我国霾研究进展及公共安全影响应对

郑治斌，崔新强，廖移山

（1.湖北省气象学会，湖北 武汉430074；2.湖北省气象服务中心，湖北 武汉430205；3.中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室，湖北武汉430205）

《气候变化绿皮书：应对气候变化报告（2013）》表明，近50 a 来，我国霾总体呈增加趋势，且持续性霾过程增加显著。霾对公共安全特别是公共卫生健康和交通运输带来许多危害，给经济社会发展造成巨大损失。

在霾对人体健康影响研究方面，齐婧辰[1]研究表明PM2.5可诱发和加重人体呼吸系统、心血管系统、癌症及代谢性疾病等，增加这些疾病的发病率和死亡率。Gundel L A 等[2]研究发现，人类日均死亡率的增加与细粒子浓度的相关性最强，浓度每增加10 μg/m3，死亡率就上升15%。藏希文[3]认为PM2.5是心血管系统的危险因素。李仰瑞等[4]研究指出PM2.5是诱发炎症最主要原因；近年来肺癌发病率升高与PM2.5污染越来越严重有密切关系。马盼等[5]计算了北京市空气质量对呼吸系统急诊人数的影响及滞后效应，表明就诊当天与滞后1 d 的空气质量指数对呼吸系统疾病的影响最为显著。

在霾对交通影响研究方面，陈晨等[6]分析了霾导致的能见度降低对公路运输的影响。Malm W C[7]发现造成美国霾天气能见度下降的主要原因是空气中的污染物硫酸盐气溶胶。刘玉环[8]分析指出，雾霾天气直接阻碍水陆空三方面的交通运行，对飞机、高铁、公路的交通运输带来直接影响。

以上研究多是从霾形成原因、气象条件、对人体健康某一方面的影响等方面进行的，而涉及霾的应对和防御系统性对策研究还不多见。本文从霾影响公共安全的预防和治理方面提出了建设性的对策建议，以期对霾防御和治理问题起到积极的决策参考作用。

1 霾的基本特征

1.1 霾的气象学定义

中国气象局《地面气象观测规范》对霾定义为“大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度＜10 km 的空气普遍混浊现象”。2010 年6 月，气象行业标准《霾的观测和预报等级》（QX/T 113—2010）发布，2018 年7 月，国家标准《霾的观测识别》（GB/T 36542—2018）发布，至此，对霾的判别、监测和预报有了正式统一的标准。

1.2 霾与雾的区别

在现实生活中，人们习惯将“霾”称为“雾霾”，从科学角度看，这种说法是不准确的。事实上，“雾”和“霾”是2 个概念，属于不同的天气现象[9]，不能混为一谈。

雾是由浮游空中的大量微小水滴组成，影响大气水平能见度，其水平能见度在1.0 km 以下的雾统称为大雾[10-11]。霾与雾都是漂浮在大气中的微粒子，二者常常相伴出现[12]，并可以相互转化。微粒在合适的水汽条件下长成了雾滴，雾滴蒸发又变回微粒，微粒浓度大时就形成霾[13]。表1 给出了霾和雾的区别，可以看出，霾和雾的组成粒子、水平能见度、相对湿度、厚度、边界、颜色和出现时间都有所不同。

表1 霾与雾的区别

霾一般出现在城市，与经济或人类活动排放的大量细颗粒物（PM2.5）有关。而雾一般出现在水边、山林、草地等地，稳定的近地层逆温是雾产生的重要条件[16]。霾和雾除了表1 给出的区别，还可以将“雾”比照为落地的云，它是在一定的温湿条件下形成的[17]，随着温度升高，雾便会逐步消散。“霾”则相对干燥，不受气温变化而变化，只要大气扩散条件不发生改变，霾就不会消散。

1.3 霾的时空分布和变化趋势特征

1.3.1 霾的时空分布特征

研究表明，我国霾的分布有明显的季节变化，除东北地区、青藏高原、西北西部地区四季霾日很少且变化不明显外，其余大部地区均呈冬季多，夏季少，春秋季居中的特点[18]，12 月是霾日数最多的月份，约占全年霾日数的2 成[19]。

