2014-04-28 wy.xl

赵老师：

您好，我仅是环保监测系统的普通人员，现在做空气自动站的维护和数据分析。对气象、霾也是边看找问题边查东西，只是感觉现在方向不大对。认为霾这个问题是在自然界一定是最简单的原因。这是这两天加的气象和尘暴里的指数。我试着给几个人发了这些东西，希望大家能早是找出根本原因，早些解决。多一个想法，多一份力量，才多一份希望。

2014-04-23 jianming1980@tom.com

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您好：来信收悉。对于气象学和空气动力学，我的知识也很贫乏，有些问题愿意和您一起探讨。霾的成因很复杂，您所说有一定道理。但实际上霾，特别是湿（雾）霾发生的气息条件与沙尘暴是截然相反的。这个问题还需要进一步研究。

如果您不介意的话，我将在博客里公布您的来信，以便更多人讨论

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2014-04-23 16:32:26,wy.xl:

赵老师：

您好，这是我这段时间对霾及相关因素的理解和分析，传达信息的目的是想早日解决这个问题。

霾不单是环保危机更是生态灾难

霾是大面积低强度的尘暴混杂局部的燃煤、汽车尾气污染。目前国家治理重点不应是环保，而是自然生态恢复。

高的颗粒物浓度改变气象，造成一个低的大气稳定层结。

1 认识和理解霾

1.1单纯的雾不造成空气污染指数的升高

现在很多监测系统使用的先河公司的细颗粒物采样设备，采样器带切割器，采样管带加热系统。

环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出，颗粒物吸附在滤膜上，当β射线通过附着颗粒物的滤膜时，射线的能量衰减，通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。

空气中水会通过滤膜，每个监测点在大约一分硬币面积的区域45分钟通过742升的空气，单纯的雾不会在纸带上留下质量。

1.2 霾的规模

1.2.1地面监测

研究河北省环保厅的“河北省空气质量自动发布系统”上面的数据，霾严重期间，即便北方临海城市，或很远的县城、山城都有同样高的PM2.5浓度。

1.2.2卫星图

从这张NASA的卫星图上，可以看出霾的影响范围之广，所以必须从很大的区域分析，找出更有共性的东西。如果仅从单个城市的能源结构、污染源、大气层结分析，不大可能得出答案。

1.3 霾的质量

霾出现时单位面积(1平方公里)，500米扩散高度（一般不会超过1500米高度）空间，PM2.5浓度为500微克每立方米（2014-1-16北京数据），空气中细颗粒物的量：1000×1000×500×500/1000/1000/1000=250kg。

一台20吨燃煤锅炉（每小时的蒸发量为20吨，每天燃煤量为80吨），标况流量30万，颗粒物实测浓度100毫克每方（标准为50，本例为超标一倍排放），一天的颗粒物排放量为72kg，颗粒物中30%为PM2.5粒径，则细颗粒物排放量为22kg/天。

将区域内所有污染物排放（燃煤、汽车尾气、扬尘等）折算成这样的锅炉，假设五天内达到这样的霾浓度，则在霾发生的区域需要每平方公里2台这样的锅炉。

这也就是说，要发生严重的霾，在整个区域内，每平方公里2台20吨的锅炉，连接超标排放五天，每平方公里消耗煤800吨煤才能达到这样的规模。

这是不可能的事实，因为发生霾期间任何污染源不可能有这样的排放规模。

理解霾严重发生期间空气中细颗粒物的规模，就不难理解“重污染日预警应急方案”许多限行、减排，降低污染物排放量措施基本不见成效的原因。

1.4 霾中细颗粒物的产生

很多人对上图中二次无机气溶胶形成及汽车尾气贡献率有争议，但仍告诉我们细颗粒物来源于燃煤、汽车尾气、扬尘、工业污染及二次无机气溶胶。

1.5 不利气象

普遍认为，当大气中聚集了一定数量的污染物，太阳光照不透了，部分热量耗散在空气中，导致上层变热。地面的阳光更少了，地面冷、上边热，下边重、上边轻，在一定气象条件下：近地面风力小、大气层结稳定时，空气中污染物的扩散条件差，形成积聚效应。

