流體力學(xué)論文

1、珠江三角洲大氣氣溶膠污染形成機(jī)理及研究進(jìn)展摘要：大氣氣溶膠的氣候效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)研究是當(dāng)今國(guó)際科技界的熱門課題。近幾年來，珠 江三角洲地區(qū)的氣溶膠污染日趨嚴(yán)重，氣溶膠云一年四季都可以出現(xiàn)，造成空氣質(zhì)量和能見 度下降。珠江三角洲是典型的城市群，本文對(duì)該地區(qū)大氣的氣溶膠的形成機(jī)理以及危害、預(yù) 防措施和管理辦法以及研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。關(guān)鍵詞：氣溶膠灰霾細(xì)粒子pm2.5 pm101緒論地球大氣中除了氣體成分之外，還懸浮著各種固體和液體粒子，如塵埃、微 生物、植物孢子和花粉、冰品等，這種由固體和液體微粒與氣體載體共同組成的 多相體系稱為大氣氣溶膠。氣溶膠粒子中空氣動(dòng)力學(xué)直徑100um的顆粒物又稱 總懸浮顆

2、粒物TSP(Total Suspended Particle)，其中TSP中粒徑2.5um的顆粒物 稱為可吸入顆粒物，記作pm2.5。大氣中的氣溶膠粒子主要來源于自然過程和人為過程。自然過程排放的氣溶 膠有火山爆發(fā)時(shí)排出的火山灰，海水翻騰向大氣釋放的海鹽粒子，植物花粉、孢 子，大風(fēng)揚(yáng)起的沙塵等。人為過程排放的氣溶膠包括工業(yè)、餐飲業(yè)和居民生活中 燃料燃燒放出的煙氣和汽車尾氣中排出的顆粒物等。另外，各種氣態(tài)污染物也可 以通過氣粒轉(zhuǎn)化產(chǎn)生二次氣溶膠。例如大氣中的化學(xué)氧化過程可使氣態(tài)NOx和 S02轉(zhuǎn)化為液態(tài)硝酸和硫酸，并可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為固態(tài)硝酸鹽和硫酸鹽顆粒物。在 光照條件下，氮氧化物和非甲烷碳?xì)浠?/p>

3、物(NMHC)經(jīng)過一系列光化學(xué)反應(yīng)，可 生成03和過氧化乙酰基硝酸酯(PAN)等光化學(xué)氧化劑，以及各種自由基、醛、酮 等，產(chǎn)生光化學(xué)煙霧和二次氣溶膠。2珠江三角洲氣溶膠污染的狀況及研究意義2.1珠江三角洲氣溶膠的污染狀況近年來，珠江三角洲地區(qū)的氣溶膠污染日趨嚴(yán)重，大氣透明度越來越差，表 現(xiàn)為與人類活動(dòng)及其經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平密切相關(guān)，以及明顯的區(qū)域特征。圖1是珠江 三角洲地區(qū)夏季平均的EOS/MODIS衛(wèi)星遙感氣溶膠光學(xué)厚度分布圖，可以看到 珠江三角洲城市群上空的大氣氣溶膠污染明顯比周邊地區(qū)嚴(yán)重，550nm的平均氣 溶膠光學(xué)厚度在0.70.8之間，較周邊地區(qū)幾乎大一倍。而且重污染區(qū)偏于珠江 口以西的珠

4、江三角洲西側(cè)，這與廣州、佛山以及南海、番禺、順德等地大量分散 的加工業(yè)排放源和密集的區(qū)域交通網(wǎng)有關(guān)。其它季節(jié)的情況更加嚴(yán)重1。圖1 EOS/MODfS遙感的珠江角洲地區(qū)夏季平均的也容般杼咋度2.2珠江三角洲氣溶膠的研究意義(1)珠江三角洲是中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)最快和最活躍的地區(qū)之一。但是，隨著經(jīng)濟(jì)總量 的迅猛增加和大氣污染物排放總量的不斷增大，珠江三角洲城市群氣溶膠污染問 題突出3 因此，改善珠江三角洲的空氣質(zhì)量，已經(jīng)成為珠江三角洲實(shí)現(xiàn)可持續(xù) 發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。對(duì)珠江三角洲氣溶膠進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，了解氣溶膠分布特征， 對(duì)珠江三角洲地區(qū)的大氣污染防治有十分重要的意義。 在珠江三角洲大氣污染防治高峰論壇上，

