随着社会经济不断发展，经济规模迅速扩大和城市化进程日渐加快，大气气溶胶污染日趋严重，灰霾天气已经成为一种常见环境灾害和污染事件。城市灰霾是一种新型城市污染天气。灰霾发生的直观表现为城市能见度下降，天空呈灰色或棕色。灰霾使大气能见度降低、恶化空气质量、导致农作物减产，此外，还能严重影响人们的生活健康，甚至威胁人类的生命（魏玉香等，2009）。20世纪70年代，国外就开展了与灰霾相关的研究，而随着我国20世纪80年代以后霾日明显增加，对霾的研究也正逐渐深入（侯美伶等，2012）。大量工作者从灰霾的定义、引起灰霾的原因、灰霾的物理化学性质、以及灰霾的危害等各方面进行了大量研究，本文在阅读了这些文献的基础上，对这些研究从上述方面做了一个初步总结。
1灰霾的定义及产生原因
1.1发现灰霾的过程及定义
早在1995-1999 年，美国、欧洲和印度等国的200 多位科学家在印度和印度洋的12月至4月，发现有一约3 km厚，面积达美国本土大小的偏棕色气溶胶污染云层笼罩在印度洋、南亚和东亚上空，他们将其命名为亚洲棕色云(Asian Brown Cloud，简称ABC)。这一名称即为国际上给出的最早的描述灰霾现象的学术名词，得到了人们的热切关注。国内对灰霾的确切定义一直存在争议，不同的人员和行业都有着自己的见解，其定义经历了一个逐步发展的过程。早在1979 年的中国气象局的《地面气象观测规范》中，灰霾就被定义为：大量极细微干尘粒等均匀浮游空中，使水平能见度小于10 km 的空气普遍混浊现象，使远处黑暗物体微带蓝色，光亮物体微带黄色，红色的现象。之后，在20世纪90年代出版的《大气科学词典》中，霾被定义为悬浮在大气中的大量微小尘粒，烟粒或盐粒的集合体，组成霾的粒子极小，不能用肉眼分辨，而当大气凝结核由于各种原因长大时也能形成霾（吴兑等，2011）。现阶段，在2005 年发布的国家气象行业标准规定中，霾则被定义为一种天气现象，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 km 的空气普遍混浊现象。而在中国香港天文台和澳门地球物理暨气象局将霾( 灰霾) 称为烟霞，并限定出现霾时相对湿度应该低于95%。由此可见，灰霾的定义大多是围绕着灰霾的组成及灰霾天气的能见度和相对湿度出发的，也有直接从PM_2.5 的浓度考虑的。
1.2灰霾产生的原因
目前，学术界对我国及其周边地区灰霾成因有一些初步的但尚存争议的认识。例如，瑞典学者Gustafsson 等基于同位素研究方法，指出生物质燃烧和化石燃料燃烧一次排放的碳质气溶胶是南亚灰霾形成的主要原因(Gustafsson Örjan，2002)。而我国科学家基于多年观测研究认为，复杂的大气复合污染和二次细颗粒物才是我国灰霾形成的主要原因(Quan J et al.，2011; Yang F et al.，2011; 张小曳，2013)。目前对于灰霾产生机制的分析结论主要有以下几点共识。
1.2.1 大气污染物的增加
固态气溶胶等悬浮大气污染物的增加是灰霾形成的主要原因之一。近些年来随着城市的扩建，工业的飞速发展，导致污染物大量排放，悬浮颗粒物的浓度大幅度增加，使得空气变得浑浊，细粒子增多，最终导致了能见度的降低(李洪等，2012)。而城市道路扬尘、汽车尾气的排放以及城市周边农村地区大面积秸秆的季节焚烧也对灰霾天气的形成起到了一定的贡献作用。如上海市大气颗粒物的质量浓度由于人口和工业相对集中，以及城市建设的迅速发展而大幅上升，造成在灰霾天时大气细颗粒物PM_2.5 的浓度呈上升趋势，年平均值甚至可达64~109 μg/m³(张元勋等，2007).