我国年霾日数分布呈现东部地区多、西部地区少的空间分布特征，中东部大部地区年霾日数在5～30 d，部分地区超过30 d，西部地区基本都少于5 d（图1）。持续性霾发生频率增加，持续时间长的霾比持续时间短的霾增加更为明显[18-20]。

图1 1994—2013 年全国霾日年平均分布（单位：d）[20]

近年来，工业污染、环境破坏致使空气质量问题日益突出，霾日数增多，尤其是中东部地区尤为明显。以2016 年我国霾日数分布（图2）为例，华北地区、黄淮流域霾日都超过50 d，豫中地区、江苏大部达100 d 以上，我国100°E 以东地区平均霾日数为36.1 d，比常年偏多26.6 d，为1961 年以来最多[21]。

图2 2016 年全国霾日数分布（单位：d）[21]

1.3.2 霾的变化趋势特征

我国霾日数从区域来看，华南、长江中下游、华北等地呈增加趋势，而东北、西北东部、西南东部呈减少趋势[18]。吴兑等[22]分析中国大陆霾的长期变化趋势，表明从1956 年到1980 年中国霾日都比较少，仅四川盆地和新疆南部超过50 d；20 世纪80 年代以后中国霾日明显增加，到21 世纪大陆东部大部分地区几乎都超过100 d。霾日数呈增加趋势的站点主要分布在我国东部和南部，霾日数呈减少趋势的站点主要分布在东北、内蒙古和西北地区东部。

2 霾的理化特性及成因

2.1 霾的物理特性研究

2.1.1 霾与粒子浓度的关系研究

李龙凤等[23]研究表明PM10、PM2.5质量浓度季节变化幅度较大，均呈上午低、下午高、夜间21 点左右出现峰值的特征。吴兑等[24]研究指出近年来广州地区的气溶胶污染日趋严重，灰霾主要出现在10 月—次年4 月。自20 世纪80 年代初开始，该地区灰霾显著增加，其中有3 次大的波动，其能见度的恶化主要与细粒子有关，PM2.5占PM10的比重非常高，可达62%～69%，尤其是旱季比雨季更高。

余锡刚等[25]研究表明灰霾发生频率呈冬春季大于夏秋季的季节特征，且大气颗粒物中PM2.5占PM10的比重大；能见度的恶化主要与细颗粒物PM2.5的质量浓度增加有较大关系。伍复胜等[26]研究表明SO2和PM10在珠江三角洲地区拥有共同的污染源，灰霾时SO2跟PM10呈正相关，而NO2和O3则为负相关。

胡敏等[27]研究指出北京夏季高温、高湿、强太阳辐射和低风速的气象条件，污染物不易扩散，有助于光化学反应产生的二次污染物累积，细粒子在PM10中比例增加，其中二次组分硫酸盐和硝酸盐浓度高，呈单模态谱分布；降雨过后的晴朗干洁天气和强太阳辐射有利于新粒子生成，新生成的颗粒物很快长大，此后污染不断加深，开始新的污染过程。

2.1.2 霾的光学特性研究

颜鹏等[28]分析发现京、津地区气溶胶光学特性受天气过程的影响很大，在受雾霾影响的高污染时段，气溶胶散射、吸收系数很高，且气溶胶单次散射反照率也明显高于其他时段。雾霾过程气溶胶的增加，尤其是对光散射性气溶胶增加更为有利。车慧正等[29]分析表明榆林地区气溶胶粒子的光学厚度、单次散射反照率、复折射指数、不对称因子和Angstrom波长指数等光学参数在沙尘和灰霾条件下呈现出沙尘粒子和人为排放气溶胶粒子显著不同的分布特征。于兴娜等[30]分析表明北京地区雾霾天气期间气溶胶光学厚度表现出较高值，且随波长增大而减小；雾霾天气期间平均单次散射反照率达到0.89，且随光学厚度增大而增大。姚青等[31]分析表明雾霾日下细粒子的散射作用是大气消光的主要贡献者；雾霾日的气溶胶散射系数和吸收系数均高于非雾霾日，随着霾等级增强，气溶胶散射和吸收系数逐渐增大。白永清等[32]分析得出细颗粒物浓度与相对湿度共同影响大气能见度，高湿高浓度时能见度显著下降。杜荣光等[33]分析表明杭州市区颗粒物的吸湿性增加比较明显，在干霾过程中，PM2.5质量浓度对能见度的影响程度大于相对湿度对能见度的影响程度；PM2.5消光效率随相对湿度的增加而平滑连续增大。