5、中國(guó)工程院院士鐘南山指出：“50 歲以上的廣州人肺都是黑色的”。因此對(duì)廣州的氣溶膠進(jìn)行較為長(zhǎng)期的定點(diǎn)觀測(cè)， 分析廣州大氣氣溶膠的變化特征即污染類型顯得十分重要，也十分必要。(3)珠三角是較典型的城市群區(qū)域，近年來煤煙型污染基本得到控制，但酸雨 率仍居高不下，灰霾天數(shù)逐年增加，光化學(xué)煙霧、細(xì)粒子等二次污染成為珠三角 目前最主要的環(huán)境問題。3氣溶膠的危害3.1氣溶膠對(duì)人類生存環(huán)境的危害根據(jù)美國(guó)環(huán)保局1999年的報(bào)告，氣溶膠顆粒物常含有重金屬、殺蟲劑等， 具有致癌性。pm2.5由于粒徑小，極容易在人體肺泡沉積，并進(jìn)入血液循環(huán)，對(duì) 人體健康危害很大。近10年來美歐在流行病學(xué)領(lǐng)域的研究表明，城市空氣可吸

6、 入顆粒物與醫(yī)院就診率、呼吸器官疾病發(fā)病率乃至死亡率等關(guān)系密切。3.2氣溶膠對(duì)天氣氣候的影響大氣氣溶膠直接影響大氣中云的形成。氣溶膠粒子通過散射和吸收太陽光導(dǎo) 致環(huán)境溫度發(fā)生改變。氣溶膠中的黑碳粒子（在城市中最大的來源是汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)），可以吸收從紫外到紅外譜段的輻射，導(dǎo)致大氣加熱囹。另一方面，大氣氣 溶膠粒子愈多，大氣透明度越小，使相當(dāng)數(shù)量的太陽輻射反射回太空，直接起冷 卻地球的作用，在一定程度上又抵消了大氣中溫室氣體的加熱作用。除了影響氣候變化，氣溶膠對(duì)發(fā)生在大氣中的天氣現(xiàn)象也有影響。例如氣 溶膠污染與霧關(guān)系非常密切，它們之間相互影響，氣溶膠對(duì)霧具有生消雙重作用 即。研究認(rèn)為，由于在污染云里

7、，存在太多的氣溶膠小微粒，每個(gè)小微粒都吸 附水分凝聚，致使很少能形成大得能足以在蒸發(fā)之前到達(dá)地面的雨滴，所以抑制 了降雨和降雪的形成。3.3氣溶膠對(duì)其他方面的危害氣溶膠不單對(duì)人體造成傷害，而且還由于大氣能見度降低，導(dǎo)致交通事故增 加。此外氣溶膠吸附的酸性物質(zhì)還會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)，并對(duì)裸露戶外的各種 材料如鋼、銅、鋁等有腐蝕和破壞作用。4珠江三角洲大氣氣溶膠的形成機(jī)制大氣氣溶膠是固、液、氣三相物質(zhì)結(jié)合的膠體系統(tǒng)，顆粒物中既有有機(jī)物 又有無機(jī)成份，是大氣圈與水圈、巖石圈、生物圈、地形圈、土壤圈（層）和人類 圈，不斷進(jìn)行物質(zhì)，能量的相互聯(lián)系，相互作用，綜合作用的產(chǎn)物，太陽能和地 球內(nèi)能（如火山活動(dòng)

8、）均為其提供了能量來源。人類的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，改交了地表 自然圈層系統(tǒng)，劇烈影響著地球表層的物能流，排放了大量大氣污染物，打破了 系統(tǒng)的平衡，造成了大氣環(huán)境污染加劇。珠江三角洲高速的城市化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展， 打造了珠三角城市群和富足的珠三角經(jīng)濟(jì)圈，同時(shí)也改變了珠三角的地表圈層系 統(tǒng)的平衡，導(dǎo)致了珠三角灰霾天數(shù)增加，大氣氣溶膠污染嚴(yán)重的局面。珠江三角大氣氣溶膠污染是珠三角及其周邊地區(qū)各地理圈層要素耦合的結(jié) 果。4.1大氣圈的主要貢獻(xiàn)大氣圈是氣溶膠的承載體。大氣圈對(duì)大氣氣溶膠污染的主要貢獻(xiàn)體現(xiàn)在兩個(gè) 方面。污染物的區(qū)域輸送通過大氣運(yùn)動(dòng)可以使污染物從其他區(qū)域移送到珠三角區(qū)域，使其遭受大氣污 染；另外，海陸風(fēng)

