环境化学案例杨宽

河北科技师范学院雾霾天气的分析院（系、部）名称：化学工程学院专业名称：应用化学学生姓名：杨宽学生学号：1011120117指导教师：宋士涛2015年5月7日河北科技师范学院教务处制中国东部持续性强雾霾天气产生的气象条件分析近几年，在中国东部地区发生了强度强、持续时间长、发生范围广的雾霾天气.本文利用资料诊断,从大气环流背景场和雾霾天气演变过程两个方面,分析了气象条件在这次持续性强雾霾天气发生中的作用.结果表明,2013年1月东亚冬季风异常偏弱,在中国东部区域,对流层中低层的异常南风有利于水汽向中国东部地区输送,500hPa的高压异常抑制了对流的发展,而表面风速的减弱不利于近地面附近的雾霾向区域外输送,水平风垂直梯度的减小减弱了天气尺度扰动的发展和大气的垂直混合,对流层低层异常逆温层的存在使得大气近地层变得更加稳定.这些气象背景场为雾霾天气的维持和发展提供了有利的气象条件.对雾霾天气演变过程的分析表明,雾霾天气区域内的表面风速及其上空对流层中低层的水平风垂直切变对雾霾天气过程具有动力影响,二者偏小(大)时雾霾天气偏强(弱);对流层中低层的层结不稳定性以及近地面层的逆温状况和温度露点差对雾霾天气的演变可以产生热力影响,层结不稳定性和逆温偏大(小)以及温度露点差偏小(大)时雾霾天气偏强(弱).多元线性回归分析的结果表明,热力和动力因子对这次雾霾天气过程具有大致相同的作用,气象因子可以解释超过2/3的雾霾天气逐日变化的方差,方差贡献达到0.68.雾霾是发生在大气近地面层中的一种灾害天气,由于雾霾天气发生时大气能见度降低,可以对社会经济以及人民生活产生重要的影响;同时,雾霾天气发生时大气气溶胶聚集在大气近地层,使得大气污染增强,空气质量下降,会对人体健康造成重要危害(李子华等,2008).研究表明,雾和霾的长期变化趋势与人类活动和气候变化具有密切的联系.城市的扩张以及与其相关联的热岛效应的增强,可以使雾的发生频次在城区呈减少趋势,而在郊区呈增加趋势(Sachweh和Koepke,1997).城区浓雾发生频次的减少趋势除了与城市加热的增强趋势有关外,也与悬浮颗粒物的减少趋势有关(Witiw和LaDochy,282008).1980~1995年,美国霾的减少趋势伴随着PM2.5浓度的减少,并且与硫化物排放的减少趋势一致(Schichtel等,2001).中国雾日数有明显的季节和年代际变化,冬季最多,春季最少;在20世纪70~90年代较多,20世纪90年代以后减少;而霾日数自2001年以来急剧增长(孙彧等,2013).中国雾日数减少趋势的产生,与冬季日最低温度的升高以及相对湿度的减小趋势有关(刘小宁等,2005),霾日数的增加与人类活动导致的大气污染物排放量的增加趋势以及平均风速减少趋势有密切的联系(高歌,2008).另外,中国霾的变化趋势与经济活动的区域分布密切相关,在经济比较发达的中国东部和南部,霾日具有增加的趋势,而在经济相对滞后的东北和西北地区,霾日出现减少趋势(吴兑等,2010).关于中国雾霾天气的发生与气象因子之间的联系,已有的研究一方面集中在如前所述的雾霾长期变化趋势与气象因子变化趋势之间的关系,另一方面集中在局地气象条件与雾生消演变过程(Niu等2010)以及与霾天气的联系(童尧青等,2007).一些研究分析了雾霾天气与大气环流的联系.按照地面天气形势,可以把中国大范围的大雾分为均压型和锋前型两大类,其中前者主要与辐射雾相联系,而后者则主要跟平流雾相联系(林建等,2008);大气低层暖平流、大气层结相对稳定和充沛的水汽条件,对中国东部大范围大雾的产生具有重要的作用(张新荣,2006).在珠江三角洲地区,当大气对流层中层出现较强的纬向环流、对流层低层在弱高压脊控制下并且出现较弱的表面风时,有利于重霾天气的发生(吴兑等,2008).2013年1月,中国东部地区出现了持续性强雾霾天气,江苏、北京、浙江、安徽和山东雾霾日数为当地1961年以来同期最多(杨琨等,2013).虽然雾和霾分别属于不同的天气现象,但雾和霾之间存在着相互转化(吴兑,2006;杨军等,2010).