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1、大气气溶胶的环境效应付培健 ( 兰州大学大气科学学院 兰州 730000)摘要：大气气溶胶在气候研究、污染气象与人体健康等领域是热点问题。针对这一问题已开展过许多观测研究和模式研究。但是由于气溶胶问题的复杂性以及对气溶胶的观测历史短,至今尚缺少全球范围的气溶胶系统观测资料,所以在这些领域尚缺少定量化的研究结果。根据国内外开展的研究工作和一些初步的结果，概述近期国内外对气溶胶的观测研究状况及结果,介绍了今后将要在这一领域开展的研究工作。关键词：气溶胶；气候变化；灰霾；大气环境 1 大气气溶胶特征气溶胶是指悬浮在空气中的，由固体和液体微粒与气体载体共同组成的多相体系。产生气溶胶的源很多, 沙漠地区
2、、干旱或半干旱地区裸露地面、火山喷发口、海洋洋面等都是自然气溶胶源，此外，人类活动也向大气排放大量的气溶胶。小粒径的气溶胶粒子（0.1- 10m）能在对流层中悬浮超过数十天, 在平流层中可悬浮一年以上；大于这一范围的气溶胶能对太阳短波辐射和长波辐射有较强的吸收作用, 但是在空中停留时间很短；小于这一范围的气溶胶其辐射效应也小。通常认为粒径在这一范围的气溶胶为稳定气溶胶, 产生主要的辐射效应。气溶胶粒子间的碰并和粒子与云滴、雨滴的并合是对流层中气溶胶清除的主要过程。另外气溶胶作为凝结核, 在过饱和的大气中凝结水汽形成云滴、雨滴, 也是对流层中气溶胶清除的重要过程。普遍认为对流层内的尘埃气溶胶(d
3、ust aerosol)对地球的冷却作用不是十分重要的, 因为它们在降水和核化过程中很快被清除。由火山喷发的硫化物在大气中产生硫酸盐气溶胶能达到对流层以上的平流层,因而对全球气候的冷却效应有较大的影响。激光雷达和卫星探测表明这类气溶胶层可由对流层顶( tropopause)向上伸至30km高度。这层气溶胶的消光系数与大气分子消光系数之比为2:6。这层气溶胶开始时，出现在热带上空对流层顶部和平流层中, 它们有比较固定的输送路线和清除过程。首先由上升气流带往中高纬度上空, 由核化过程、凝结过程或与其它气溶胶混合, 最后在中高纬度上空落入对流层中, 在对流层中很快被清除。这里还包含许多清除过程, 如
4、极地下沉涡旋流清除(polar vortex) 、沉降清除(sedimentation)、对流层云伸入平流层清除( cloud intrusions into stratosphere) 和由罗斯贝波驱动的对流层平流层交换过程的清除(isentropic transport)。2 气溶胶的气候效应气溶胶的气候效应，我们在文献1中已经有过一些讨论。近十几年来,对中国近海和西北太平洋地区沙尘气溶胶元素入海通量的国际观测项目,揭示了沙尘暴过程和气溶胶沉降与海洋藻类暴发事件之间的关系2，这也成为气溶胶在全球变化过程中作用的新内容。研究发现：气溶胶对海洋中的浮游生物的繁衍活动有重要的影响。沙尘粒子富含海
5、洋生物必需的N, P, Si等常量元素及Fe等微量元素, 能够增加海洋营养盐的输入, 刺激海洋生物的活动, 加强藻类光合作用, 促进海洋生物的生长繁殖。由源自中亚干旱区的沙尘暴将沙尘输送到数十公里的高空,大气环流又将尘埃输送到东亚沿海与西太平洋，为海洋中的浮游生物提供生存的必要营养盐；而海洋生物活动又影响全球的碳循环，从而对全球气候产生影响。这一研究成果使得对气溶胶间接影响气候的认识进一步深化。3 大气气溶胶与人体健康随着城市化的进程加快，城市机动车的剧增与煤炭消耗量加大，导致城市灰霾（PM2.5)问题日益严重。灰霾是指粒径小于2.5m的气溶胶粒子，即PM2.5，是大气气溶胶的细小粒径部分。灰