2.1.3 霾的粒子谱分布研究

杨文峰等[34]分析表明西安市雾霾过程中粒径在0.5～0.835 nm 粒子的数浓度增加最明显，雾霾后，＜2 nm 和＞3.5 nm 粒子的数浓度下降显著；霾过程中细粒子的数浓度主要集中在30～300 nm，且具有明显的日变化特征。夏冬等[35]分析表明广州市各测点的气溶胶质量谱基本呈双峰或三峰分布，细粒子浓度占气溶胶总浓度的四成到六成；在气溶胶水溶性离子成分中，浓度最高的阴离子是SO42-和NO3-，浓度最高的阳离子是NH4+和Na+，各离子多呈三峰或是双峰分布，但不同离子的峰值不尽相同；广州市的粉尘污染逐渐减少，而NH4+浓度迅速增大。

2.2 霾的化学特性研究

2.2.1 霾的化学成分研究

朱彤等[36]研究指出大气细颗粒物的化学成分和吸湿性决定其环境效应(辐射/气候、健康、生态)和表面非均相反应。基于非均相反应动力学过程，识别出NO2—颗粒物—H2O、SO2—颗粒物—O3、 有机物/SO2—颗粒物—光照等三元反应体系的协同作用机制。唐傲寒等[37]研究指出北京地区大气颗粒物主要由水溶性无机盐、含碳物质和不可溶矿物质组成。大气中的污染物通过气—固和液相反应进一步转化形成的二次细颗粒物。张海鸥等[38]研究表明霾越重PM2.5质量浓度越高，SO42-、NO3-、NH4+、Ca2+、Na+、CI-以及水溶性总有机碳是PM2.5 的主要组成部分，其质量浓度随霾的加重而增加，其中NH4+、SO42-、NO3-和水溶性总有机碳质量浓度的增加幅度更明显。

2.2.2 霾的离子成分分析研究

牛红亚等[39]分析得出灰霾天Ti、Fe、Zn、Sn、Pb为全样样品中相对含量较高元素；Ti、Mn、Ni、Cu、Zn、Pb 是水溶样样品中相对含量较高元素。与晴天相比，灰霾天样品中微量元素可溶性增强，对人体危害更严重。吴兑等[40]分析表明气溶胶中均以SO42-为主要的阴离子成分，占阴离子含量的78.9%～97.0%；Ca2+为主要的阳离子成分，占到阳离子含量的56.6%～66.6%。在雨季无论是总浓度还是SO42-、Ca2+、Mg2+的浓度均比旱季时明显减少，与降水的清除过程有关。

2.2.3 霾的有机组分研究

段菁春等[41]分析表明广州市灰霾期积聚态颗粒物比粗颗粒物在总悬浮颗粒物（TSP）中占的比例高，而在灰霾结束后所占比例与粗颗粒物相当或略少。从灰霾期至灰霾期后，低环数多环芳烃（PAHs）在积聚态颗粒物段的主峰粒径有逐渐减少的趋势，而对于高环数TPAHs 粒径分布变化不大。于兴娜等[42]分析发现，灰霾期间PM2.5、有机碳、元素碳污染严重，其浓度水平明显高于正常天气；二次有机碳污染严重，并随着灰霾污染的持续，二次有机碳占总有机碳比例明显增加。灰霾期间Phe、An、Flu、Pyr、BaA、Chr、IP、DA、BbF、BaP 和BP 的相对浓度较高，低环数和多环数的PAHs 主要分布在积聚态颗粒物中。灰霾期间大气颗粒物中水溶性离子浓度明显比正常天气时的浓度高，主要成分为SO42-、NO3-、NH4+，水溶性离子的季节差异明显，其中秋、冬季污染高于春、夏季。