1.2.2 垂直方向的逆温现象增强
逆温现象是指出现上层温度比下层温度高的异常现象。污染物在正常的气象条件下，即在下层温度比上层温度高的情况下，可以从高温的低空向低温的高空扩散，从污染源逐渐扩散稀释到大气中，缓解污染状况(李洪等，2012)。但在逆温现象下，底层温度低，使得污染物较难从低温的低空向高温的高空扩散，导致污染物在低空停留，不能及时排放到高层，并且可以造成积累，使污染加剧(王佳等，2007)。如对2005 年1 月7 日南京典型天气条件形成的污染过程进行了数值模拟得出若增加人为热源可以使低层大气温度升高、风场幅合，从而降低了主城区地表污染物浓度，使能见度上升，灰霾影响面积减少了20.2 km²(吕梦瑶等，2011)
1.2.3 水平方向静风现象的增多
近年来由于经济技术条件等的迅速发展，各类建筑物越建越多，越建越高，增大了地面摩擦系数，并改变了风的流动方向，使风流经城区时明显减弱变小并变向，导致静风现象增多，不利于大气污染物向城区周围的郊区和乡村扩展稀释，容易在城区内积累，从而造成高浓度污染。风速风向对于霾的形成有着重要的影响，风速影响着大气中污染气体扩散的快慢，而风向则决定着污染物在大气中的传播方向。研究表明，宁波灰霾天气多出现在风速较小（<2.0 m/s），干燥的东北到西北风情况下(丁烨毅等，2008)；吴珂等研究出昆山市的灰霾日均风速小于4 m/s，霾天易形成于低风速，偏东风的气象条件下（吴珂等，2011）。目前我国越来越多的地方存在静风现象，污染物横向的稀释越来越少，导致空气质量下降很快。除了上述原因外，从大范围看，合适的大尺度环流形势，强日照和低相对湿度（但也有研究认为是高相对湿度）可以导致地面风速较小，并使大气层结稳定，这些条件均不利于污染物的扩散，有利于灰霾天气的形成。
总之，灰霾是由于城市的风速不大，扩散条件不好及日益增大的污染物排放量等多种条件综合作用下产生的。研究指出，形成灰霾天气的原因，大气污染物的源排放是内因，气象条件是外因，也是灰霾天气形成的决定性控制因素(吴兑等，2011)。灰霾天气的出现频率不仅与大气中的污染物排放量有关，还与天气形势和气象条件有着密切的关系。研究气象因子对灰霾天气的影响，进而科学，有效地预测和动态调控污染物排放以治理灰霾天气，是十分重要和紧迫的研究课题。
此外，由于国内外污染状况存在较大差异，使得灰霾研究和控制不能直接借鉴国外现有成果，需要根据我国的污染状况和不同区域的经济水平制定灰霾的不同控制策略。因此近些年来，在国内很多区域，例如京津冀区域、珠江三角洲等区域以及武汉、广州等市区分别开展区域型研究以及控制。贺泓等利用已建立的中科院监测网络，对2013 年1月京津冀地区发生的5 次强霾污染事件进行了综合立体观测，发现在灰霾期间硫酸盐、硝酸盐、铵盐和有机气溶胶的含量显著增高（贺泓等，2013）。进一步分析发现，造成这5 次持续强霾事件的主要原因包括：罕见的北半球高纬平流层爆发性增温天气条件、大气氧化性及非均相化学过程的复合作用、浮尘与人为排放污染物混合、区域输送和局地污染叠加等因素，它们共同促发了灰霾的形成。同时，在实验室开展了燃烧92#汽油的汽车尾气生成二次粒子的烟雾箱模拟，发现汽油车尾气中一次有机气溶胶（POA）的浓度较低，而SOA的生成量为POA 的9.8 倍，同时还会生成大量硝酸盐和铵盐；对机动车排放重要组分黑炭的实验室模拟，发现可见光条件下soot 颗粒能被氧气老化，改变soot 气溶胶的致霾效应和气候效应(Han C et al.，2012)。此外，在已有基础上，进一步研制了双向嵌套多尺度空气质量模式；成功研制了探测灵敏度达到国际先进水平的大气臭氧和细粒子雷达，能够对灰霾时空演化进行监测；完成燃煤锅炉烟气电袋复合细粒子捕集技术的关键——气流分布实验平台的搭建，并设计出交替开孔的纸蜂窝材料，实现了低气阻下餐饮雾滴的有效去除
