说说“污染气象学”（2）---- 污染物在大气中经历的主要过程

雾霾生命周期涉及的各个过程，是“污染气象学”的基础知识之一。12月20日写的博文说到各个过程的具体说明，在经典书籍里都可以查到，如P. Pasquill and F. B. Smith的Atmospheric Diffusion, 1983年第三版, 出版商为Erllis Horwood Limited。又如李宗恺，潘云仙，孙润桥的《空气污染气象学原理及应用》，1985年第一版，气象出版社。较新的教材有《空气污染气象学教程》，蒋维楣、孙鉴泞、曹文俊和蒋瑞宾编著，2004年第二版，气象出版社。但因为是教材，内容相对简单些。

污染物在大气中经历的主要过程如图：

图中：

混合层（Mixing layer）和行星边界层的含义相似，特指污染物主要在该层内输送扩散。混合层厚度由气象条件决定。一般情况下，夏季最厚，可达2000-3000米；冬季最薄，可以只有几百米。在其顶部空气的垂直运动几乎可以忽略，因此混合层内的烟气很难越过顶部进入“自由大气”。但混合层顶不是刚性的，而且高度随时间变化，因此有部分烟气会“逃逸”离开混合层，进入“自由大气”。这部分逃逸烟气有可能被输送长距离，甚至不再回到地面。

（注：“混合层”也可以称为“大气边界层”或“行星边界层”，只是最贴近地面的薄层。是“对流层~Troposphere”的最低层。对流层在中纬度约10公里高，上面是“平流层~Stratosphere”。如果坐飞机，大部分时间是在平流层内飞的，长时间在对流层内飞机会颠簸，乘客受不了。另外，臭氧层在平流层内，中心约25公里高）

主要过程包括：

1、初始阶段，因为烟气物理性质（速度和温度）和周围空气不同而发生

烟流抬升（Plume rise）特指烟囱排放的烟气，可能有初始的垂直速度和高温，因此有一个（力学和热力学）抬升过程。抬得越高，造成地面浓度越低。和烟囱本身高度一起，是评价该“高架”点源排放烟气环境影响的重要参数。烟囱口排出的气态或颗粒态污染物属于“一次(Primary) ”污染物。

2、输送过程

平流输送（Advection）指较大尺度的盛行风对烟气的整体输送。

湍流扩散（Turbulent diffusion）指小尺度的湍流使烟气向四周扩散。

化学转化（Chemical transformation）指烟气进入大气之后经历的各种化学反应过程。气体和气体反应称为均相反应，其他都是复相反应。我们关心的“二次颗粒物（Secondary）”，就是通过化学反应才产生的。和酸雨和雾霾相关的主要是二氧化硫和氮氧化物经反应生成硫酸滴、硝酸滴、硫酸盐和硝酸盐。

云过程（Cloud processes）污染物可以混合进入云雾中，并经历化学反应过程（大都是复相反应）。吸湿性细颗粒物是参与雾滴和云滴生成的重要角色。称为“凝结核~CCN”。洁净的水蒸汽不容易凝结，有了凝结核能促进成雾成云。

蒸发（Evaporation）指一定气象条件下，云滴会被蒸发，包含的气态和颗粒态污染物会回到空气中。值得注意的是，有的高积云（对流云团）可以直上穿过“对流层（Troposphere）顶”进入“平流层（Stratosphere）”。空气污染物可能通过高积云顶的蒸发进入“臭氧层”导致臭氧层被破坏。

3、清除过程：

重力沉降（Gravitational settling）指尺度比较大的粗颗粒物，即PM10中尺度大于2.5微米的颗粒物，及大于PM10的颗粒物，因为重力下降到地面。重力沉降过程在全空间发生。PM2.5等细颗粒物因为空气阻力等原因，一般不考虑它们的重力沉降。

干沉积（Dry deposition）只在地面附近发生。因为污染物和地表接触，发生吸收和吸附使污染物停留在地面，不再介入输送，因此被从大气中“清除”。干沉积的强度由污染物性态（气态/颗粒态，颗粒大小，组分）、地表性态（土面、草地、农田、森林、湿地、水面、海面。。）和地表附近空气流动状态（有风、强风、湍流。。）决定。

湿沉降（Wet scavenging）指降水过程（雨、雪、雹）清除污染物的过程，又可再分为雨洗和淋洗。

雨洗（Rainout）指雨滴（雪、冰）离开云底之前，已经含有（凝结核和在云过程中进入的）污染物的被清除。

淋洗（Washout）指雨滴（雪、冰）离开云底之后下降，通过污染空气时又吸收吸附的污染物的被清除。

关于这些过程的讨论和研究，是从空气污染发展到一个新阶段~酸雨~时得到重视的。酸雨问题在上世纪60年代被发现，70到90年代进入研究高潮。形成酸雨的主要“前体物（precursors）”是二氧化硫和氮氧化物和细颗粒物：硫酸盐和硝酸盐。二氧化硫和氮氧化物寿命较短，除了被“清除”外，还大量经历化学转化形成二次颗粒物：硫酸盐和硝酸盐。这些细颗粒物能经历长距离输送，及至跨国界。曾经受到国际（北美，西欧，以及东亚）各国的密切关注。之后发达国家改善了能源结构，北美和西欧的酸雨争论淡化了，虽然我国酸雨严重，但输送到邻国的证据仍然不足。

湿沉降是非常有效的清除机制，但也是有效率的，涉及降水类型和“雨滴谱（大小分布）”和污染物的性态，以及降水强度和持续时间。但是，对于大范围的雾霾，不仅污染物不断地继续排放，而且降水区域未必能覆盖。因此大量污染物被风吹（平流输送）和散布（湍流扩散）到别的地方。像今年华北华东12月上旬的大范围雾霾，很少降水。12月16-17日虽然降水了，但雨带主要在长江以南。因此大量污染物被输送到东海再被清除的可能性很大。

湿沉降和干沉积十分复杂，涉及繁杂的计算公式和观测数据。关于干沉积，查了一些资料，对于最简单的轨迹模式，曾见到二氧化硫和硫酸根的干沉积速率，分别取为0.008m/s和0.002m/s。即细颗粒物干沉积效率常低于气态污染物。

湿沉降和干沉积的研究仍然得到国内外的重视，在核事故和燃煤排放汞污染的大气输送扩散问题中显得特别重要。

道歉：

李芳军博主几天没上科学网了，今天早上（24日）发email告诉我，在我12月20日博文“霾”的生命周期。。。最后去哪里了？中引用的那张图并没有显示雾霾。所以，我用该图企图说明雾霾可能被海洋“干沉积”是完全错了，外行，没有征得专业人士的确认。图中沿海的土黄色，可能是泥沙流入海洋，冲积起来的颜色？。。。。不过海洋面积广阔，作为雾霾的最后归宿的想法，我觉得说得通的。