2.3 霾的成因及预报技术研究

2.3.1 霾的生成机制研究

任攀杰等[43]研究指出，霾的形成既有内因，也有外因。人类活动是霾形成的内因，不利于污染物扩散的气象条件是霾形成的外因。水平方向静风增多和垂直方向出现逆温层是形成霾天气的主要气象因素。周刚等[44]综述灰霾天气的形成原因时提出，源排放达到不利扩散、一般扩散、最有利扩散气象条件的容量值时，分别对应出现灰霾、灰霾天气频发、持续灰霾天气。古金霞等[45]分析得出影响天津市灰霾的5 个主要因子（SO2、相对湿度、总云量、PM10和风速）。王宇凡等[46]分析表明黑龙江省霾天气变化受气温和风速影响较大，与持续逆温和弱风等气象条件关系密切。

2.3.2 霾的数值预报技术研究

王自发等[47]研究表明嵌套网格空气质量数值预报模式（NAQPMS）能够合理反映灰霾下我国中东部PM2.5的时空分布特征和演变规律，发现静稳天气京津冀地区来自区域外的输送对京津冀PM2.5浓度贡献为20%～35%，区域内输送的贡献为26%～35%，两者之和与局地污染源贡献相当。刘红年等[48]建立了城市灰霾的数值预报模式，可模拟PM2.5中主要成分如硫酸盐、有机碳等气溶胶的浓度分布，由此计算城市大气能见度，从而预测城市灰霾。胡俊等[49]依据大气分子的消光特性，建立了南京地区大气能见度与大气总消光系数的公式，提出了一种改进的大气能见度参数化方案，从而实现WRF-Chem 等数值模式对大气能见度更精确的预报。

3 霾对公共卫生健康的影响

3.1 霾对人体健康的影响

霾颗粒对人体健康的影响存在长期慢性影响和短期急性危害，是由粒子本身的大小、形态和化学成分所决定的。一般而言，10 μm 以下的颗粒物可进入鼻腔，7 μm 以下的颗粒物可进入咽喉，＜2.5 μm 的颗粒物（即PM2.5）则可深达肺泡并作用于心血管系统，可导致与心肺功能障碍有关的疾病[50-51]，PM2.5所含有的有毒有害物质可诱发和加重人体的呼吸系统疾病、心血管系统疾病、癌症及代谢性疾病等，增加这些疾病的发病率和死亡率[52]。

甄泉等[53]论述了雾霾天气对空气细菌特征的影响，综合评价了雾霾天气空气病原菌导致的人群潜在健康风险的变化。洁净空气中病原细菌含量很低，但雾霾天气下部分病原菌的相对丰度增加，致病力会显著增强。此外，高浓度的细颗粒物可打破呼吸道和皮肤的微生态平衡，为病原菌侵入创造较好的机会。两者的协同作用，显著增加了雾霾天气空气中病原菌的健康风险。

（1）PM2.5对呼吸系统的影响。PM2.5进入肺部对局部组织有堵塞作用，甚至可造成细支气管和肺泡的换气功能丧失。同时PM2.5可以刺激或腐蚀肺泡壁，引起支气管炎、肺炎，促发哮喘，加重老慢性支气管炎和肺气肿等呼吸道疾病[54-55]。PM2.5浓度增加与呼吸系统疾病患者就诊和住院成正比例关系[4，56]。研究发现，PM2.5浓度每升高100 μg/m3，总病死率增加4.08%，而呼吸系统疾病的病死率增加8.32%；PM2.5的浓度每升高10 μg/m3，呼吸系统疾病的病死率增加3.75%[4]。

（2）PM2.5对心血管系统的影响。PM2.5与心血管疾病具有相关性。PM2.5通过诱导系统性炎症反应和氧化应激，可促进血栓生成，构成心血管系统的危险因素[3]。同时，PM2.5可影响心脏的自主神经系统，导致心率变异性降低、血压升高和心律失常[54]。PM2.5中超细颗粒物可能直接作用于心脏，导致心血管疾病等[57-58]。短期暴露于高浓度PM2.5环境就可显著增加人群每日心血管疾病（如冠心病、心肌梗死、中风等）的就诊率和死亡率[54]。

