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雾霾天气成因分析及应对思考


雾霾天气成因分析及应对思考
摘要: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。本文详细分析了雾霾天气产生的原因及特点,列举了国外工业化过 程中出现的雾霾影响和治理过程,以及我国近期为防止大气污染已经采取的多项措施, 提出从根本治理大气污染、改善空气质量需要在制度上实现保障,从源头上进行防治, 建立长效的协同治理的联动机制。

关键词:雾霾;大气污染;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[1]。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。 一、2013 年雾霾天气特点及成因分析 (一)雾霾天气特点
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1.雾霾日数多 雾霾是气象部门的常规观测项目,根据历年的观测资料统计分析显示,2013 年我 国雾霾日数较常年同期明显偏多,其中 1 月和 10 月的月平均雾霾日数均为 1961 年以 来同期最多。1 月,全国平均雾霾日数为 4.4 天,较常年同期偏多 1.4 天;10 月达 4.7 天,偏多 2.3 天(图 1A、1B)。雾霾日数偏多在我国东北、华北、黄淮、江淮等中东 部地区最为显著。 以省会城市为例, 1 月合肥雾霾日数达 30 天、 南京和杭州均为 29 天, 几乎整月都被雾霾笼罩;北京雾霾日数有 25 天,较常年同期偏多 13.6 天,为 1954 年 以来同期最多。

图 1A 1961-2013 年 1 月全国月平均雾霾日数变化

图 1B 1961-2013 年 10 月全国月平均雾霾日数变化
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与往年比,在雾霾日数中霾的增加尤为明显。我国年均霾日数为 9 天,呈逐渐增加 的趋势,尤其是 2004 年以来增长迅速较快,年均值在 12~20 天,明显超过常年平均 (图 2);而 2013 年 1-10 月全国平均霾日数已达 26 天。与之相对应的是我国能见度 逐年下降,从上世纪 60 年代为近 26 公里,下降至近十年为平均 22 公里左右。

图 2 1961-2012 年全国年均霾日数变化 2.覆盖范围广 据风云二号气象卫星遥感监测显示,2013 年 1-10 月,全国有 20 个省(区、市) 出现持续性雾霾。1 月份平均每天雾霾覆盖范围有 71.6 万平方公里,其中 1 月 22 日达 222 万平方公里,几乎覆盖了整个中东部地区;10 月 20-22 日,北方地区出现严重雾 霾天气过程,内蒙古东部和东北地区影响范围约 40.8 万平方公里,大部地区都为雾霾 所覆盖(图 3A、3B)。

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图 3A FY-2E 气象卫星 2013 年 1 月 22 日大雾监测图

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图 3B FY-2E 气象卫星 2013 年 10 月 21 日大雾监测图 3.强度大 2013 年 1 月, 在全国 2400 余个气象观测站中, 能见度小于等于 1000 米、 500 米、 200 米的站次数分别达到 8233 站次、5218 站次和 3374 站次,分别为近 7 年平均值的 2.7 倍、2.6 倍和 2.5 倍。环保部门数据显示[2],对第一批实施环境空气质量新标准的 74 个城市监测结果表明,1 月份总体超标天数达 68.4%,其中严重污染占 10.0%,重 度污染 20.2%,中度污染 13.5%,轻度污染 24.7%;PM2.5 的平均超标率为 68.9%, 月均浓度为 130 微克/立方米(表示每立方米空气中可吸入颗粒物的含量,值越高代表 空气污染越严重),最大日均值达 766 微克/立方米。10 月份,总体超标天数为 47.8%, 超标天数中以 PM2.5 为首要污染物的天数占到 61.7%;哈尔滨 10 月 19 日至 23 日连 续 5 天空气质量为严重污染,21 日 PM2.5 小时浓度一度达到 1000 微克/立方米。 4.影响程度重

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雾霾天气导致的空气质量和能见度下降给人民群众的身体健康、 交通出行和日常生 活造成严重影响。1 月份,北京、天津、石家庄等地医院就诊人数明显增加,其中呼吸 道感染的病人偏多,且表现出明显的过敏症状,比如流鼻涕、打喷嚏、眼睛痒、干咳、 痰多、憋气、气短等。雾霾天气还给航空、道路交通带来严重影响,1 月 17 日济南机 场因雾霾取消航班近 70 架次,1 月 29 日北京首都机场因雾霾取消航班 49 架次;1 月 13 日雾霾天气造成沪昆高速 16 辆车连环相撞,2 人死亡。10 月 20—22 日东北地区出 现严重雾霾天气时,哈尔滨宣布全市中小学停课两天,这是国内城市首次因雾霾天气发 布停课的强制性行政命令;哈尔滨机场 400 余架次航班取消,近 5 万人出行受影响;吉 林长春部分中小学、职业学校取消课间操;辽宁省内京哈、丹阜、沈海等多条高速部分 路段封闭。 (二)雾霾天气成因分析 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