2. 灰霾的物理性质
大量研究表明，灰霾主要是由粒径较小的气溶胶微粒组成(Wu Dui et al.，2006)，一般将2.5 μm作为粗细粒子的分界线。灰霾期间2.1 μm以下细颗粒物浓度急剧增加，相较于非灰霾期增加了1～3倍(Yang WF，2009)。从总体上来看，灰霾天气空气中的粒子的尺度比较小，大约为0.001～10 μm，平均直径则分布在1～2 μm左右，主要为细粒子(谭吉华等，2007)。
（1）水溶性离子和金属元素的粒径分布
对北京夏冬季霾天气下气溶胶水溶性离子粒径分布特征研究发现：冬夏两季霾天PM_2.5 的浓度都显著高于对照天(李洪等，2012)，可以将灰霾天主要的8 种水溶性离子根据质量浓度谱分布的相似性分为3 类:细模态离子: SO₄^2-和NH4⁺（对照天时呈现双模态分布）;单峰值的粗模态离子: Mg²⁺、Ca²⁺；双峰值的双模态离子:NO₃^-、Na⁺、Cl^-、K⁺（冬季霾天时NO3-则呈现明显的细模态分布）。研究指出，通常无机离子NH₄⁺和SO₄^2-主要分布在细粒子中，并且在霾天的比例更高 (宋宇等，2003) 。其它平均浓度较低的5 种水溶性离子(Na+、Cl^-、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺) ，除了K+主要分布在细粒子中，其余4 种水溶性离子都主要分布在粗粒子中。相比较夏季，冬季各粒子的浓度均有不同程度的提高，其中Cl^-浓度霾天远大于非霾天（魏玉香等，2009）。通过对灰霾和非灰霾天气大气颗粒物中12 种元素在不同粒径中的质量百分数研究发现（粒径取中位径），大气颗粒物的质量浓度在非灰霾天随粒径的增大而增大，各元素可以具有单模态结构和双模态结构这两种结构(罗晓玲等，2008)。而在灰霾天则只有K元素具有单模态结构，其余元素多出现双峰结构，峰值分出现在0.2～3 μm和3～10 μm粒径段内。范雪波(范雪波等，2010)研究表示，灰霾天气各元素不仅可以具有双模态结构甚至还可以出现三模态结构。通过比较，可以发现K元素和Ca元素的粒径尺度在灰霾天时均有一定程度的拓展，而含量峰值在灰霾天范围要比在非灰霾天气的大一些，如可以看到K 含量峰值在非灰霾天出现在0.3 μm处，在灰霾天范围扩大，出现在0.2～0.4 μm粒径段，且高于非灰霾天的相应值(邓丛蕊等，2011)。Ti元素在2 种天气条件下没有明显区别在颗粒物中的粒径尺度均比较集中。而Ni、Cu、S 元素在灰霾天和非灰霾天均呈双峰分布，峰值有明显的变化。与此相对比，Cl、Mn、Cr、Zn、As、Pb 等元素则表现为非灰霾天是单峰分布，灰霾天则均出现双峰分布且峰值明显的分布结果。
（2）元素碳和有机碳的粒径分布