（3）PM2.5的致癌效应。PM2.5中的多个成分具有致癌性或促癌性，如多环芳烃，镉、铬、镍等重金属[54]。近年来，肺癌发病率不断升高与PM2.5污染越来越严重有着密不可分的关系[59]。空气中细颗粒物越多，增加肺癌的易感性[4]。长期生活在霾环境中，会提高肺癌的发病率[60]。分析发现，细颗粒物每增加10 μg/m3，肺癌死亡率增加8%[50]。同时PM2.5进入下呼吸道，可引起细胞周期调节失常，分裂增加，形成癌变[4]。Mehta M 等[61]发现PM2.5不仅能破坏DNA 并抑制DNA 的修复，还能促进DNA 片段的复制，从而引发癌变。

3.2 霾对心理健康的影响

霾容易导致人的消极情绪，增加心理问题的发生率[62]。长期生活在严重的霾环境中，会使人烦闷、忧郁、焦虑；另外，过量吸入空气中刺激性污染物质会对人体的神经系统产生影响，进而影响人的心理健康[63]。霾带来的心理伤害，会对人们产生叠加式的负面影响，尤其是对心理脆弱、患有心理障碍的人，霾天气会加剧患者原有的心理问题，加重抑郁水平和自杀率[52]。

4 霾对交通安全的影响

4.1 霾对航空运输的影响

霾对航空运输的影响，主要表现在低能见度会影响飞行员对跑道前方和两侧标线的判断，直接影响飞机的正常起飞和降落，严重的霾会导致航班延误或取消，影响航运货物和乘客及时到达目的地[64]，对经济社会造成间接影响。

4.2 霾对铁路运输的影响

霾对行进中的高铁列车没有太大影响，但对行驶后停车和启动出站的列车影响较大，这主要是因为霾极易引发高铁列车发生“雾闪”（或“污闪”）等行车事件[65]。“雾闪”一般发生在列车启动出站时，行进中的列车一般不会发生“雾闪”。

霾对普速铁路的影响相对于高铁要大很多，这主要是因为普速铁路不像高铁那样，处于高架、封闭的系统，线路上随时可能有异物坠落、动物、行人通过，霾会导致列车驾驶员无法看清远处物体，极易引发铁路安全事故。

4.3 霾对公路运输的影响

霾对公路运输的影响，主要表现能见度降低，汽车驾驶人员视线受阻，进而影响驾驶人员的观察和判断，对安全距离的判断产生较大的误差，从而引发汽车追尾等交通事故。表2 给出不同能见度距离对高速公路交通的影响[6]。

表2 不同能见度距离对高速公路的影响表

4.4 霾对水上航运的影响

霾会导致水平能见度降低，而水面能见度较陆地更低，船舶航行中的参照物和碍航物模糊不清或根本无法分辨，使驾驶人员不能及时避让和安全交会，往往容易造成水上交通事故[66]。因此，对于没有安装GPS 定位系统的船舶，如果在霾的天气贸然行船，极易发生船舶碰撞甚至翻船等事故。

4.5 霾对城市交通的影响

雾霾是城市交通事故的首要因素[67]，也是影响居民生活的重要杀手。霾导致能见度降低，使驾驶员视野不清，看不清标志标线、信号灯、交通安全设施等，影响驾驶员对前方道路的正确观察和判断。

5 霾防治与影响公共安全应对

5.1 科学制定防御策略与规划

制定短期和长期应对策略。短期治霾应当厘清重点和底数，采取有力的措施如减少煤炭燃烧排放等。长期治霾应采取一些根本性的措施，如改善能源结构，大力发展清洁能源；完善考核机制，将区域空气质量作为考核指标等。

加强低碳发展的顶层设计。政府应研究制定低碳发展远期规划和逐年行动方案，研究出台考核、奖励和问责机制。在城市规划制订时，要注意吸纳气象专家参与，不在城市上风方向建设有空气污染的企业，建设城市风道，增加城市绿地等。

5.2 统筹建立协调和决策机制

建立区域间政府协调机制。要通过建立区域合作机制打破行政壁垒，步调一致地进行霾防治[68-69]，建议由生态环境、气象、交通、卫生、自然资源、能源、工信、住建、农业、城管等部门主要行政领导参加，建立区域协调委员会，统筹考虑霾防治工作。