6、霾易于随大气而飘动，在大气中停留的时间长。今年1月北京等大城市出现持续大范围的灰霾天气，PM2.5浓度频频超过300m/m3，引发的社会广泛的关注。根据2012年9月中国科学院启动的战略性先导科技项目研究结果，北京地区PM2.5的主要来源为三个方面：机动车（25%）、燃煤（19%）以及外部输入（19%）。这个研究结果对其他的人口稠密城市也同样有意义。灰霾的组成成分及其复杂，大部分有害元素和化合物都富集在细颗粒物上。检测到的主要成分为硫酸盐、硝酸盐、铵盐、含碳颗粒（包括元素碳和有机碳。元素碳主要产生于高温燃烧过程，有机碳主要来自相对低温的燃烧过程）、重金属、地壳物质，微生物、毒素等多种有害物质。
7、对于大气中小于2.5m的颗粒物是可以深入人体肺泡并产生沉积，进入血液循环，导致与心肺功能障碍有关的疾病。PM2.5与人体呼吸系统疾病关系比较密切，直径越小进入呼吸系统位置越深。短期暴露即可诱发肺部疾病，如哮喘、急性气管炎、呼吸道感染。长期暴露会导致肺功能下降，慢性支气管炎等。医学观察表明：PM2.5浓度增加与呼吸道疾病患者人数增加显著相关，PM2.5的增加可引起儿童哮喘急诊室就诊率的增加。发表于国际权威医学杂志柳叶刀的“2010年全球疾病负担评估”报告，由50个国家、303个机构、488名研究人员共同完成。该报告指出：2010年细颗粒物（PM2.5）形式的室外空气污染，居全球20个首要致死风险
8、因子第九位，而在中国则为第四，仅排在“饮食结构不合理”“高血压”“吸烟”之后。报告还显示：在全球范围内，细颗粒物形式的室外空气污染所导致的公共健康风险，比人们以往认为的要严重得多，每年在全球导致320多万人过早死亡及超过7600万健康生命年（1个人减少1年寿命为1健康生命年）的损失；2010年在中国，室外空气污染导致120万人过早死亡及超过2500万健康生命年的损失。随着城市人口的增长、城市周边土地的开垦利用与荒漠化以及工业的发展都产生大量的气溶胶, 这一现象在局部地区是更加显著，如：工业城市、山区或河谷居民稠密区。这样的局部地区普遍存在着大气环境恶化现象，其上空的气溶胶浓度可以是远离人口稠密
9、区的3-10倍。4 气溶胶的观测研究气溶胶浓度的测定通常用称重法来进行，这国家环保局对测量大气中的PM10与PM2.5的规范测量方法。称重法的每次测量时间长，对于多点的连续观测比较困难。自19世纪末Aitkin计数器问世以来, 气溶胶测量技术方面有了突飞猛进的发展, 如激光计数器、光学辐射测量等等。对大范围的气溶胶观测，还有激光雷达、卫星遥感等。因为气溶胶的空间分布十分不均匀，所以光学辐射测量方法很难与称重法统一起来。一般与人体健康相关的环境监测使用称重法，而对整个气层的气溶胶的观测，采用光学辐射方法；对大区域范围的气溶胶的空间分布，采用雷达与卫星遥感方法。光学辐射、激光雷达等先进仪器价格昂贵
10、，难以广泛应用，目前只在科学研究的过程中，一定的局部区域范围内使用，常规环境监测则用的很少。此外，利用测量大气电导率的方法，也可以间接地推算大气气溶胶浓度。Twoney4分析了从18世纪以来在船舶上对大气电导率的记录的资料, 他把大气电导率转换为绝对粒子数浓度。利用电导率来推算粒子浓度，由于存在难以确定的物理量，如电离率、小离子迁移率和粒子的复合数等,准确的粒子浓度难以计算,但是粒子浓度相对增长数量的判断是十分可信的，可以用作气溶胶浓度变化趋势的分析。并且，对大气电导率的测量简便易行。太阳直接辐射与太阳光度计的资料，可以用来推算大气整层的气溶胶污染的状况。2010年我们分析了近四十年兰州市及其