9、也可以將城市的污染物通過熱力環(huán)流帶回到珠三角部分城市， 加重城市上空氣溶膠的積累。污染物滯留污染物滯留的氣象條件是水平方向上的靜風(fēng)條件和近地表大氣層結(jié)穩(wěn)定。等 壓線稀疏，特別是均壓場(chǎng)的形成及持續(xù)存在數(shù)天，造成連續(xù)數(shù)日的靜風(fēng)條件，大 氣污染物不利于從水平方向輸送出去，大量在地表聚集，超出該區(qū)域近地表大氣 本身的自凈能力，造成大氣污染。垂直方向上大氣穩(wěn)定，特別是出現(xiàn)較厚的逆溫 層，大氣氣溶膠污染物短期內(nèi)不自基通過溜流輸送到上空，而是在近地層不斷積 累，也會(huì)造成大氣氣溶膠污染。4.2水圈的主要貢獻(xiàn)地表水體對(duì)大氣氣溶膠污染的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。源一方面，地表水的凝華產(chǎn)物在大氣中直接成為大氣氣溶膠顆

10、粒物;另一方面， 蒸發(fā)到大氣中的水汽與大氣中的氮氧化物、硫氧化物等反應(yīng)，形成二次污染物顆 粒，間接地增加了大氣氣溶膠顆粒物。輸送紐帶珠江三角洲東、西、北三面環(huán)山，山體對(duì)區(qū)域之間污染物的輸送有阻擋作用， 珠江水系成為廣東省與外界聯(lián)系的天然紐帶。河流流經(jīng)的河谷地帶是山體阻擋的 缺口區(qū)域。西江、北江，韓江和東江等水系是珠三角與廣西，湖南，江西等省份 進(jìn)行地表污染物區(qū)域輸送的通道。珠三角地區(qū)和廣西均為氣溶膠高值區(qū)域，經(jīng)過 西江水系，廣西的高濃度大氣氣溶膠輸送到珠三角地區(qū)，從而維持并進(jìn)一步加強(qiáng) 了珠江三角洲地區(qū)的高AOD值。4.3地形圈的主要貢獻(xiàn)珠江三角洲東、西、北三面環(huán)山，南邊面海，本區(qū)為地勢(shì)平坦的三

11、角洲平原。 這種“簸箕”狀地形格局，會(huì)造成南來的氣流在此區(qū)域產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，形成“零 合風(fēng)”（區(qū)域內(nèi)所有風(fēng)的矢量和為零的等效風(fēng)），污染物不能及時(shí)有效地從水平方 向排出，從而加劇大氣氣溶膠的積累。4.4生物圈的主要貢獻(xiàn)生物圈中的綠色植物可吸煙除塵，凈化大氣，維持大氣良好的自凈能力。足 夠的綠色植被可以使大氣中的氣溶膠粒子被吸附，離開大氣層；被凈化了的大氣 反過來可以吸納、稀釋和凈化更多的地表產(chǎn)生的大氣氣溶膠污染物。氣溶膠顆粒 物在大氣與下墊面問的遷移轉(zhuǎn)化中，植被發(fā)揮了積極作用。水熱條件優(yōu)良的珠江 三角洲在自然條件下是有利于綠色植被生長(zhǎng)的，但由于高速城市化，珠三角城市 群改變了自然的植被覆蓋，城鄉(xiāng)結(jié)

12、合部越來越不明晰。近三十年來由于珠江三 角洲植被面積不斷減少，綠色植物的調(diào)節(jié)能力減弱，大氣氣溶膠顆粒物不斷增多， 大氣本身的調(diào)節(jié)能力減弱，污染事件不斷增多。4.5巖石圈和土壤圈（層）的主要貢獻(xiàn)巖石圈的風(fēng)化物和土壤顆粒被風(fēng)吹拂帶到大氣中，增加了大氣中的氣溶膠顆 粒物。由施工等人類活動(dòng)，植被不斷遭到破壞，地表裸露，特別是在降水較少的 冬半年，在風(fēng)力作用下，不斷有浮塵被帶到大氣中，增加了珠三角大氣污染物的 含量。4.6人類圈的主要貢獻(xiàn)1）直接作用除了人類活動(dòng)通過影響地表其他豳層來加重大氣氣溶膠污染外，人類活動(dòng)也 直接向大氣排放著大量的氣溶膠顆粒污染物。隨著私人小汽車的不斷普及，大量 的汽車尾氣已成為

