第一章 概述

第一节 大气污染及其主要特征

一、大气污染的概念

大气污染是指自然环境大气中外来的污染物质浓度达到某种程度，以致对自然生态系统的平衡造成破坏，对人类的生存和身心健康产生危害的现象。大气中外来的污染物质的形成，有自然的原因，也有人为的原因。大气污染是人类当前面临的重要环境污染问题之一。由于大气污染，使某些自然环境要素发生变化，生态环境受到冲击而失去平衡，导致自然环境系统的结构和功能发生改变，进而对人群的健康也会产生危害。这种因大气污染而引起环境变化进而导致人群健康危害的现象，称为大气污染健康影响（效应）。

当今世界各国政府和学者都对大气污染如此重视和关注，也正是因大气污染所引起的显著健康效应所促成的。在迄今为止的历次世界重大污染事件中，就有7件是由大气污染造成的。如马斯河谷烟雾事件、多诺拉烟雾事件、伦敦烟雾事件、洛杉矶光化学烟雾事件、四日市哮喘事件、博帕尔农药泄漏事件和切尔诺贝利核电站事故等，这些污染事件在造成大气严重污染的同时，均出现接触人群中毒和相关疾病的发病和死亡迅速增加，对人类社会的正常发展产生极大的震撼。

二、大气污染的基本特征

一般认为形成大气污染的三大要素是污染源、大气状态和污染受体（环境和人体）。大气污染的三大过程是污染物排放、大气运动和对受体（包括环境和人体）的作用。大气污染的程度与污染物的性质、污染源的排放、气象条件和地理条件等密切相关。其中，人为污染源按其性质和排放方式可分为工业污染源、生活污染源和交通污染源。

（一）大气污染源

一般可以分为自然污染源和人为污染源两大类。前者如火山爆发、森林火灾、岩石风化等，指自然界自行向大气环境排放有害物质或造成的有害影响；后者如各类燃料燃烧释放的废气、汽车尾气和工业排放等生产和生活活动产生的废气。当今全球的大气污染主要是人为因素造成的。大气污染源排放的有害物质对大气的污染程度，与污染源的特征，如排放方式、污染物的理化性质、污染物的排放量等内在因素有关，而大气污染对人群健康的影响则与人群的暴露水平和程度以及对污染物的群体遗传易感性密切相关。

1.工业污染源

工业企业排放仍然是当今尤其是发展中国家大气污染的主要来源。生产用化石燃料的燃烧，主要是煤炭和石油，在燃烧过程中会有大量的燃烧产物排放到大气中，主要有颗粒物、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、各种烃类以及金属氧化物。我国是一个煤炭大国，近年的煤炭产量始终居世界第一位。预计在今后的长时期内，煤炭仍将是我国的主要能源。燃用煤炭最多的工业部门有电力、冶金、机械制造、化工、轻工、建筑材料等。燃烧产物的种类、数量与燃煤品种、数量、燃烧方法、燃烧设备、除尘净化设施等有关。因此煤炭燃烧也是我国大气污染的主要来源之一。第二大来源是工业生产过程中废气的排放。工业生产从原料进厂到产品出厂，由于不同的工艺流程和生产过程所限，各种污染物质难免有“跑、冒、滴、漏”的现象，这类污染物排放的组分复杂，因无组织排放，排放高度低，对附近地区的大气污染尤为严重。有的企业在生产过程中因多种原因不能将废气回收利用，而采取排气筒直接排放，易将废气扩散至较远地区，可造成远距离的大气污染。

2.交通运输

多年来，交通运输业的发展始终是世界经济发展的重要动力之一，随着全球交通运输业的发展，欧美发达国家汽车废气的大量排放已经成为其大气污染的主要来源，国外学者估计，21世纪全球大气污染的主要特征是机动车废气污染，并将逐步成为主要的污染来源。我国近年来随着经济的快速发展，汽车的生产和保有量也飞速增加，在国内主要的大城市中，机动车辆不断增加，大量的机动车上路使汽车废气的排放总量迅速增加；加之国内的道路条件先天不足，交通阻塞不断，汽车减速行驶或空档停车频繁，汽车燃料的质量又不好，造成严重的汽车废气污染，其对大气污染的分担率逐年升高，北京、上海、广州等一线城市汽车废气已成为大气污染的主要来源之一。

