与PM2.5相关的雾和霾如何形成

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在1月份多次严重影响我国中东部地区的雾-霾天气，在2月份依旧来势汹汹，深锁多城。到底是什么形成了雾和霾？为何雾-霾出现难驱散？随着人类活动的加剧，雾-霾是否也产生了新的变化？带着种种疑问，本报记者采访了中国气象科学研究院研究员张小曳，向公众解读有关雾-霾的有关问题。
    现今PM2.5参与形成的雾和霾，已非完全自然现象
    要想科学研究雾-霾成因，首先应该分清雾和霾的定义。张小曳说，雾和霾原本是自然界两种天气现象。根据气象学上的定义，霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10公里的空气普遍混浊现象，这里的干尘粒即指的是干气溶胶粒子。当空气中水汽较多时，某些吸水性强的干气溶胶粒子会吸水、长大，并最终活化成云雾的凝结核等，产生更多、更小的云雾滴，使能见度进一步降低，低于1公里时被定义为雾，而能见度在1~10公里时则被定义为轻雾。
    “由于干气溶胶粒子和云雾滴都能影响能见度，所以，能见度低于10公里时，可能既有干气溶胶的影响（即霾的贡献），也可能有雾滴的影响（即雾的贡献）。”张小曳说。霾和雾在一天之中可以变换角色，甚至在同一区域内的不同地方，可能雾和霾也会有所侧重。一般情况下，当雾和霾同时存在时，老百姓看到的我国区域性能见度低于10公里的空气普遍浑浊现象就被称为“雾-霾”现象。
    “气溶胶粒子十分重要，没有干气溶胶粒子就无法形成霾，没有气溶胶粒子参与也无法形成雾。”张小曳告诉记者，“在过去，当人类活动比较弱的时候，这些气溶胶粒子主要来自于自然过程，在大气当中被视为是一种背景气溶胶。”
    但是，随着人类活动的加剧，这一现象出现了显著的变化。通过多年对我国能见度与气溶胶关系的分析，气科院大气成分研究团队张小曳发现，我国近二三十年中东部区域霾问题的日益严重，主要是由人类活动排放的大气气溶胶的显著增加所致。在一定的气象条件下，又由于大量气溶胶粒子还可以活化成为云雾的凝结核，参与到云雾的形成过程中。“这就意味着，当今不论是霾还是雾，其背后都有大量人类活动排放的大气气溶胶粒子（例如PM2.5）的介入，都已经不是一种完全的自然现象。”他补充道。如果想要积极应对雾-霾天气所带来的问题，必须对这种变化背后的大气气溶胶污染问题给予特别的重视。
    同时，张小曳指出，由于能见度的影响不仅有干气溶胶粒子的贡献，还有其“积极”参与的云雾滴的作用，所以能见度预报不是简单的空气质量预报，仅预报PM2.5是不够的。据悉，在国家973项目持续支持及行业专项等支持下，中国气象局研发了中国雾霾数值预报系统，通过预报6类7种气溶胶组分及其对云雾的影响，进而预报霾和雾造成的能见度损失。该系统在2008年北京奥运会期间首次应用。经过几年的业务试用，该系统2012年已正式被中央气象台采用，并在2012年秋冬季和今年1月的持续性雾-霾天气过程中，提供了有效的预报预警服务。
    雾和霾的形成与变化机理十分复杂
    雾和霾在现今成为社会与公众最为关注的热点问题之一，是因为雾和霾的形成与变化机理十分复杂。
    “雾和霾的形成与我国居高不下的气溶胶粒子浓度水平有直接的关系。”通过数据比较，中国气象科学研究院大气成分研究团队发现，我国气溶胶浓度水平在世界范围内较高，仅次于南亚城市，远高于欧洲、美洲的城市和城郊地区。我国北京的气溶胶（主要是矿物气溶胶）浓度与欧美城市所有气溶胶浓度相当。同时，今年1月份多次严重的雾和霾的发生，也与不利的气象条件有关。今年1月出现了近年来少有的有利于形成雾和霾的气象条件，与前期最大的不同是中纬度地区环流经向梯度小，使得此期间北方冷空气强度变弱，南方暖湿气流相对较强，大气静稳且相对湿度较高。中国气象科学研究院研发的污染气象条件指数模型（Plam），可用来定量表征气象条件是否有利于雾和霾形成。结果发现，当基于风速、风向、相对湿度、大气凝结函数、大气稳定度等计算得出的Plam指数超过80时，易出现雾和霾天气。
    张小曳主持的973项目团队研究还发现，我国华北区域70%的气溶胶以内混方式混合。我国的矿物气溶胶含量较高，与两到三种酸性气体反应后，在表面形成液膜，抑制了新粒子形成，但促使更多的硫酸盐和硝酸盐气溶胶转化，自身也更易吸湿增长及参与云雾形成，在酸性界面也更容易形成二次有机气溶胶使我国雾和霾问题更为复杂。团队观测获得气溶胶吸湿增长的因子，还发现气溶胶混合使气溶胶虽然在低的相对湿度下就开始吸水却“长”不大，导致更多的气溶胶滞留在大气中，使霾更加严重。形成之后的雾和霾会使到达地面的辐射减少，大气层结稳定度增加，有利于气溶胶不断积聚和凝聚，还造成更多雾滴生成，形成“恶性循环”，从而导致连续数天雾霾污染维持和不断加剧的现象。
    通过对6类7种气溶胶在全国14个观测站两年的观测发现，我国雾和霾中35%是矿物粉尘，硫酸盐、有机碳各占15%左右。同时，通过对我国、美国、西班牙三个本底站气溶胶光学厚度的比较，我国本底气溶胶浓度相对高。“这说明我们在积极应对雾和霾天时，要对控制我国气溶胶污染难度应有充分的估计。”张小曳坦言。

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PM2.5参与形成的雾和霾