 目前，有关OC和EC 的粒径分布研究比较少。谭吉华等对广州市灰霾期间大气颗粒物中有机碳和元素碳的粒径分布进行了研究，通过使用冲击式采样器(MOUDI)采集广州市灰霾形成过程的大气颗粒物，分析其中的元素碳(EC)和有机碳(OC)的粒径分布(谭吉华等，2007)。结果表明，整个采样期间大气颗粒物的粒径分布呈双模态分布,分别为积聚模态（0.05～2.00 μm）和粗粒子模态，EC 和OC 主要分布在积聚模态，但其出现峰值的粒径范围不同：OC较高峰在0.49～0.95 μm 之间，EC 则富集在小于0.45 μm的粒径上，且其相对含量要比OC 高的多。严重的灰霾天气时的EC则会呈现单峰模态分布，且EC 和OC的峰值逐渐趋向1μm(唐傲寒等，2013)。Offenberg 等(Offenberg J H，2000)研究了5个粒径范围内（0.15、0.45、1.4、4.1 和12.2 μm）的含碳颗粒物，结果发现粒径在0.15～0.45 μm范围内的有机物质量占颗粒物总质量的49%，而粒径大于12.2 μm 的有机物却只占3%左右。
（3）灰霾的消光作用及对能见度的影响
灰霾中的颗粒物可以对太阳辐射起到吸收和散射的作用，通过对太阳辐射的消光，直接导致能见度的下降，同时对地气系统的辐射平衡造成直接或间接的影响。现阶段大多数研究表明，颗粒物对能见度的影响主要是通过散射和吸收作用。其中颗粒物的散射作用能使能见度减弱60%~95%，占主要作用。此外，由于粒径为0.4~0.7μm 的颗粒物与可见光波长较为接近的缘故，它们对光散射影响较大（白志鹏，2006）。现阶段黑炭正逐渐引起着科学家们的关注：黑炭气溶胶主要来源于燃料燃烧，与一般的粒子对太阳光的削弱不同，黑炭几乎对所有波长的光都有吸收,起一定的温室效应的作用。在大气颗粒物的化学成分中,造成能见度降低的主要化学物质是水溶性物质(硝酸铵,硫酸盐铵等)及碳成分(有机碳及元素碳)。余锡刚等对灰霾天气与大气颗粒物的相关性研究进行了总结，得出大气气溶胶中粒径为0.1~2.0 μm 的颗粒物会通过对光的散射降低物体与背景之间的对比度, 从而使能见度降低（余锡刚，2010）。其中，二次硝酸根离子颗粒物和二次硫酸离子颗粒物最易散射见光。
总而言之，大量细颗粒物通过太阳光的吸收、散射和反射，使大气能见度降低，影响城市的空气质量，导致太阳辐射强度减弱与日照时数的减少，进而对人类的生活产生不利的影响。
3.灰霾的化学成分
根据国内外关于灰霾的研究中，对于灰霾(林伟等，2012)的大气气溶胶组成中，主要的化学组分有水溶性离子、有机碳和元素碳、金属元素等，早期由于分析研究手段限制，对于其中成分分析局限于水溶性离子、金属元素，灰霾组成成分的有机碳和元素碳部分是近些年来的研究热点。对灰霾期间的化学成分深入了解，将对理解灰霾的来源和形成过程有着非常重要的意义。
（1） 水溶性离子
水溶性离子是霾的重要组成部分，并能通过直接和间接辐射对全球气候变化产生重大影响。谭吉华在广州由PM₁₀的物质平衡计算得出，大气颗粒物的化学成分主要有硫酸盐，硝酸盐，铵盐，有机碳和元素碳这五种成分(谭吉华等，2007)，其中在灰霾天气中元素碳<铵盐<硝酸盐<硫酸盐<有机碳；而在非灰霾天气时则是硝酸盐<铵盐<元素碳<硫酸盐<有机碳。从非灰霾天气到灰霾天气，硫酸盐是主要的化学组分之一，远高于其它组分的浓度；而硝酸盐变化最大。灰霾天气期间总碳和硝酸盐对能见度的降低起主要的影响作用; 非灰霾天气总碳和硫酸盐是造成大气能见度降低最主要的影响因素。此外，灰霾期间不仅NO₃^-、SO₄^2-和NH₄⁺的绝对浓度升高而且其百分含量也升高，NO₃^-、SO₄^2-和NH₄⁺在PM10中所占比例要远高于非灰霾天气，这暗示着NO₂ 向硝酸盐及SO₂ 向硫酸盐转化强度有所增加(郭送军，2012)。李丽珍等(李丽珍等，2007)研究显示，西安大气TSP 和PM_2.5 在灰霾天气的总水溶性离子质量浓度分别为138.5 μg/m³ 和70.9 μg/m³。