3.生活炉灶与采暖锅炉

目前我国大量中小城镇地区以及农村广大地区的居民生活炉灶仍然使用散煤、煤球或蜂窝煤，由于散煤质量不合格和炉灶结构不合理，造成大量燃烧不完全的污染物排放至低空大气，形成大气污染并对人群健康形成危害。我国北方城镇地区冬季采暖期，需要大量的煤炭或天然气燃烧供暖，使得冬季的大气污染物排放浓度常常很高，加之冬季逆温日较多，排出的污染物不易扩散而形成严重的近地面大气污染，对暴露人群可产生各种不良健康影响。

4.地面扬尘

我国近年来随着经济和人民生活水平提高，城市各项建设迅速发展，很多城镇居民区由于绿地面积少，防护意识差，建筑工地施工扬尘严重，加上大气污染的降尘，使地表面的浮尘较多。当人群经过和车辆行驶时，常使地面尘土飞扬，形成另类大气污染，遇风天时更易造成近地面大气污染。北京市近年的大气颗粒物污染就与此有重要的关系。

（二）大气污染物

根据大气污染物的形态，可分为气体和颗粒物两大类。气态污染物包括气体和蒸气。常见的气态污染物有CO、SO2、NOx、O3等。蒸气是某些固态或液态物质受热后，引起固体升华或液体蒸发而形成的气态物质，例如汞蒸气、苯、VOCs、硫酸蒸气等。蒸气遇冷后，仍能逐渐恢复到原有的固体或液体状态。

大气环境中颗粒状态的物质统称大气颗粒物（atmospheric particulate matters），包括固体颗粒和液体颗粒，颗粒物的粒径和化学组成是影响人体健康的两大基本要素，也是近年大气污染健康影响研究关注的焦点。

颗粒物粒径采用国际通用的空气动力学当量直径（aerodynamic equivalent diameter，AED）表示，简称空气动力学直径（aerodynamic diameter，AD）。AD可以影响颗粒物在空气中的持续时间和进入呼吸道的部位，与人群健康关系密切。AD＞100μm的颗粒物在大气中一般仅悬浮几个小时，容易沉降到地面，形成降尘；而AD≤100μm的颗粒物称为悬浮性颗粒物，能均匀地分散在大气中形成相对稳定的悬浮体系，又称为气溶胶。粒径小的颗粒在大气中稳定程度较高，沉降速度慢，一般是10μm粒径的颗粒物，而1.0μm粒径的颗粒物沉降需19～98天，粒径小于0.1μm的颗粒则需要5～10年。

近年的研究认为，与人体健康关系密切的大气颗粒物可分为如下类型:

1.可吸入颗粒物（inhalable particles）

指AD≤10μm的颗粒物，又称PM10。这类颗粒物一般沉降到地面需要4～9个小时，由于可以被人体直接吸入呼吸道，与人体健康的关系十分密切，能反映大气污染对人体健康的不良影响，是目前全球大多数国家大气质量监测的常规指标之一。

2.细颗粒物（fine particles）

指AD≤2.5μm的颗粒物，又称PM2.5。这类颗粒物因粒径很细，可直接被吸入人体呼吸道的深部，甚至直达肺泡，所以对人体健康的危害更大。近年的研究发现，细颗粒物因为粒径小，更易于进入人体呼吸道；表面积大而吸附性强，更易于浓缩吸附大气中的有毒有害物质又可长期悬浮在大气中而被人体吸入。因而比其他颗粒物有更大的毒性和危害，是目前我国城市大气环境质量监测中超标频率最高的首要污染物，也是我国大气污染人群健康影响研究的重点。