在中国气象观测站的实际观测中,对雾和霾的区分也存在着较大的不确定性(吴兑,2006).从严格意义上来说,当雾和霾天气同时发生时,在它们之间难以确定明确的界限.雾和霾经常混合在一起,形成雾和霾混合的雾霾天气现象(王润清,2012).由于雾和霾都与能见度的降低相联系,因此能见度实际上是雾和霾的一个综合度量.中国多地出现大风降温天气(杨琨,2013).1月5日以后的整个时段内能见度持续偏低,均小于气候平均值,说明这次雾霾天气具有显著的持续性特征.同时,在雾霾天气持续期间,其强度表现出明显的天气时间尺度变化,其中在15,23和31日能加度分出现最低值,比当日的气候平均值降低了大约3km左右.雾霾天气的主要化学成分及其危害雾霾天气的主要化学成分雾霾天气是气溶胶系统。学界的气溶胶定义是“气体介质中加入固态或液态粒子而形成的分散体系称为气溶胶”。大气气溶胶分类方法有多种，其中按照组分可以分为无机成分和有机成分。无机成分包括矿物粉尘（土壤尘、沙尘、火山灰）、海盐、黑碳、硫酸盐、硝酸盐等；有机成分包括有机碳氢化合物、其他有机物（如优控苯并芘（ＰＡＨｓ）、持久性有机污染物（ＰＯＰｓ）等和有生命的生物气溶胶（如花粉、孢子、病毒、细菌和动植物蛋白碎屑等）有机碳化合物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐等；其他的常见的成分包括各种金属元素，既有钠、镁、钙、铝、铁等地壳中含量丰富的元素，也有铅、锌、砷、镉、铜等主要源自人类污染的重金属元素。由于污染源种类、地区不同以及季节差异，雾霾天气中细颗粒的组分会有差异。例如，２０１１年年底，深圳大气气溶胶中以硝酸根、硫酸根、铵根离子为主，占离子总数的８８．５％。在对北京冬季空气污染物中细颗粒物的化学成分进行分析后发现，有机物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐、黑碳的浓度比较高，有机物大概在４０％左右、硫酸盐占１７％、硝酸盐占１４％。具体而言，硫酸盐主要是燃煤和一些工业源所致，取暖的“贡献”比较大；硝酸盐，则来自机动车尾气排放［１０］。机动车尾气等排放的光化学反应气态前体物（氮氧化物、一氧化碳、挥发性有机化合物）通过紫外线驱动光化学过程，最终形成了有机硝酸盐等细粒子亦是光化学反应过程的重要成分。雾霾天气的危害雾霾天气不仅对交通、工农业生产有很大的危害，而且对人体健康有很的危害，其中ＰＭ２．５对人体健康的危害尤其大。（１）雾霾天气对交通出行的危害大范围雾霾天气给人们的出行带来了困难。雾霾天气由于能见度低，造成高速公路汽车追尾相撞，航班延误甚至发生空难，海上轮渡停航甚至相撞，导致巨大的人员伤亡和财产损失。例如，２０１３年１月１３日的早上８点到下午５点的９个小时内，京港澳高速公路长沙—湘潭路段上，因雾霾天气连续发生４０多起交事故；当天，广西全州县境内衡阳—昆明高速公路全州湘桂收费站附近，也因雾霾天气发生２０车追尾相撞事故，导致１人死亡１５人受伤［１３］。（２）雾霾天气对工农业生产的危害雾霾天气中各种污染物含量高，农作物、水果、蔬菜生长过程中粘附上有害雾滴，不仅会使果实蔬菜长斑点，而且能促进霉菌的生长，导致植物病虫害的发生、发展与扩散；某些农作物在扬花或生长期时，遇到持续的雾天，会致使作物产量和品质下降。雾滴中含有的二氧化硫、硫化氢等物质金属的腐蚀性较大，使外露金属物件的寿命缩短，据统计显示，全球每年被酸雾锈蚀的钢铁有上千万吨［１４］。（３）雾霾天气对人体健康的危害雾霾天气与空气质量下降密切相关，这使得中国不少城市居民频发上呼吸道感染、呼吸过敏等疾病。例如，２０１３年１月上旬我国发生的大范围雾霾天气，北京、济南、石家庄、南宁等城市各大医院里，呼吸内科、过敏源测试科等接诊人数在短短几天时间里飙升了７～８倍［１5］。雾霾中含有各种对人体有害的细颗粒，有毒物质达２０多种，包括了酸、碱、盐、胺、酚等，以及尘埃、花粉、螨虫、流感病毒、结核杆菌、肺炎球菌等，其含量是普通大气水滴的几十倍［１6］。