必须明确，不利气象只会造成空气中污染物浓度的增加，不会改变污染物的总量。

2 数据分析和问题的提出

一方面，研究证实细颗粒物来源中人类污染物占主因，另一方面计算统计得知现有污染源不可能在短时间内或持续造成如何大规模的霾。两个论点互相矛盾。

如果仅考虑公众健康，如果将细颗粒物浓度控制在非常安全的水平，如WHO建议PM2.5年平均浓度为10μg/m3；日平均浓度为25μg/m3。按目前的治理思路，需消减90%以上的污染物排放量，减少90%燃煤、汽车、烹饪油烟，似乎是不可能的事情。

通过亚洲空气质量网站（aqicn.org）可以查询全球许多国家的实时空气质量，我国北方城市和美国、欧洲主要城市对比，可以看出，二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧水平相当，仅是PM10和PM2.5高的多。

一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、臭氧浓度反映当然燃煤、工业源、汽车尾气等人类活动污染物的排放水平，通过这些可以证明燃煤、工业源、汽车尾气并非造成霾的直接原因。

从这个角度来看，可以排除地理、气象、燃煤、工业污染源、汽车尾气等问题。

同时也说明中国现在霾的问题仅是细颗粒物、颗粒物的问题。

那问题就很明确，为什么现在中国北方一年四季有这么高的颗粒物浓度。

那就需研究细颗粒物的净化机理。

3 细颗粒物的自然净化和反净化

3.1 普遍认识

介绍霾污染形成的简图蒋大和

普遍认为净化机理是干湿沉降。干沉积只发生在地面，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，因此从大气中“清除”。

现在我们要考虑的是地表的净化进程。

3.2 自然净化机理

3.2.1自然界中的细颗粒物

自然界亿万年来产生过巨大的细颗粒物排放量，包括火山爆发、森林大火等，但现在自然界空气中细颗粒物的本底值很低（3-5微克/立方米），似乎亿万年从未产生过。这些数量巨大的细颗粒物到底在哪儿？

3.2.2细颗粒物是地球生态系统中必不可少的一部分

自然界演化过程中，产生的细颗粒物成为土壤的基本组成部分，同矿物质、有机质、土壤微生物等组成动植物赖以生存的物质基础。

来自欧亚大陆内部的细颗粒物穿越大洋来到夏威夷群岛，使立在海里的巨型岩石――夏威夷，成就了无限生机和希望的肥沃土壤

土壤是一个复杂的系统，它由固相、液相和气相物质及各种各样活的有机体组成。正常情况下多孔的土壤对这种很小的颗粒物有很强的吸附力，同时植被下方的土壤是一个完美的微生物群落，能将这些尘埃转化为土壤，完成净化过程。从这个角度来说，细颗粒物并非“污染物”。

土壤的细颗粒物净化能力受温度、有机质含量、微生物等条件限制。

土壤可以通过吸收细颗粒物在一定条件下不断“成长”，但这个过程是可逆的，逆向过程就是土壤沙化。

3.3土壤沙化和沙尘暴

“土壤沙化”是土地沙漠化的一种具体表现形式，通常是土壤遭受水力、风力或者化学侵蚀后，土壤中的粘粒流失，剩下粗粒物质，发生土壤结构破坏、功能退化的过程。

沙尘暴、美国黑风暴是土壤沙化一个最直观、最强烈的表现形式。

沙尘暴天气主要发生在冬春季节这是由于冬春季干旱区降水甚少, 地表异常干燥松散, 抗风蚀能力很弱, 在有大风刮过时, 就会将大量沙尘卷入空中, 形成沙尘暴天气。

土壤风蚀是沙尘暴发生发展的首要环节。土壤含水量是影响土壤风蚀的重要原因之一。

沙化的过程必带来细颗粒物、颗粒物、有机质、微生物、无机化合物、金属盐类等土壤构成物的释放。

3.4 低烈度的无风型沙尘暴

当土壤含水率持续降低，土壤不能维持胶团结构，微观状态太阳辐射、大气压变化引起的风使土壤胶团发生结构性瓦解，土壤构成物会不断向外释放。这个进程是自然界最基本的规则。

