第一篇 绪论
　　第一章 大气污染背景知识
　　大气污染是指自然过程或人类活动使某些物质扩散到大气中，并超过环境所能允许的极限，从而对人们的生活、工作、身体健康、精神状态、财产及生态环境造成影响。随着比利时马斯河谷烟雾事件、美国洛杉矶光化学烟雾事件、英国伦敦烟雾事件等大气污染事件的相继发生，大气污染问题日益受到各国政府的重视，并成为全球关注的环境问题。本章将重点关注人类活动，介绍人类活动所导致的大气污染背景知识，包括大气污染的来源与类型、大气污染的区域传输与经济关联特征、大气污染的危害。
　　第一节 大气污染的来源与类型
　　造成大气污染的两大因素为自然因素和人为因素。自然因素包括火山爆发、森林火灾、岩石风化等，人为因素包括化石燃料燃烧、工厂废气、交通工具尾气的排放等。根据影响范围及污染物化学性质等方面的不同，大气污染可以被分为不同的类型。本节将对大气污染的来源与类型进行介绍。
　　一、大气污染的来源
　　大气污染的来源是指向大气排放足以对环境或生物的生存发展产生有害影响的物质的自然现象或生产过程。基于大气污染的研究与防治需要，大气污染的来源被分为自然污染源和人为污染源两类。
　　自然污染源是指由于自然现象发生而向环境排放污染物的污染源。自然污染源排放的污染物主要有森林火灾排放的二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO），火山爆发产生的硫化氢、二氧化硫（SO2）、火山灰颗粒物，森林植物释放产生的萜烯类碳氢化合物等，这些污染物质会参与大气循环及化学反应，产生二次污染物，进而直接或间接地污染大气。自然因素所造成的污染持续时间短、影响范围小，且具有不可控性，通常所说的大气污染问题多指由人为污染源排放引起的大气污染。人为污染源是指人类活动过程中向大气排放一次污染物的场所、工具、设备等。人为污染源通常分为三类，即工业生产污染源、交通运输污染源、生活采暖污染源。
　　工业生产污染源是指工业生产过程中通过向大气排放污染物而对大气环境产生有害影响的生产场所。工业生产排放的污染物中包括化石燃料燃烧所产生的烟尘、SO2、CO、苯等物质。尤其是火力发电厂、钢铁厂、炼焦厂及石油化工厂。此外，还存在其他污染物，而具体的污染物排放会随企业生产性质的不同而不同。例如，化肥厂会向大气中排放硫酸气溶胶、氟化物、氨，仪表厂和灯泡厂会向大气中排放汞和氰化物，造纸厂会向大气中排放硫醇、硫化氢等。这些污染物不仅会直接进入大气循环，还会通过化学反应产生二次污染物污染大气。工业生产污染物排放属于点源排放，排放量大而集中，浓度高且短时间内难以被大气稀释。1930年，比利时马斯河谷工业区的工业生产排放的有害废气及粉尘在河谷中难以扩散，导致几千人中毒发病，63人丧生，为同期正常死亡人数的10.5倍，心脏病、肺病患者死亡率增高。这就是著名的八大公害事件之一——比利时马斯河谷烟雾事件。
　　交通运输污染源是指交通运输过程中会向大气排放污染物的交通运输工具。交通运输过程中排放的主要污染物有 CO、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物、SO2、铅化合物、苯等。中国交通运输排放的污染物约占大气污染物总量的25%[2]。2020年，全国机动车四项污染物排放总量为1 593.0万吨。其中，CO、碳氢化合物、NOx、颗粒物排放量分别为769.7万吨、190.2万吨、626.3万吨、6.8万吨[3]。交通运输排放源属于移动污染源，因为交通工具有一定的移动轨迹，其排放量小而分散。在燃油燃气交通工具保有量较多的区域会造成较为严重的大气污染。20世纪40年代到 70 年代初在美国洛杉矶先后三次发生的光化学烟雾事件就是由交通运输污染源排放造成的。美国洛杉矶光化学烟雾事件造成全市约四分之三的人患喉炎等呼吸道疾病，400多人因呼吸衰竭而亡。