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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[3]。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[3]。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[4],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[5]。 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[6]。 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[7],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[8]。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。
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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 [10]。 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[11]。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。 二、雾霾是工业化高速发展时期的常见现象,发达国家通过立法防治大气污染取得 较好效果 雾霾天气在西方工业化的进程中曾是一种常见的现象, 发达国家通过立法和行政手 段,采取各种措施防治大气污染,陆续消除雾霾危害,他们的经验值得我们认真研究和 借鉴。 在工业化高速发展时期,排放到空气中的大量工业废气、燃煤烟尘以及逐渐增加的 汽车尾气都是大气污染物的主要来源。 当近地面大气层出现逆温时会导致污染物无法扩 散,如果逆温层维持较长时期,污染物出现长时间堆积,发生光化学反应,产生毒性更 大的物质,就有可能导致恶性大气污染事件,造成大量人员伤亡。1930 年,比利时发 生马斯河谷烟雾事件。马斯河谷是比利时重要的工业区,该地处于狭窄的盆地中。当年
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的 12 月 1 日至 15 日,马斯河谷上空出现了很强的逆温层,在其持续作用下,马斯河 谷工业区排放的大量烟雾弥漫在河谷上空无法扩散,越积越厚。第 3 天开始,河谷工业 区有上千人发生呼吸道疾病,一周内就有 60 多人死亡。1948 年,美国的多诺拉出现类 似事件。多诺拉是美国宾夕法尼亚州山谷中的一个小镇,是硫酸厂、钢铁厂、炼锌厂的 集中地。 1948 年 10 月 26 日至 31 日,该镇持续出现大雾和逆温层现象,工厂排出的大量烟雾 被封闭在山谷中,小镇中 6000 人突然发病,其中有 20 人很快死亡。1952 年,英国出 现骇人听闻的“伦敦烟雾事件”。12 月 5 日至 8 日,伦敦上空维持逆温层,高压中心控制 下一连数日无风, 大雾笼罩城市, 燃煤排放的煤烟粉尘等污染物在无风状态下蓄积不散, 呼吸道疾病患者剧增。 仅 4 天时间死亡人数就达 4000 多人, 之后的两个多月又有 8000 多人陆续丧生。 饱受雾霾危害之后, 发达国家陆续开始治理雾霾的探索, 通过各种立法和行政手段, 严格整治污染源头。伦敦烟雾事件直接推动了英国治理空气污染法案的出台。1956 年, 英国议会正式通过了《空气清净法案》,并大力推行。法案规定伦敦城内的电厂全部关 闭,城镇使用无烟燃料,推广电和天然气,冬季采取集中供暖,重工业设施被迁至郊外, 提高烟囱高度疏散大气污染物等。1974 年通过的《控制公害法》囊括了从空气到土地 和水域的保护条款。80 年代后,交通污染取代工业污染成为伦敦空气质量的首要威胁, 为此政府优先发展公共交通网络,抑制私车发展,减少汽车尾气排放。扩建绿地也是伦 敦治理大气污染的重要手段。在一系列法案和政策的实施过程中,伦敦大气污染程度大 幅下降,逐步摘掉了“雾都”的帽子。 美国 1955 年、1963 年和 1967 年分别通过了《空气污染控制法》、 《清洁空气法》 和《空气质量法》,之后又三次对《清洁空气法》进行了补充和修订,构筑起保证清洁 空气的长效机制。