3.超细颗粒物（ultrafine particle）

国际上一般指AD≤0.1μm的颗粒物，但是，2012年全国科学技术名词审定委员会将PM2.5命名为“细颗粒物”时顺带提出“直径在1μm以下的颗粒物（即PM1）可以称为超细颗粒物”。研究表明，细颗粒物（PM2.5）中，PM1所占比例常在50%以上，且PM2.5中的PM1才是影响视觉能见度和人体健康的更主要因素。这类超细颗粒物主要来自汽车尾气，且多为在大气中形成的二次污染物。超细颗粒物更易进入人体的肺泡、血液、神经系统等，有研究表明其和白血病、心血管疾病的发生有一定关联。因此，研究超细颗粒物对评价大气环境和人体健康风险有重要意义。近年发达国家开展了这方面的研究，国内的相关研究也在逐步开展。

三、影响大气污染物浓度的因素

排入大气中的污染物是否形成污染并造成人群健康危害，取决于其浓度的高低，而影响大气污染物浓度的因素则主要包括污染源排放情况、气象因素和地理地形三方面。

（一）污染源排放情况

1.排出量

一定时间内污染物排出量是决定大气污染程度最基本的因素。一般情况下，单位时间内从污染源排出的污染物量越大，大气污染的程度就越严重。一个地区的工厂企业及汽车尾气的污染物排出总量是该地区大气污染程度的关键影响因素，也是控制大气污染的措施和手段主要的思路和着力点。

2.排放方式

污染源排出污染物的方式不同，对污染物浓度的影响亦很大。一种是无组织排放方式，即污染物不通过烟囱或排气筒而是任其由门窗或直接排入大气，因污染物排放高度低，扩散动力小，主要引起周边地区的大气污染。另一种是有组织排放，指通过烟囱或排气筒，把污染物排到一定高度和方位的大气中。这种排放方式的污染源比较容易控制。有些污染源采用连续排放的方式（如工厂企业），对大气污染的影响比较稳定；有些则是间歇排放方式，如采暖锅炉仅冬季排放，属于季节性排放的污染。发生意外事故时，常形成短时间突发的、高浓度的污染物排放。

3.排出高度

排出高度是指烟囱的有效排出高度，即烟囱本身的高度与烟气提升的高度之和。排出高度越高，烟波断面越大，污染物的扩散和稀释程度就越大，因而污染物在大气中的浓度就越低。一般认为，污染源下风侧的污染物最高浓度大致与烟波有效排出高度的平方成反比。

4.与污染源的距离

大气污染物排出后，向下风侧逐渐扩散、稀释，然后接触到地面，该地面接触点称着陆点。一般细颗粒物的着陆点距污染源较远，有害气体的着陆点更远。由于污染物的浓度以着陆点最高，其也是实际对人群健康产生危害的主要地点。

（二）气象因素

1.风和湍流

风和湍流对污染物在大气中的扩散和稀释起着决定性作用，也是决定大气污染程度的基本因素之一。

空气的水平运动称为风。风向和风速时刻都在变化。风速是每秒空气流动的距离（m/s）。风向是指风吹来的方向，以罗盘方位表示（8个或16个方位）。风向能反映污染源周围受影响的方位。风速则决定污染物被大气稀释的程度以及扩散的范围。

不规则的空气流动称为湍流。其表现为气流的速度和方向随时间和空间位置的不同而随机变化，并由此引起温度、湿度以及污染物浓度等因素的不规则变化。气温的垂直递减率越大，湍流运动越强。地面起伏程度越大，湍流运动也越强。大气中的污染物在湍流的作用下被加速扩散和稀释。

2.气温

大气的温度主要来自太阳辐射和地表物体的热辐射。地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因。距地面越近的空气温度越高，海拔越高气温越低。正常情况下，大气温度垂直递减率（γ）的平均值为0.65℃/100m。其含义是:正常大气的高度每增加100m，其温度降低0.65℃。这种大气温度随海拔高度逐步递减的特性，有利于地面热空气的垂直流动，也就有利于污染物的扩散稀释。

大气增温主要来自吸收并储存的太阳辐射（地面长波辐射）。由于太阳辐射在一天内是变化的，而使气温也呈现日变化。随着太阳辐射减弱，夜间地面温度和气温都逐渐下降，并在第二天日出前后地面储存的热量减至最少，所以一日之内气温最低值出现在日出后一瞬间而不在午夜。太阳辐射强度的季节变化导致了气温的年变化。