13、珠三角大氣污染物的主要來源之一；工業(yè)活動(dòng)也向大氣中排放 了大量的氣溶膠顆粒物，如順德的瓷器工業(yè)成為當(dāng)?shù)卮髿馕廴疚锏闹饕廴驹粗?一；“摩的”等低燃燒率的交通工具產(chǎn)生了大量炭黑顆粒，也是珠三角大氣氣溶 膠的污染來源之一；化工廠和電廠等均會(huì)向大氣中排放氣溶膠顆粒污染物。2)間接作用平坦開闊的珠江三角洲平原有利于來自南嶺的風(fēng)暢流入海，將大氣污染物迅 速從珠三角吹移出去，但珠三角城市群改變了珠三角原始的平原地形結(jié)構(gòu)，形成 了獨(dú)的人工地形。高樓林立，增加了大氣運(yùn)動(dòng)的摩擦力，減小了風(fēng)速，使城市群 中靜風(fēng)天數(shù)增多，有利于污染物的滯留積累，造成大氣污染。4.7珠江三角洲大氣氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)珠江三角洲地區(qū)大氣氣溶

14、膠發(fā)生系統(tǒng)是個(gè)開放的復(fù)雜系統(tǒng)，與其他區(qū)域存在 著物質(zhì)和能量的交換，由于地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，大氣氣溶膠污染物隨時(shí)間呈 現(xiàn)出較明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)。冬半年污染物的出現(xiàn)頻率高于夏半年。人類的社會(huì) 活動(dòng)不斷改變自然要素，打破自然環(huán)境的平衡，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)向著有利于大氣氣 溶膠的產(chǎn)生和持續(xù)積累的方向進(jìn)行時(shí)，我們的大氣環(huán)境就會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的惡化，導(dǎo) 致大氣環(huán)境污染。5大氣氣溶膠污染的預(yù)防措施和管理辦法5.1氣溶膠污染的預(yù)防措施(1)氣溶膠污染的預(yù)防氣溶膠污染的形成機(jī)理復(fù)雜，不僅與氣象的變化因素有關(guān)，更是人為污染加 劇的直接后果，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展過程中工業(yè)氣體和汽車尾氣的排放是根本的原因。 因此，在現(xiàn)有城市格局和規(guī)劃

15、條件下，調(diào)控和控制污染源的排放是預(yù)防灰霾污染 的關(guān)鍵。動(dòng)態(tài)調(diào)控污染源的排放從國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)來看，動(dòng)態(tài)調(diào)控污染源的排放是減少氣溶膠污染天氣的有效途 徑?；姻蔡鞖獬霈F(xiàn)的一個(gè)氣象特征是其區(qū)域有一個(gè)氣流停滯區(qū)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到某區(qū)域 有氣流停滯區(qū)時(shí)，該地區(qū)的汽車流量和工業(yè)氣體排放就應(yīng)該受到限制；而當(dāng)大氣 條件好、空氣擴(kuò)散能力強(qiáng)時(shí)，則可以充分排放。提高汽車尾氣的排放標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車尾氣排放的大量增加是灰霾產(chǎn)生的重要因素，因此通過提高汽車尾氣 的排放標(biāo)準(zhǔn)，使用高效、清潔和低排放能源，減低汽車尾氣排放對(duì)環(huán)境造成的影 響。比如通過改進(jìn)三元催化劑性能，降低HC、NOX、SOX等污染物的排放?？刂瓶諝庵谐粞鹾妥杂苫妊趸瘎┑暮?，