分析的11 种离子中，NO₃^-、SO₄^2-和NH₄⁺是TSP和PM_2.5的主要成分，灰霾天气时，这3 种离子占总水溶性离子的比例明显高于正常天气，同时灰霾天时SO₂和NO_x 转化率高于正常天气，尤其是SO₂ 在灰霾天气更易转化为SO₄^2-。硫酸盐浓度在冬季最高，其比例可达到阴离子的50%左右。此外，硫酸盐浓度的变化幅度在冬季远大于夏季，这可能与冬季采暖期间的燃煤排放产生的含硫化合物有关，随着硫酸盐等浓度的提高，灰霾天气也更易发生。
（2） 金属元素
灰霾的组分中还存在一类有毒有害的重金属组分，例如铅、锌、铜等。大气气溶胶中的重金属污染物存在着明显的空间分布特征。杜金花等(杜金花等，2010)通过研究得出深圳市冬季PM_2.5 中Hg含量明显高于其他季节。焦荔(焦荔等，2007)等发现杭州市空气主要是存在Pb 污染。生物质的燃烧、沙尘气团的影响和人为排放都有可能导致大气中金属元素的增加，在我国，冬季北方城市的燃煤供暖对大气中重金属浓度的增高有显著的贡献，而夏秋季节，生物质的燃烧则增加了大气气溶胶中砷、铜、镍、铅的含量，使区域内大气气溶胶中重金属污染物的含量甚至可跃升至平时的数倍，为灰霾的形成提供有力的物质基础。
（3）有机碳和元素碳
现阶段，由于颗粒物中有机碳和元素碳在气候，大气能见度和人体健康等方面的重要影响，近年来已逐渐成为学术界关注的热点。气溶胶中元素碳（elementcarbon，EC）含量的变化不仅会影响对流层的能量平衡(王玮等，1991)，而且还可以吸附许多大气污染物质，成为这些物质的触媒和反应床，从而促进多种污染物的转化(唐小玲，2006)；气溶胶中的有机碳（organic carbon，OC）理论上可分成3 类：脂肪族类、芳香族类、酸类，其中包含多种危害人体健康的物质，如正构烷烃、多环芳烃等，但是有机碳的大部分具体成份并未彻底弄清(黄虹等，2005)。Tan 等通过研究广州市有机碳(OC) 和元素碳(EC) 在灰霾事件中和非灰霾期间的浓度特征后表明，它们在灰霾天气下的浓度是非灰霾天气的近两倍(Tan J H et al.，2009); 也就是说，灰霾天气下OC/EC 明显高于正常天气，二次气溶胶也增多的趋势。通过采用区域气候化学模拟系统作为研究工具，庄炳亮等得出了1月和7月中国黑碳的月均空间分布规律(庄炳亮等，2009)。1月份的黑碳浓度高值集中在四川，浓度可达到4 μg/m³，7月份的黑碳浓度高值出现在华中地区，高值中心的黑碳浓度可达到3.5 μg/m³。风向、降水、排放源地理位置均对黑碳的空间分布起重要作用(何晓嫒等，2009)。在我国内陆地区，有机碳和元素碳的浓度在冬季有明显上升，并高于春、夏、秋三季。2009-2010 年期间对西安市区大气气溶胶的采样监测结果显示，有机碳和元素碳的年均值分别为38.33 μg/m³和7.2 μg/m³。OC/EC比值为冬季>夏季>秋季>春季(何晓嫒等，2009)。
总体而言，硫酸根离子，硝酸根离子，铵根离子，有机碳和元素碳、金属元素是灰霾天气时大颗粒物的主要组成部分，因地域气象条件的不同可造成它们在灰霾天气时所占比例的不同
4 灰霾的危害
4.1影响身体健康