专家认为，由细颗粒物造成的雾霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径１０μｍ以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在２．５～１０μｍ之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在２．５μｍ以下的细颗粒物，不易被阻挡。研究表明，ＰＭ２．５可影响人体的呼吸、心血管、免疫、生育、神经和遗传系统等；ＰＭ１０可进入人67的鼻腔及气管，而ＰＭ２．５除了能进入肺部，还能进入肺泡甚至血液，干扰肺部的气体交换，引起哮喘、支气管炎和全身炎症，增加动脉硬化、血脂升高的风险，导致心律不齐，血压升高等。研究发现，每年由于大气污染而早亡的人数约８０万，其中最重要的原因就是颗粒物污染。如果ＰＭ２．５浓度能降低１０μｇ／ｍ３，由肺病导致早亡的人数将减少６％，肺癌人数将少８％［１５］。长期暴露在这种雾霾天气环境中，这些细颗粒物吸附的重金属物或多环芳烃等致癌物质可能导致肺部肿瘤出现。老人、小孩、心肺疾病患者以及体质较差的人，都是ＰＭ２．５污染的敏感人群［１６］。可见，雾霾天气中的ＰＭ２．５对人体健康的危害更大。４雾霾天气防治（１）改变能源结构，减少燃煤量，增加清洁能源量。燃煤排放仍是造成大气污染的最主要原因（排放的二氧化硫和苯类物质有焦油味）。长期以来，煤炭在我国能源消费中的比重为７０％左右，清洁能源比重偏低。２０１１年我国煤炭消耗量超３５亿吨，产生的大量污染物对大气环境造成巨大压力。因此，相关部门要采取改变能源结构，降低生产负荷，提高脱硫、脱硝、除尘设施运行效率等措施，进一步低污染排放。（２）控制机动车污染排放，淘汰老旧车，提升油品质量。机动车尾气是氮氧化物、细颗粒物产生的重要原因（排放的油气、氮氧化物和氨气有腐臭味）。截至２０１２年１１月，全国机动车保有量达２．２３亿辆，汽车保有量达１．０４亿辆，许多城市已进入汽车社会。机动车污染排放，不仅是造成城市灰霾和光化学烟雾污染的重要原因，低空排放的细颗粒物还多为有毒有害物质，对人体健康危害极大。另外，提升油品质量是直接的减少污染的方式，有统计显示，油品标准每提升一个台阶，各项污染物排放能降低３０％左右。因此，国家要严控机动车污染排放，促进油品升级。（３）多部门齐抓共管，加大扬尘污染控制力度。造成空气污染指数攀升的原因，除了燃煤和汽车尾气排放之外，工地扬尘污染也是重要因素。在市区建设中，建筑施工、拆迁、渣土清运以及道路清扫中，造成的次扬尘，对市区空气质量ＰＭ２．５浓度影响很大。对施工现场的土堆、粉状物料、裸露地面相关部门要监督施工单位采取洒水、覆盖等措施，减少扬尘污染。（４）建立区域联防联控机制，发布大气雾霾预警信号。国家与各省市的气象部门、环保部门联合起来，建立区域联防联控，制定大气雾霾预警机制，进一步提高气象预报水平，加强能见度实时监控和预报，严格控制各省市的污染排放总量。参考文献［1］WolfgangAsseblbornusw.Chmieheute2010：96-119［2］王祖浩，王磊主编．义务教育化学教科书．上海：上海教育出版社，2012：113-136［3］中华人民共和国教育部制定．义务教育化学课程标准（2011年版）.［4］于忠荣．化学教育，2013,34(5)：27-28［5］倪娟，杨玉琴．化学教育，2012,33(12):3-5［6］倪娟，沈健．高等理科教育，2012,(2)：102-106［7］白丽丽，郭燕文，余从煊等．当代化工，2002，31(1)：17-19［8］SemmelhackMF,SchmidCR,CorteLett,Lett.1986，27(10)：1119-1122)［9］徐凤杰，杨永忠，李涛等．河北工业科技，2010，27(64).435-440［10］吴兑．环境科学与技术，2011,34(3)：157-161［11］梁翾翾．化学工业与工程技术，2008,29(4)2-36［12］尚倩．南京冬季雾霾的宏微观特征及对能见度的影响．南京：南京信息工程大学［13]郝明辉.浅谈