中國區域大氣污染與光化學過程研究的新進展

　　最近的一項飛機行測研究揭示了華北地區大范圍污染煙羽的化學特征，為進一步研究大城市和工業污染源排放如何影響區域空氣質量提供了線索。

　　這篇名為“Pollution plumes observed by aircraft over North China during the IPAC-NC field campaign”(“華北地區上空污染煙羽：IPAC-NC外場實驗飛機航測結果”)的研究論文發表于Chinese Scienc Bulletin 2013年第34期，揭示了華北地區大范圍污染煙羽的化學特征，由中國氣象科學研究院馬建中研究員擔任通訊作者撰寫，研究團隊包括來自中國氣象科學研究院、中國環境科學研究院和德國馬普化學所的大氣化學和云物理專家。

　　近年來，中國飽受以高濃度臭氧(O3)和PM2.5(直徑小于或等于2.5微米的顆粒物)為主要特征的區域光化學煙霧和霧霾污染的困擾，其中華北地區是大氣污染最為嚴重的幾個區域之一。該研究組的一系列研究表明，華北地區的大氣污染不僅局限于城市及近地面，在以京津冀為中心的較大區域以及自地面至3 km高度范圍內，二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx= NO + NO2)、揮發性有機物(VOC)、O3和PM2.5等污染物以及OH自由基的濃度都很高。華北地區低空不僅污染十分嚴重，而且還具有“大氣污染氧化池” 的作用：即大氣中高濃度的OH自由基將大量揮發性氣態污染物氧化成低揮發性的無機酸或含氧有機物，加速氣-粒轉化過程;氧化生成的硫酸、硝酸及有機酸會附著在沙塵和煙塵顆粒物表面，使這些沙塵和煙塵顆粒物的吸濕性增強，大氣中云凝結核(CCN)的數目增多。因此，污染物在大氣中的光化學氧化過程，特別是大氣污染氧化池的出現，不僅可以增加大氣顆粒物的質量濃度和數濃度，形成所謂的“灰霾”污染，而且還可以增加霧霾天氣發生的頻次，造成所謂的“大氣霾云”現象。該研究組發現，華北典型污染地區較薄的層狀云中混有高濃度的氣態污染物和氣溶膠霾粒子;云滴數濃度很高、尺度很小，且與CCN濃度有較好的相關。華北地區包含有北京和天津兩個超大城市，還有唐山、石家莊和太原等大工業基地，從這些主要污染源區排放出的各種污染物，在大氣中要經歷一系列的輸送和化學演化過程。了解污染煙羽中復雜的物理、化學和動力學過程，對揭示“大氣污染氧化池”和“大氣霾云”形成的機制十分必要。

　　該研究的創新之處在于首次在華北地區通過飛機航測觀測到了不同發展階段污染煙羽的化學特征。觀測到的煙羽高度一般不超過500 m,寬度在30~60 km之間。煙羽中SO2最高濃度可達50 ppbv(parts per billion by volume,1/109體積混合比),比煙羽外的環境濃度增加約20 ppbv;煙羽中NOx的峰值濃度可達30 ppbv,比煙羽外的環境濃度增加約10 ppbv;而O3濃度在有的煙羽中是顯著升高的，在有的煙羽中是顯著降低的，反映出不同污染煙羽的化學特征存在較大差異。研究表明，來自不同污染源的煙羽，包括城市煙羽，可以相互混合, 從而造成大范圍的污染輸送，使區域空氣質量惡化。

　　馬建中研究員解釋說：“從對人體健康影響的角度考慮，近地面污染物濃度的高低更重要;但對于區域大氣污染形成機制的研究來說，了解污染物濃度的空間分布及其變化特征是必不可少的，而且低空大氣中污染物的累積乃至大氣霾云的出現對人的視覺和情緒影響很大。”

　　毫無疑問，污染物的大量排放是光化學煙霧和霧霾污染形成的根本原因，但目前我們對于區域大氣污染形成過程的認識還很不深入，有關大氣污染物垂直分布特征的觀測也很少。該研究發現對于區域大氣污染形成機制的研究具有參考價值，對于我國區域空氣質量數值預報模式的發展也具有重要的科學意義。