太阳辐射、地表温度、植被影响土壤含水率，风、土壤含水率、土壤有机质含量、土壤微生物数量及活性影响土壤沙化进程。

这是在尘源地的表现形式，即使无风时也会有持续的较高浓度的细颗粒物释放。

14-4-25通过aqicn.org查询的甘肃沙尘暴各点指数。

4 尘暴

4.1华北地区的尘暴

华北地区近几十年来地下水下降很多，过量的使用化肥、化学杀虫剂、灭草剂，造成表面土壤中微生物数量大量减少，有机质含量下降，耕地土壤环境质量堪忧，同时近几年降水偏少，土壤沙化进程明显。

近几十年，土壤吸收的大多为人类排放的污染物，所以沙化过程中首先释放的就有可能是这些物质。

土壤的这些释放物包含了人类历史排放物，加上当前燃煤、工业源排放物、汽车尾气等细颗粒物，同时吸附一些气态污染物及可能的反应，构成了现在空气中细颗粒物的复杂状态。

净化和沙化是逆向过程，沙化过程快，而净化过程可能有更多限制条件和更多时间。

土壤一方面是细颗粒物的净化源，另一方面也是污染源，两方面互相竞争。

华北每年六一和十一前后，收割小麦和玉米，植被下土壤突然暴露，强烈阳光的紫外线破坏土壤结构，表层土壤含水率下降，沙化进程明显，所以那时霾现象开始明显。

冬春季节，地表植被稀少，当缺少降水，地下水位又太低，会引起持续的沙化，造成细颗粒物浓度很高。

夏季，当雨水充足，植被旺盛时，微生物活性高，但当时的细颗粒物本底值又不是很低，说明当时向环境排放的细颗粒物总量超过环境本身的自净总量。

4.2 霾不单环保问题更是生态危机

霾中细颗粒物对人体有害，却是土壤中的“精华”，持续的霾预示着土壤养分的流失，沙化进程的加速。

在本地源排放颗粒物不是很大的情况下，区域细颗粒物月均值或年均值可能更能反映当地土壤沙化程度（或净化能力）。

在采暖期期间，某些燃煤城市表现出煤烟型污染，夏季表现光化学污染，但在华北区域表现为全年细颗粒物浓度高，在冬春更为明显。

通过上表对比可知，与各污染事件最相似的是尘暴，类似甘肃的沙尘暴。而华北的霾事件更像是低强度的尘暴，尘暴源就在华北本地。

4.3 根本原因

富含有机质的土壤是吸收固定细颗粒物的主体，它决定细颗粒物的净化总量。但现在这种土壤变少了，土壤净化总量减少。

净化霾不是用水，是富含有机质的土壤。

国土中最大面积的农田则由于地下水下降，过量的化肥、化学杀虫剂、灭草剂，造成表面土壤中微生物的大量减少，土壤质量堪忧。

空气中的霾是看的见的病，但深层次的原因是整个生态系统的破坏：对土地资源的不断开垦，森林的不断减少，过度开发土地，地表水枯竭、致使土壤风蚀严重，连续不断的干旱，更加大了土地沙化现象。人口的快速增长带来不合理的农垦、过度放牧、单一耕种，这些现象必然导致植被和地表结构的破坏，使土壤退化、土地沙化、生态系统失衡。

同时局部过大的燃煤、汽车污染源排放量使污染类型更复杂。

4.4 危机与启示

      持续、过高的颗粒物浓度是不可接受的。

4.4.1气象

当空气中细颗粒物积聚到一定数量，达到一定浓度，则太阳光到达地面的辐射减少，低层大气温度变低，上层颗粒物层由于浓度的增加开始吸收过多的热量，温度变高，逐渐就会形成一个近地表的大气稳定层结。这会制造出人为静风天气。

空气中颗粒物浓度很低时，太阳光直射地表，正常温度及对流、辐射。

空气中颗粒物浓度达到一定浓度，到达地面的辐射减少，地表温度较低，同时上层吸收热量，温度变高，大气对流变的不强烈，这个颗粒物对流层高度变低。

颗粒物达到一定浓度，与上次大气出现明显分层，结构像整个地表上面有一定深度的湖水，湖面上面是正常的对流层，湖面上层温度高，湖面下层则由于辐射不能到达温度低，出现稳定的逆温层。像常说的扣在城市上空的“大锅盖”。浓度、高度、辐射、对流互相影响，互相加重。