排放到大气的污染物随着近地面的气团逐步上升。其上升过程的温度变化，基本符合干绝热过程的规律。气团干绝热垂直递减率（γ0）为0.986℃/100m。其含义是:气团每上升100m，其温度降低0.986℃。这也是污染物上升过程中本身温度降低的规律。当γ＜0或γ=0时，大气温度反而随海拔高度升高而上升，形成上层气温高于下层气温的现象，称为逆温。逆温层的高度和厚度经常变动。由于逆温时的大气状态十分稳定，因此在逆温层内大气的垂直运动很难发展。当大气中出现逆温层时，处于逆温层中的烟、尘和水汽凝结物因不易扩散将会造成大量积聚，使能见度变差，空气质量恶化。大气的严重雾霾现象就大多发生在强逆温条件下。

晴朗无云（或少云）的夜晚，当风比较小时，地面因强烈的有效辐射而很快冷却，近地面的气温也随之下降。离地面越近空气受地表的影响越大，因而降温就越快，形成自地面开始的逆温，这就是辐射逆温。之后，随着地面辐射冷却的增加，逆温逐渐向上扩展，黎明时达到最强。日出以后，太阳辐射逐渐增强，地面很快增温，逆温便逐渐自下而上消失。中纬度地区冬季的辐射逆温层厚度常达200～300m，有时还可达400m左右。辐射逆温最常出现，故与大气污染关系也最密切。

3.大气稳定度

即指大气垂直运动的程度。在实际情况下，由于太阳辐射和其他各种气象因素的影响，大气温度垂直递减率（γ）经常发生变动，大气的这种状态称为大气不稳定状态。大气处于稳定状态时，污染物不易扩散。

4.气压

大气的压强称为气压。在不同海拔高度、空气温度、地理纬度的情况下，气压的高低也不同。标准大气压是指在纬度45°的海平面上，气温为273K状态时的大气压。1标准大气压=1 013.25百帕（hPa）=760mmHg，1mmHg=133.322帕（Pascal，Pa）。

当地表空气受低气压控制时，周围高压气团向中心运动，中心的气团便会上升，形成上升气流。由于地球的自转作用，北半球的上升气流向逆时针方向旋转，称为气旋。此时云层较多，风速较大，有利于大气污染物向上扩散。当地面空气受高压控制时，则形成反气旋。此时天气晴朗，风速小，出现逆温层而阻止了污染物向上扩散，因此会加重大气污染。

5.气湿

大气的湿度，指大气中含水分的程度，常用相对湿度（%）来表示。大气中的颗粒物可吸收水分，增加粒径和重量，使大气扩散的速度下降，加重大气污染，同时大气中水分增加可催化其组分发生化学反应而形成光化学产物或酸雨等二次污染物。

（三）地理地形

1.山地和谷地

山坡表面白天因受日照而增温，气温比谷地高，空气上升，形成谷风，可将山坡上污染源排出的废气向上扩散，减少谷地的大气污染；夜晚山坡表面散热量大，冷却快，气温低于谷地，冷空气向谷地下沉，形成山风，同时产生逆温，将污染物压在谷底不易扩散，造成谷地大气严重污染。历史上曾出现过很多河谷地区的烟雾事件。

2.海滨与陆地

陆地与海洋（江、湖、河、水库等类似）相连接处，白天由于太阳辐射热使陆地大气的升温速度比水面快，形成了由水面吹向陆地的风，称为海风。相反，夜间时陆地温度比水面低，气流由陆地吹向水面，形成陆风。如果污染源位于岸边，则白天其排放的污染物很难向海面扩散而蓄积在岸上，对附近居住区形成污染。

3.城市热岛

城市热岛环流是城乡温度差引起的局地风。由于现代化城市人口密集，城市上空二氧化碳的增加和人为热源的释放等原因，城市附近的热量收入和散发均远大于四周郊区，故气温平均比周围乡村高，犹如处于四郊包围的“热岛”。有研究报告城乡年均温度差别大时可达6～8℃。城市热岛的热空气上升，四郊冷空气流向城市，形成热岛环流，亦称城市风。城市风能将污染物和郊区工厂排放的污染物一起带到市区，使城市空气质量恶化。