河北省的粗钢生产能力约占全国的六分之一,而且 中小钢铁企业数量多,能耗高。所以,必须优化钢铁工业布局,减少华北地区的钢铁 产能,逐步关停那些能效低,污染大的中小型钢铁企业。提高燃料使用效益,从 而降低化石燃料的燃烧和废气排放。减少空气中氮氧化物的含量,以减轻雾霾对 城市和人体的影响。 5.另外对于汽车废气这一污染的主要原因, 强制安装尾气净化装置可以明显 改善尾气排放对大气造成的的污染。其中三效催化剂(TWC)法是净化汽车尾气的 有效手段。贵金属(Pt、Pd、Rh)搭载在 Al2O3 或蜂窝陶瓷上,添加适当的助剂, 如 La、Ce、Ba 等能够同时除去机动车尾气中的 HC、CO 和 NO 三种污染物的催化 剂称为三效催化剂。其中 Pt、Pd 对 CO、HC 的氧化脱除具有高活性,而 Rh 具有 对 NO 优良的催化还原作用,它能选择地将 N0 还原为 N2 而抑制 NH3 的生成。目 前有 91%的 Rh 用于三效催化剂的制备,Rh 资源相当匮乏,所以无 Rh 催化剂是现 今研究的一个主要目标口引。要使三效催化剂同时有效地脱除 HC、CO 和 NO,必 须把空燃比 A/F 控制在氧化还原计量比 14.6 附近,此时三种污染物的脱除率 可达 9O%以上。当空燃比较低时,CO、HC 净化不完全,空燃比较高,导致 NOX 的转化率下降。尾气的处理同样治标不治本,尽量使用公共交通出行,使用清洁 能源汽车才能从源头上减少汽车尾气的排放。

四.雾霾天气频发对我们的启示
全国性的环境问题, 不断地健康警示,无一不是大自然母亲在向我们发出警 告。我们若想要健康的生活,就必须善待环境,我们想要和谐社会,就必须要有 一个和谐的自然, 环境问题说到底都是人的问题,人的问题最后总要归结于教育 和法制,环境保护需要全民重视,需要全民参与

参考文献:
[1]中国气象局.霾的观测和预报等级,中华人民共和国气象行业标准.2010 [2]中国环境监测总站.空气质量状况月报(2013 年 1 月、2013 年 10 月) [3]张小曳.中国大气气溶胶及其气候效应的研究.地球科学进展,2007 [4]张小曳,张养梅,曹国良.北京 PM1 中的化学组成及其控制对策思考[J].应 用气象学报,2012 [6]环境保护部.全国环境统计公报(1995 年、2012 年). [7]董雪玲.大气可吸入颗粒物对环境和人体健康的危害[J].资源产业,2004 [9]贾星灿, 郭学良. 人为大气污染物对一次冬季浓雾形成发展的影响研究[J]. 大 气科学,2013 [10]刘煜,李维亮,周秀骥.夏季华北地区二次气溶胶的模拟研究[J].中国科 学 D 辑地球科学,2005


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