这也就是很多人感觉现在风比原来少，却认为是城市有高楼遮挡的的原因。

这种“稳定”的大气层结在一定情况下可能是最不稳定的。在四五月份，太阳辐射变强，这个人造的大气层结上空变得过热，能量在此聚积，正常情况下辐射到地表，携带水分形成对流，是能量释放的过程，而这个人造的大气层结上半部分强大的能量可能是不稳定，在某些情况下可能会造成严重的灾害天气。

同时，近地表少了强对流，空气中水分及污染物（冬季的二氧化硫和夏季的臭氧）不容易稀释和扩散，更易造成局部污染的加重。

4.4.2微生物

空气中过多的颗粒物，在温度、湿度合适时，更易携带病菌，造成病毒在空气中的传播。

4.4.2生态

现在整个华北平原地区，几乎没有地表水资源，再加上很低的地下水水位，自然生态几乎完全崩溃，农田更像是人类手中花盆，必须完全依赖于正在枯竭的地下水资源和现代工业的化肥。

空气中的细颗粒物是肥沃土壤的流失，是土地沙漠化的前兆。

5 论证

细颗粒物来源于地表，就可以解释如此巨大的排放量，以及硫酸盐、硝酸盐、铵盐、重金属、微生物、有机质的问题。因为这些物质都是土壤的成份，包括常用化肥的成份。

清华大学研究发现雾霾中藏有1300种微生物，在这些微生物中，细菌占八成以上，真核生物占一成多，另外还有少量的古细菌和病毒。经过比对后发现，这些微生物很多也存在于土壤或水源中。

细菌是土壤微生物中分布最广泛、数量最多的一类，占土壤微生物总数的70%～90%。清华大学的研究从侧面证实霾中细颗粒物从土壤中来，因为空气中不可能有如此众多数量及完整种群结构的微生物群落。

2006年，美国《发现》月刊刊文指出，国际悬浮微粒表征实验考察了2001年跨越太平洋的沙尘云团的轨迹和矿物成分，研究结果显示，沙尘还携带着污染物，包括煤烟和酸性气体等，沙尘可能会携带杀虫剂、除草剂、放射性同位素和重金属等。文章还说，沙尘所载的细菌、病毒和真菌在绕地球半周后仍然可以存活。

同时一些研究学者对PM2.5中金属元素分析也可以侧证与土壤金属有很大相关性，这也能解释雾霾发生时，细颗粒物增多，氡的监测值会增加。

很多研究证明雾霾的主要污染物有多环芳烃，而多环芳烃与土壤有机质呈显著相关性。

现在进行的细颗粒物来源解析结果，只能证明霾期间细颗粒物大部分产生自人为污染物排放，但通过这些证据可以证实细颗粒物释放自土壤。

也就是说，霾中人类污染物来源于过去污染物的积累，并在短期内的释放。

现在解析细颗粒物来源时，“扬尘”占不少比重，很多人解释为道路或工地，现在看来应是土壤源。

在很多时间，即使无风，很多人感觉停放一两天的车上有很多的尘，这也是土壤释放构成物时粒径较大的颗粒物。

英国《每日电讯报》2014年4月2日报道称，污染和撒哈拉沙尘暴正在肆虐英国大部分地区，有些地方的污染等级达到“极高”。政府已发出健康警告，提醒老人、心脏病或肺病患者避免户外剧烈活动。此次污染主要来自英国和欧洲的污染排放以及撒哈拉的沙尘暴，英格兰中部、南部和东英吉利地区情况较为严重。

美联社2日称，英国南部本周遭受罕见的雾霾及“红雨”天气，民众惊奇地发现车辆和房屋天窗上蒙着一层红色尘土。英国环境、食物及农村事务部发言人称，这种奇怪现象是来自撒哈拉的沙尘混合了当地的空气污染物所致。气象专家解释说，非洲北部的强风将撒哈拉沙漠的尘土带往欧洲，当这些沙尘飘到英国上空时，由于风力减弱等因素，沙粒随降雨落到地上。英国媒体将这种天气现象称为“血雨”。