11、他人口周密城市的日照时数资料，发现兰州与其他人口比较周密的城市，都存在日照时数减少的趋势。日照时数的减少意味着太阳直接辐射减少。造成这一现象的原因是城市上空的浑浊度增加，灰霾增加。在兰州进行的国家自然科学基金资助项目, 如:复杂地形上的大气边界层和大气扩散( 1989- 1991)、城市大气气溶胶辐射效应(1992-1995)等课题都考虑了气溶胶对城市气候的影响, 并有一些初步的研究结果, 如:山区易于使人为气溶胶堆积；气溶胶的浓度在100g/m3以上时地面太阳辐射就明显减少；当气溶胶浓度达500g/m3时,地面以上的400-600m 烟雾层可使地面太阳辐射减少30%；空中气溶胶吸收了太阳辐射
12、而增温,使大气不稳定性减弱,并使大气扩散能力变差,进而使山区上空气溶胶堆积加重。这种正反馈积累过程是山区或河谷城市的气溶胶污染的典型气候特征。在这一时期对兰州市污染大气的观测表明,兰州市上空600m厚度的烟雾层大气混浊度系数为0.357, 比烟雾层以上的大气混浊度系数大2.3倍, 市区上空整层大气光学厚度为0.87, 是无污染地区的一倍多。进入21世纪以来，兰州市加大对大气环境的治理，关闭搬迁了一些重污染企业，市内冬季的平均TSP浓度降低了一些，由上世纪90年代的500-700m/m3，到2010-2011年观测的400m/m3。分析自2006年开始实施的大气气溶胶的太阳光度计长期光学观测资料
13、，得到兰州市2006-2007年冬春季的气溶胶光学厚度仍在0.8-1.0之间。这说明了，虽然由重排放企业的TSP 减少了，但是，细小颗粒的气溶胶污染仍然十分严重。汽车尾气排放量的剧增与气溶胶光学厚度保持在高值密切相关。5 气溶胶在未来研究方向兰州市自上世纪70年代以后，大气气溶胶的污染问题长期十分严重。进入21世纪后，随着城市工业的布局调整、搬迁，TSP的浓度降低了一些。但是，人口的增加与机动车的增加，PM2.5的污染问题突出。考虑到当前的气溶胶对气候环境与人体健康影响的问题，提出以下两方面的研究方向。在每个方向上，都有一些相互关联的研究内容。（1）对气溶胶的成分的分析以及与相应成分的产生源、
14、大气过程的解析分析，这是研究气溶胶对人体健康的基础，也是研究气溶胶在大气中光学辐射等物理效应的基础；关于气溶胶在大气中的循环过程研究,包括各种输送过程与清除机制, 特别对平流层的气溶胶循环过程的研究尚待进行；对各类不同形态的气溶胶光学性质(如气溶胶的吸收、散射系数、折射指数等)的研究；气溶胶作为凝结核的核化作用以及与其相关的控制因素；气溶胶的各种物理效应在气候模式中的表示；评估导致气候变化的自然和人为因素；对整个气候系统的各种反馈作用以及气候系统的易变性和脆弱性的研究。 (2) 气溶胶颗粒物对人体健康影响的研究，这一研究对我国当前的城市化建设非常重要。特别是对细小颗粒物与人体健康关系,目前主要
15、运用多因素Logistic 回归模型,利用时间序列分析,采用暴露反应关系等方法。但是，对灰霾与健康关系的研究较少。当前所采用调查统计的方法,仍停留在定性化阶段。对于其他物理特性如质量浓度、数浓度、表面积等致病机理的研究还不深入，亟需加强。主要参考文献1 付培健等.探讨气候变化的新热点:大气气溶胶的气候效应.地球科学进展.1998,13(4),387-392.2Zhang J. Atmospheric wet deposition of nutrient elements: Correlation with harmful biological blooms in northwest Pacific Coastal Zones J .AMB IO, 1994, 23 (8):464-468.3 Twoney S.Atmospheric Aerosols( 中译本). Amsterdam-Oxford-New York Elsevier Scientific Company, 1977. 185-188.