中国区域大气污染与光化学过程研究的新进展

　　最近的一项飞机行测研究揭示了华北地区大范围污染烟羽的化学特征，为进一步研究大城市和工业污染源排放如何影响区域空气质量提供了线索。

　　这篇名为“Pollution plumes observed by aircraft over North China during the IPAC-NC field campaign”(“华北地区上空污染烟羽：IPAC-NC外场实验飞机航测结果”)的研究论文发表于Chinese Scienc Bulletin 2013年第34期，揭示了华北地区大范围污染烟羽的化学特征，由中国气象科学研究院马建中研究员担任通讯作者撰写，研究团队包括来自中国气象科学研究院、中国环境科学研究院和德国马普化学所的大气化学和云物理专家。

　　近年来，中国饱受以高浓度臭氧(O3)和PM2.5(直径小于或等于2.5微米的颗粒物)为主要特征的区域光化学烟雾和雾霾污染的困扰，其中华北地区是大气污染最为严重的几个区域之一。该研究组的一系列研究表明，华北地区的大气污染不仅局限于城市及近地面，在以京津冀为中心的较大区域以及自地面至3 km高度范围内，二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx= NO + NO2)、挥发性有机物(VOC)、O3和PM2.5等污染物以及OH自由基的浓度都很高。华北地区低空不仅污染十分严重，而且还具有“大气污染氧化池” 的作用：即大气中高浓度的OH自由基将大量挥发性气态污染物氧化成低挥发性的无机酸或含氧有机物，加速气-粒转化过程;氧化生成的硫酸、硝酸及有机酸会附着在沙尘和烟尘颗粒物表面，使这些沙尘和烟尘颗粒物的吸湿性增强，大气中云凝结核(CCN)的数目增多。因此，污染物在大气中的光化学氧化过程，特别是大气污染氧化池的出现，不仅可以增加大气颗粒物的质量浓度和数浓度，形成所谓的“灰霾”污染，而且还可以增加雾霾天气发生的频次，造成所谓的“大气霾云”现象。该研究组发现，华北典型污染地区较薄的层状云中混有高浓度的气态污染物和气溶胶霾粒子;云滴数浓度很高、尺度很小，且与CCN浓度有较好的相关。华北地区包含有北京和天津两个超大城市，还有唐山、石家庄和太原等大工业基地，从这些主要污染源区排放出的各种污染物，在大气中要经历一系列的输送和化学演化过程。了解污染烟羽中复杂的物理、化学和动力学过程，对揭示“大气污染氧化池”和“大气霾云”形成的机制十分必要。

　　该研究的创新之处在于首次在华北地区通过飞机航测观测到了不同发展阶段污染烟羽的化学特征。观测到的烟羽高度一般不超过500 m,宽度在30~60 km之间。烟羽中SO2最高浓度可达50 ppbv(parts per billion by volume,1/109体积混合比),比烟羽外的环境浓度增加约20 ppbv;烟羽中NOx的峰值浓度可达30 ppbv,比烟羽外的环境浓度增加约10 ppbv;而O3浓度在有的烟羽中是显著升高的，在有的烟羽中是显著降低的，反映出不同污染烟羽的化学特征存在较大差异。研究表明，来自不同污染源的烟羽，包括城市烟羽，可以相互混合, 从而造成大范围的污染输送，使区域空气质量恶化。

　　马建中研究员解释说：“从对人体健康影响的角度考虑，近地面污染物浓度的高低更重要;但对于区域大气污染形成机制的研究来说，了解污染物浓度的空间分布及其变化特征是必不可少的，而且低空大气中污染物的累积乃至大气霾云的出现对人的视觉和情绪影响很大。”

　　毫无疑问，污染物的大量排放是光化学烟雾和雾霾污染形成的根本原因，但目前我们对于区域大气污染形成过程的认识还很不深入，有关大气污染物垂直分布特征的观测也很少。该研究发现对于区域大气污染形成机制的研究具有参考价值，对于我国区域空气质量数值预报模式的发展也具有重要的科学意义。