16、斬?cái)鄽馊苣z形成的鏈條氣溶膠現(xiàn)象可以導(dǎo)致近地臭氧富集，近地臭氧又加劇灰霾形成，因而，降低 空氣中的臭氧含量，進(jìn)而減少近地臭氧對(duì)環(huán)境的危害。例如，通過涂裝于汽車水 箱上的臭氧催化劑，利用汽車行駛過程中降溫水箱和風(fēng)扇的氣流流動(dòng)作用，催化 消除空氣中的臭氧；或者在城市的擁堵路段設(shè)立大型的臭氧催化凈化裝置，降低 空氣中的臭氧含量。臭氧量的減少可以使二次污染物的產(chǎn)生減少，從而控制灰霾 天氣的引發(fā)。5.2環(huán)境管理對(duì)對(duì)策針對(duì)珠江三角洲大氣污染物的特征，PM10和PM2.5是首要污染控制對(duì)象，東 莞、佛山和廣州是重點(diǎn)污染整治區(qū)。根據(jù)污染物相關(guān)性分析PM10和PM2.5在珠 江三角洲地區(qū)擁有共同的污染源，需要加強(qiáng)

17、燃煤脫硫及除塵T作，特別是在一 些燃煤使用量大的行業(yè)(如火電廠、陶瓷等)?，F(xiàn)代的排煙除塵設(shè)備幾乎能全部除 去煙傘顆粒物中的粗粒子。至于氣溶膠污染物積累到一定程度的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致相關(guān) 系數(shù)增大。PM10和PM2.5更加容易產(chǎn)生高濃度積累，建議在灰霾剛開始的時(shí)候加 強(qiáng)環(huán)境管理，降低火電廠、陶瓷等用煤大戶的作業(yè)負(fù)荷。另外需要做好城市建筑 工地的防塵工作，針對(duì)珠江三角洲能耗高的情況，還應(yīng)提高燃煤和重油的利用率， 增大水電、太陽能、核電等清潔能源的使用比例。廣州等大城市的汽車尾氣也需要重點(diǎn)整治，建議優(yōu)先發(fā)展公共交通，控制私 人車輛增長(zhǎng)。如采取提高新購車輛的上牌成本和年票費(fèi)等方式，通過財(cái)政補(bǔ)貼降 低公共汽車和

18、地鐵的費(fèi)用(如北京)，鼓勵(lì)更多的市民選擇公共交通。有條件還可 以對(duì)現(xiàn)有道路狹窄、車流量大的路段進(jìn)行擴(kuò)寬改造，加強(qiáng)疏導(dǎo)交通，減少擁堵現(xiàn)象，降低污染物的排放。6問題與展望珠江三角洲的大氣污染已由“城市污染”轉(zhuǎn)向“區(qū)域復(fù)合型污染。區(qū)域性 的大氣污染，單純依靠單個(gè)城市是不可能解決的，任何城市也都無法獨(dú)善其身。目前大氣細(xì)粒子污染己經(jīng)給珠江二角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們的生活帶來了 比較惡劣的影響，在此形勢(shì)下已有許多機(jī)構(gòu)展開了對(duì)該區(qū)域大氣細(xì)粒子的研究， 并取得了一些進(jìn)展，今后在以下方面需要進(jìn)行深入研究：加緊解決環(huán)境監(jiān)測(cè)到模擬中的一些瓶頸問題。應(yīng)大力開展細(xì)顆粒物形成和演 化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，解決大、中、小不同宏觀尺度監(jiān)測(cè)過程中遇到的基礎(chǔ)瓶頸問題， 利用學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)，在宏觀、微觀層面上，集中研究細(xì)顆粒物與氣相組分之間的 反應(yīng)過程。利用微觀研究手段，加強(qiáng)細(xì)顆粒物表面化學(xué)物理過程研究.對(duì)細(xì)顆粒物表面結(jié) 構(gòu)和表面過程開展深入研究，建立適于細(xì)顆粒物表面和內(nèi)部物理化學(xué)微觀過程原 位分析方法，利用敏感于表面的各種譜學(xué)技術(shù)獲得表面僅幾個(gè)分子層甚至但分子 層的結(jié)構(gòu)信息，在分子水平上揭示發(fā)生在細(xì)顆粒物表面的重要大氣化學(xué)物理過 程。深入開展珠江二角洲地區(qū)大氣細(xì)顆粒物的生理效應(yīng)以及對(duì)人體健康的影響研 究。應(yīng)加強(qiáng)細(xì)顆粒物的生理效應(yīng)研究，在組織、細(xì)胞、分子