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德国在环保方面重在通过减少污染物排放来防治雾霾天气。在 40 个城市中设立了 “环保区域”,只允许符合环保标准的车辆驶入,规定了大型锅炉和工业设施排放标准严 格加以监管。 三、我国已采取多项措施治理雾霾天气,防治大气污染 当前,我国区域性大气环境问题日益突出,损害人民群众身体健康,影响社会和谐 稳定。随着我国工业化、城镇化的深入推进,能源资源消耗持续增加,大气污染防治压 力将会继续加大。党中央、国务院及相关部门高度重视治理雾霾天气和防治大气污染的 工作,采取一系列措施积极应对。 2012 年, 环境保护部对空气质量标准进行修订[12], 将 PM2.5 纳入其中, 迈出 PM2.5 监测和发布的第一步。PM2.5 主要来源于人为污染,易附带有毒、有害物质(例如重金 属、微生物等),在大气中的停留时间长、传输距离远;进入人体后主要沉积在气管、 支气管,甚至进入肺泡中,对人体健康影响很大。雾霾作为有害物质的载体,影响空气 质量的主要污染物成分就是 PM2.5。 我国新颁布的空气质量标准能更加全面客观地反映 环境空气质量。 中国气象局加强了雾霾天气的监测预警工作。2013 年 1 月,中央气象台对霾预警 信号标准进行修订,将反映空气质量的 PM2.5 浓度列为预警的重要指标,使霾预警不 仅仅反映大气视程条件变化,更体现了空气污染程度和大气成分的状态。9 月 2 日起, 中央气象台每日发布空气污染气象条件预报(图 4)。

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图 4 全国空气污染气象条件预报 2013 年 9 月 12 日,国务院发布《大气污染防治行动计划》[13],这是继环保部、 国家发改委和财政部等三部委于 2012 年 12 月 5 日联合发布 《重点区域大气污染防治“十 二五”规划》之后,中国出台的第二个大气污染防治规划,是当前和今后一个时期全国 大气污染防治工作的行动指南。《行动计划》提出,经过五年努力,使全国空气质量总 体改善,重污染天气大幅度减少,京津冀、长三角、珠三角等区域空气质量明显好转。 力争再用五年或更长时间,逐步消除重污染天气,全国空气质量明显改善。为实现以上 目标,《行动计划》确定了十项具体措施。 10 月 16 日,中国气象局京津冀环境气象预报预警中心成立。这是我国第一个区域性环 境气象中心,主要负责京津冀及周边地区环境气象的规划,区域重污染天气的监测、预 报预警和服务工作的组织、信息共享和业务指导;部署、指挥京津冀及周边地区环境气 象重大应急联动联防等工作。