建立完善决策参谋机制和公众参与机制。霾的治理是一个系统问题，不仅需要企业、公众的参与和合作，更需要高校、科研院所等智囊机构的积极参与，应积极构建各方力量共同参与的决策参谋机制[70]，倡导形成低碳、健康、绿色生活方式[71]。

5.3 有效推进减霾行动

强化产业结构调整。坚持绿色发展理念，加快产业结构调整，控制企业污染物排放[72]，淘汰钢铁、水泥、造纸等重度污染企业，布局战略性新兴产业、高新技术产业化。调整能源消费结构，大力发展以天然气、风能、太阳能为主的清洁能源，提高能源利用率。

完善交通路网建设及交通管理体系。完善交通路网建设和交通管理体系是减少霾的关键措施之一。应大力发展城市轨道交通，缓解道路交通压力。加强共享单车、共享汽车的科学规划和管理。增加道路密度，构建立体化道路网络。

5.4 提供相应科技支撑

研究霾的生成机制。霾是复合型污染，不是单一污染物造成的，应加强霾的发生、发展规律研究，探寻导致能见度下降的主要控制因子。各级科技、生态环境、卫生等部门，应继续加大对大气污染防控科研项目的资助力度。

建立先进的霾综合监测系统。建立先进的霾综合观测系统，对霾状况进行全方位、实时、科学准确的监测。如在城市内及周边地区布设水平和垂直能见度观测站，在城市开展气溶胶光学厚度的监测，同时开展大气边界层探测和太阳辐射的监测等[73-74]。

建立霾的预警机制。有关部门应建立完善霾预测预警业务体系，健全极端不利气象条件下大气污染监测和预警体系，建立区域霾预警系统和应急响应方案[75]。

5.5 完善相关政策法规保障

完善相关的霾治理制度，强化约束激励机制。改革完善空气污染物排放标准、排污收费等环境管理制度，加大对霾污染事件的约谈和问责力度。生态环境、气象及有关部门应建立健全霾监测预警机制，区域内的地方政府之间应探索联合应对机制，促进区域间的霾协同治理[76]。对于高污染、肆意排放污染物的企业，进行严厉的惩罚或予以取缔；对于节能减排的企业，给予适当的奖励[77]。

完善相关法律法规，约束污染主体行为。从现行的污染防治法律来看，对于污染主体的处罚主要是以限额罚款为主，应在立法层面上加大惩处力度，提高罚款额度，并实行多种方式共同约束污染主体[78]。

引入受益者支付原则，兼顾效率与公平。当某一地区实际的减排超过其义务的减排量时，超额部分的治理成本由受益地区共同承担。在实行受益者支付原则时，可以通过建立区域治理基金或者通过财政转移支付机制，为区域合作减排提供经济激励[78-79]。

6 结论与展望

（1）近50 a 来，我国霾呈现总体增加的趋势，且持续性霾过程增加显著。霾在我国大部分地区均有明显的季节变化，年霾日数分布呈现东部地区多西部地区少的特征。

（2）人类活动是霾形成的内因，不利于污染物扩散的气象条件如逆温和弱风是霾形成的外因。霾的发生与城市化程度、气溶胶浓度、空气中的细粒子浓度、大气颗粒物中水溶性离子浓度等呈正相关关系。霾天气发生时气溶胶粒子的吸湿增长会显著影响其消光特性。

（3）霾导致的健康问题已成为我国当前重要的公共卫生问题；霾对交通安全影响很大，从而给经济社会发展带来较大影响。

（4）科学防霾是一项系统性工程，涉及区域防御规划的科学编制、统筹的协调机制、有效的减霾行动、有力的科技支撑、完善的政策法规保障等诸多层面的工作，应建立更具权威性、系统性、有效性及可操作性的霾影响公共安全的防治体系。

现有的研究大多将霾作为气象问题考虑，从环境和医学角度的研究还不多，未来需要加强大气科学、环境科学和医学等诸多领域的合作，有效定量评估各类环境因素与霾的关系。同时，应进一步探究霾的形成与扩散规律，分析各地霾产生的主要原因。此外，霾污染化学特性的时空变化特征、不同污染物来源对霾形成的相对贡献率等研究还有待深入。