一是影响身体健康。灰霾天气主要成分细颗粒物PM_2.5能直接进入人体呼吸道和肺叶，引起鼻炎、支气管炎等病症，长期处于这种环境还会诱发肺癌(Tie Xue-xi et al.，2009)。灰霾天气还可导致近地层紫外线辐射减弱，易使空气中传染性病菌活性增强，导致传染病增多(王园园等，2012)。二是影响心理健康。阴沉灰霾天气容易让人产生悲观情绪，使人精神郁闷，遇到不顺心事情甚至容易失控(王波等，2008)。 形成酸雨酸雨危害众所周知，但专家提醒，相比之下，更需防范的是灰霾这种“脏雾”。灰霾本质是“细颗粒物污染”，主要来自工业废气、汽车尾气等气体污染物经过一系列化学反应所形成“二次污染物”。研究表明，灰霾组分中含水量很少，由硫酸、二氧化硫、二氧化氮等废气污染物形成酸雾却较多，含有可溶和不可溶污染物浓度很高。
4.2农业减产
灰霾天气对农业也有不利影响。研究表明(李伟等，2013)，灰霾天气太多，农作物减产可达25%。气象专家认为，对农作物影响应该是间接的，比如在污染严重时候，会影响太阳辐射，不利农作物吸收太阳光等。
4.3引发事故
灰霾天气出现时，空气质量差，视野能见度低(Ma JZ，2010)，容易引起交通阻塞，继而发生交通事故。
5.灰霾的控制措施
能源消耗大幅攀升，工业废气、机动车尾气、挥发性有机物、建筑工地扬尘等叠加形成的复合型污染日益突出，臭氧和PM_2.5。污染日渐加剧，亟需采取积极有效的防控措施治理灰霾天气。目前灰霾的防控治理措施主要包括加强环境立法，发展公共交通，推动产业结构调整以及加强城市绿化等。
5.1优化能源结构
加大洁净煤的开发力度，提高天然气的使用比例，同时积极发展风能、太阳能、地热、生物能、潮汐能等新能源和可再生能源；提高机动车燃油品质，严格控制机动车排放污染，严格机动车新车准人制度，不断提高新车尾气排放标准；提高能源利用效率，鼓励节约能源，加强建筑扬尘、道路扬尘的监督管理，进一步控制和削减中心城区烟尘、粉尘排放量，改善主城区的大气环境状况。
5.2推进区域协调治理
随着城市群区域大气污染的加剧，靠单个城市进行污染防治难以有效改善空气质量，需要实施区域联合防控与联合治理。联防联控的具体任务包括：一是统筹区域环境容量资源，优化经济结构与布局；二是加大污染治理力度，实施多污染物协同控制；三是深化与完善区域联防联控管理机制与手段。
5.3建立预报预警
应当加强环保局与气象局的通力合作，联合开展灰霾天气预报预警，根据气象观测和PM_2.5；监测结果，定期发布灰霾监测评价报告，发布中度以上灰霾天气预警，为大气环境治理提供气象决策服务。健全极端不利气象条件下，大气污染监测报告和预警体系。研究制定大气污染防治预警应急预案，出现重污染天气时及时启动应急机制，实行重点排放源限产限排、建筑工地停止土方作业、机动车限行等应急措施等。
5.4开展PM_2.5防治
我国将于2016年在全国范围内实施PM_2.5的监测。在此之前，应该开展城市PM_2.5的成因和对策研究，加快城市PM_2.5监测体系建设，建立PM_2.5评价考核机制。时下PM_2.5污染已呈区域性、复合性、扩散性特征，需要相关城市在联防联控机制下，同心协力才能有效地防治PM_2.5。
5.5科学布设规划
在城市规划中，对城区重污染企业实施搬迁和节能环保技术改造，避免这些企业排出的污染物从近地面流向城区。同时在重点区域实行更加严格的人气污染物排放特别限值。禁止新建、扩建除热电联产以外的燃煤电厂、钢铁厂和水泥厂，推进电力行业、钢铁、石化等行业的二氧化硫减排治理，加强水泥行业氮氧化物治理。要充分考虑大气扩散条件，预留一定的大气排污通道，预留一部分绿化带。
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