水蒸气和水溶性离子排放对雾霾暴发的影响分析

4、水蒸气和水溶性离子对雾霾暴发的影响机理分析

衡量雾霾是否暴发，关键看PM2.5质量浓度。PM2.5可以是固态的，也可以是液态的[20]。细颗粒物中液态水的含量，影响颗粒物是雾还是霾的形态，不影响颗粒物质量浓度[23]。当细颗粒物吸湿长大、细颗粒物在空间范围内积聚浓缩时，都可以表现为细颗粒物质量浓度的上升。

4.1雾霾快速暴发的一种可能解释

雾霾暴发往往非常迅猛[45]。静稳气象条件下，排除输入颗粒物影响情况下，若存量颗粒物形态没有明显变化，不太可能在几个小时内出现PM2.5质量浓度快速攀升至重度污染水平。

雾霾快速暴发，可能存在这样的解释：在雾霾易发气象条件下，水蒸气排放快速推高相对湿度，大气中的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大；以湿态水溶性离子颗粒物为反应载体， 大气中的二氧化硫等常规污染物二次复合为新的水溶性离子，湿态水溶性离子颗粒物量积累增长；排放中的污染物大量生成湿态水溶性离子颗粒物。湿态水溶性离子颗粒物在接近地表大气范围内积聚，大气边界层高度变小，细颗粒物质量浓度快速上升，雾霾形成。

4.2雾霾易发气象条件下，水蒸气排放会快速推高环境的相对湿度

秋冬季环境温度降低是自然现象。工业过程产生的水蒸气排放量相对稳定，雾霾易发气象条件下，大的排放源能够迅速提高局部区域的相对湿度至较高值，高湿对雾霾的生成和保 持有着显著影响[23，46]；水蒸气排放对夜间相对湿度的影响尤为明显。

4.3大气中的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大，颗粒物质量浓度快速提高

当雾霾易发气象条件出现，特别是在水蒸气排放量大、能够提高并保持大气相对湿度在较高值的情况下，大气中已有的干态水溶性离子颗粒物吸湿长大成为湿态，堆积富集于较低 的大气边界层内，导致地表附近PM2.5质量浓度的快速上升。

在雾发期间，大气颗粒物主要是由吸湿性成分所组成，大气中大量的水蒸气凝结到这些 细颗粒物表面会起到降低大气相对湿度的效果，数量巨大的大气细颗粒物抑制了湿沉降的发 生，可能会导致大雾时严重的大气污染通常要持续相当长一段时间[47]。

4.4以湿态水溶性离子颗粒物为反应载体，常规大气污染物发生二次复合过程

吸湿后的湿态水溶性离子颗粒物表面积非常巨大，在大气中分布相对均匀，大气中二氧化硫能够迅速被湿态水溶性离子颗粒物内的液态结合水吸收并反应，在氮氧化合物的作用下，形成硫酸根[48]。二氧化硫转化为硫酸盐的转化率随着相对湿度的增高，量呈指数型增加。相对湿度小于20%时，转化率为0.1；相对湿度大于90%时，转化率为1.1[3]。

氨气能够二次复合生成铵盐湿态水溶性离子颗粒物[48,49]。中国华北区域的大气中，氨气呈现富余特征。碱性氨气很容易和硫酸、硝酸反应，生成铵盐。水溶性离子颗粒物中富含铵根等营养物、含湿量高的情况下，还可能发生细菌等微生物的快速繁殖，颗粒物质量浓度 快速增长[50]。

4.5排放中的污染物生成湿态水溶性离子

雾霾发生时，烟气污染物仍在排放中，烟羽中湿态水溶性离子颗粒物的生成排放量增大， 常规污染物的排放量下降。

4.6雾霾的生成会导致雾霾易发气象条件的进一步强化，直至大气中湿态水溶性离子的质量浓度趋于稳定

图 9 雾霾易发气象条件和雾霾发生间的双向反馈

湿态水溶性离子颗粒物大量产生，雾霾形成，新排放的水蒸气在比较低的大气边界层内扩散，地表的空气密度升高，大气边际层内的相对湿度进一步升高和保持。由于湿态水溶性离子颗粒物的消光作用[23]，大气边界层阻挡太阳光线照射至地面，地表温度低，大气的垂直层结相对稳定，地表形成逆温环境[12]，空气的上下间流动显著减弱。PM2.5质量浓度快速升高进一步加剧了雾霾易发气象条件的形成，造成一种雾霾生成和不利气象条件形成间的双向反馈[12]，图9中给出这种机制发生过程。当大气中新形成的湿态水溶性离子颗粒物量对PM2.5质量浓度的改变不再明显的时候，雾霾即趋于稳定。

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