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10 月 22 日,《北京市空气重污染应急预案(试行)》正式发布。为保障《应急预 案》的实施,北京市成立空气重污染应急指挥部,将空气重污染应急纳入全市应急体系 统一管理。《应急预案》将空气重污染预警分为蓝、黄、橙、红四级。根据预警级别, 分级采取相应的重污染应急措施,旨在进一步减少污染排放,减缓污染程度,保护公众 健康。 近日,中国气象局和环境保护部签署合作框架协议,以具体行动落实《大气污染防 治行动计划》。此次合作旨在以重污染天气预警预报为重点,建立健全气象部门和环保 部门的合作与会商机制,发挥各自优势提高应急联动响应能力。 四、思考与建议 大气污染的形成不是一朝一夕,治理污染也不可能毕其功于一役。要从根本上消除 重污染天气,改善空气质量,需要在制度上实现保障,从源头上进行防治,并制定长效 的协同联动机制。 (一)加快《大气污染防治法》第三次修订进程,明确法律责任,加强有效执行 目前,我国已出台《行动计划》和《大气污染防治“十二五”规划》这两个大气污染 防治规划,虽然与单个部门发布的规范性文件相比更具权威性、适用普遍性和连贯政策 性, 但仍不属于专门的大气污染联防联控行政法规, 其效力等级充其量仅属于行政规章, 无法保障司法机关的责任追究作用。加强环保立法、完善法律制度是解决包括雾霾天气 在内的大气污染的根本途径。我国的《中华人民共和国大气污染防治法》自 1987 年制 定以来,分别在 1995 年和 2000 年作出两次修订,时至今日已过去十余年,制度方面 的不完善和新问题的不断涌现导致在解决大气污染方面已难有大作为。因此,针对日益 严重的污染,加快该法的第三次修订进程迫在眉睫,从而能够在法律层面上严格控制工 业、机动车、燃煤等污染源的排放,明确和细化政府、企业在大气污染防治中应承担的 法律责任。 在新法出台之前,应贯彻落实现有法律制度,提高环境监管能力,加大环保执法力 度。部分地区片面的发展思路和畸形的发展模式,使得相关法律法规缺乏充分有效的执
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行,环境保护让位于经济发展。转变经济发展方式,为环境保护执法撑腰,各级政府责 无旁贷。推进联合执法、区域执法、交叉执法等执法机制创新,明确重点,加大力度, 严厉打击环境违法行为;落实执法责任,对监督缺位、执法不力、徇私枉法等行为,监 察机关要依法追究有关部门和人员的责任。 (二)加大综合治理力度,减少污染物排放 雾霾天气中污染物的主要来源是燃煤、燃油以及与居民生活有关的各种排放。对于 燃煤源消减的关键是加强工业企业大气污染综合治理,全面整治燃煤小锅炉,逐步用高 效节能环保型锅炉淘汰中小型燃煤锅炉。加快推进城市集中供热,扩大高污染燃料禁燃 区范围,逐步推行“煤改气”工程建设;鼓励北方农村地区推广使用洁净煤。加快重点行 业脱硫、脱硝、除尘改造的工程建设。减少燃油导致的污染物同时需要强化移动源污染 防治,大城市严格限制机动车保有量,实施公交优先战略,提高公交出行比例,大力推 广新能源汽车,提升燃油品质,加快石油炼制企业的升级改造,严厉打击非法生产、销 售不合格油品的行为。除燃煤燃油外,污染物源还有油烟污染、秸秆燃烧等,应开展餐 饮油烟污染治理,餐饮服务经营场所安装高效油烟净化设施,强化无油烟净化设施及露 天烧烤的环境监管;全面推广秸秆还田、秸秆能源化利用等综合措施,加强秸秆燃烧监 管。但对各种污染源做到有效控制是绝非一朝一夕可以完成的,需要对能源结构进行科 学调整,优化产业结构和布局,加大落后产能的淘汰力度,增加清洁能源供应。 (三)加强跨区域应急联防联控机制 我国区域性雾霾问题凸显,随着城市规模的不断扩张,区域内城市连片发展,受大 气环流作用,城市间大气污染相互影响明显,相邻城市间污染传输影响极为突出。在京 津冀、长三角、珠三角的部分城市,二氧化硫浓度受外来源的贡献率达 30~40%,氮 氧化物为 12~20%,可吸入颗粒物为 16~26%。大气无边界,对于雾霾天气背后的大 气污染防控问题,区域联防联控是成本相对低、环境收益大的重要举措。因此,应当建 立长期稳定的区域协作机制,统筹区域环境治理,尤其是大城市应与周边地区及上游省 区实行联动减排、联合执法、信息共享、预警应急等大气污染防治措施;建立污染天气
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的监测预警体系,及时发布监测预警信息;同时制定完善应急预案,建立健全区域联动 的重污染天气应急响应体系。一旦出现严重雾霾并伴有静稳天气时,依据重污染天气的 预警等级,立即启动区域联动的应急预案,防范和减少重污染天气的出现,引导公众做 好卫生防护,切实降低空气污染的危害。 (四)加强科普宣传工作,提高民众减排意识 大气污染不仅仅来源于工业、汽车尾气、建筑工地等,也来自于日常生活。驱散雾 霾,离不开每个人的环保意识和环保行动。要积极开展多种形式的宣传教育,普及大气 污染防治的科学知识,倡导文明、节约、绿色的消费方式和生活习惯,引导公众从自身 做起、从点滴做起、从身边的小事做起,在全社会树立起“同呼吸、共奋斗”的行为准则, 共同改善空气质量。充分发挥新闻媒体在大气环境保护中的作用,积极宣传区域大气污 染联防联控的重要性、 紧迫性, 宣传国家采取的政策措施和取得的成效, 加强舆论监督, 为改善大气环境质量营造良好的氛围。 (五)加强对雾霾的监测预报预警能力和危害性研究,提高科学有效防控能力 在国家、地方相关科技计划中,加大对大气污染防治科技研发的支持力度。进一步 强化气溶胶和雾霾监测分析技术研发和系统建设,完善大气成分监测体系,改进雾霾数 值预报模式,有效提升雾霾天气和大气污染的监测预报预警能力;大力开展雾霾天气形 成的机理研究,及城市对边界层动力热力结构的作用和对雾霾形成发展消散的影响研 究。加快推进大气污染综合防治重大科技专项,开展光化学烟雾的危害性、污染机理与 控制对策研究;开展区域大气复合污染控制对策体系研究。加快工业污染防治技术、工 业脱硫脱硝除尘技术等的研发与示范,积极推广先进实用技术。以科学研究为依据提高 大气污染的防控能力和效益。

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 (QX/T113-2010).2010
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