与国外这些污染和北京春季遭受的沙尘暴不同，北方目前的常年高浓度颗粒物则是由于本地沙化源。

像现在的华北平原，北京，与国外城市对比最明显的是没有地表河流，过低的绿地面积，森林面积，过高的土地开发率。

6反思及对策

6.1 转变治理思路

伦敦的或美国一些城市出现燃煤或光化学污染的和现在我们遭遇的本质一点不同是影响范围，对方只是一座城市，像是伦敦，仅是由于大量烧煤引起，出现的范围没有出现在郊区，或是农村。现在我们的霾不是北京的，不是河北省的，而是更大范围的，包括周边的不发达城市，农村，从卫星图上更能清楚的看到这一点。

有时一两个冒黑烟的照片，一些污染企业很容易把空气污染问题引向它们，但考虑排放量、区域污染物浓度则会排除这些原因。

目前一些城市采取的压减燃煤、控车减油、治污减排、清洁降尘、重污染应急等措施仅是控制工业污染源，未能控制土壤沙化源，更没有提高环境净化能力，所以效果可能很差。

中国霾，是沙尘暴的演化，更像是美国三十年代黑风暴的一次翻版。

6.2治理细颗粒物战术和战略问题

不能着眼于一两座城市，现在的尘暴是华北或北中国的情况，所以必须将治理重点转向全面的生态治理。

从全局角度，建立更加完整的生态及水土保护法，以恢复区域生态环境为目标，建立国家级的环境生态规划，重建农田生态，恢复地表河流，建立大的生态环境保护区。

对农田，采样国家补贴等多种形式休耕，轮耕，提高有机肥使用率。

在城市，则以保护绿地中的土壤为目标，加强中水回用、雨水回用等措施，夏秋季节最大限度的储存水资源，提高地下水水位。在道路两侧，建立以水土保持为目标的防护带。

7验证实验

设想一密闭玻璃容器，里面放置一支点燃的香烟，可以想象烟雾环绕，并可以持续很长时间，里面再放一盆果园里的土壤，相信烟雾最终会消失。但如果这盆土壤开始失水，最终黑色的土壤会变成一堆粉尘，所吸附的细颗粒物及其它物质会全部释放出来。

或者取农田土壤，先烘干，气流扰动，测量细颗粒物、有机质、微生物等即可。

8 引用

1亚洲空气质量http://aqicn.org/

2河北省空气质量自动发布系统”（http://121.28.49.85:8080/）

3问诊中国雾霾---专访中科院大气物理研究所研究员王跃思

4不同土壤类型多氯联苯土壤残留特征变化分析_崔嵩

5多环芳烃（PAHs）在土壤-植物系统中的环境行为 占新华

6严重雾霾天气中北京PM2.5与PM10污染物中的可吸入微生物 朱听

7部分城市空气中颗粒物的元素组成比较 胡伟

8 介绍霾污染形成的简图 蒋大和

9尘暴的可持续性治理以1930年代美国大平原南部生态恶化为例 秦文华

10沙尘暴地球不可或缺的部分

11土壤生物多样性及功能

12郑州市高新区大气颗粒物PM_2.5中金属元素分析及污染源解析耿柠波

13易沙化土壤20万公顷三江平原敲响沙漠化警钟

14农田沙漠化过程中土壤有机碳和氮的衰减及其机理研究苏永中

15我国沙尘暴治理任重道远董治宝

16从美国西部大平原黑风暴的控制途径论中国北方沙尘暴的预防对策杨俊平

17 沙尘来袭：南疆沙尘天是北疆20倍沙尘含细菌病毒

http://xj.people.com.cn/n/2014/0404/c188514-20926942.html

18 北京水土流失现状或为全国缩影

 http://www.zgswcn.com/2013/1216/290975.shtml

19 北京大规模建设加剧水土流失

http://finance.chinanews.com/cj/2013/11-22/5533889.shtml