　　生活采暖污染源是指居民在做饭、取暖等活动过程中向大气排放污染物的炉灶、燃气炉等设备。民用生活炉灶和采暖锅炉需要消耗大量的煤炭、柴薪、秸秆等碳基燃料，尤其是在冬季取暖期。这些燃料在燃烧过程中会释放大量的 CO、CO2、SO2、NOx、有机化合物、烟尘等有害物质污染大气。中国生活取暖污染物排放约占全国污染物排放总量的 17%。生活采暖排放源属于面源污染，家庭炉灶等设备往往分布广、数量大，并且烟气排放高度低，导致烟气在较长时间内弥漫于居民住宅区，是低空大气污染的重要污染源。1952年冬季，正处于大量燃煤期的伦敦，排放的烟煤粉尘蓄积不散，致使许多人呼吸困难、眼睛刺痛，仅四天就有 4 000 多人死亡。这就是伦敦烟雾事件，此次污染事件推动了英国环境保护立法的进程。
　　二、大气污染的类型
　　根据研究与治理大气污染的需要，大气污染的分类有不同的标准。目前应用较多的分类标准为大气污染的影响范围、燃料类型及生产性质和污染物的化学反应特性。
　　根据大气污染的影响范围，可以将大气污染分为局部型污染、区域型污染、广域型污染及全球型污染四类。局部型污染局限于小范围区域，如化工企业生产排放所造成的直接影响；区域型污染涉及一个地区的大气污染，如冬季使用家庭炉灶或其他取暖设备的地区受到的污染；广域型污染的影响范围更大，拓展至大城市群层面，如京津冀地区出现的灰霾；全球型污染涉及跨越国界甚至会影响到整个地球大气层的污染，如臭氧层空洞。
　　根据燃料类型及生产性质，可以将大气污染分为煤炭型大气污染、石油型大气污染、特殊型大气污染及混合型大气污染四类。煤炭型大气污染是由煤炭燃烧造成的，主要污染物包括来自工业企业、家庭炉灶等取暖设备的烟气、粉尘、SO2及由其通过化学反应生成的硫酸、硫酸盐类气溶胶等。石油型大气污染是由石油燃烧造成的，主要污染物包括来自交通运输、石油冶炼及化工等活动产生的二氧化氮、烯烃、链状烷烃、醇、羟基化合物及其在大气中形成的臭氧、大气自由基等。特殊型大气污染是指由工厂排放的特殊气体造成的污染。这类污染常属于局部型污染。例如，生产农药的企业排放的特殊气体引起的氯气污染、水泥生产厂周围形成的水泥尘、烟尘污染等。混合型大气污染是由以煤炭、石油为燃料的污染源排放及工厂企业的各种化学物质排放造成的。排放出来的污染物还会通过一系列物理化学反应生成二次污染物。这些污染物会在大气动力系统的综合作用下形成高浓度污染，并在大范围区域间传输。日本横滨、川崎等地区发生的污染事件就属于此种污染类型。
　　根据污染物的化学反应特性，可以将大气污染分为还原型大气污染和氧化型大气污染两类。还原型大气污染多发生于以煤炭为主要燃料的地区，主要污染物包括SO2、CO及颗粒物。在温度低、湿度高、风速小，并伴有逆温存在的阴天，这些污染物容易在低空聚集，形成还原性烟雾。1952年发生的20世纪十大环境公害事件之一——伦敦烟雾事件就是典型的还原型大气污染。还原型大气污染又名煤烟型大气污染。氧化型大气污染的主要一次污染物包括CO、NOx及碳氢化合物，主要来源于汽车尾气，还包括燃油锅炉及石油化工企业等。它们不仅会直接污染大气环境，还会在太阳短波光作用下发生化学反应，产生醛类、臭氧、过氧乙酰硝酸酯等二次污染物。这些污染物具有极强的氧化性，对人类眼睛黏膜组织有强刺激性。在1940年至1960年发生的洛杉矶光化学烟雾事件就属于此类情况。氧化型大气污染又名汽车尾气型大气污染。
　　第二节 大气污染的区域传输与经济关联特征
　　城市、省份、国家都有边界，但是大气污染没有边界。温度分布会影响大气运动，而大气运动对大气污染物有着整体传输和稀释扩散的作用。一个地区上空漂浮的污染物可能来自本地生产，也可能来自异地生产，这就是大气污染的区域传输特征。大气污染的经济关联特征是指贸易导致的地区间复杂的经济联系，使某一地区生产所产生的污染物排放中有一部分是为了满足其他地区的需求，即其他地区将污染物排放外包给了该地区。研究治理大气污染需要了解大气污染的这两点关键特征，本节将对此进行介绍。
　　大气污染的区域传输受大气运动及温度分布的影响。大气污染物排放至大气后，会随着大气的运动发生迁移和扩散。大气湍流是空气污染区域局部扩散的主要驱动因素。它使污染物在受风水平输送的过程中不断向四周扩展，将清洁空气卷入，使污染物浓度降低。温度分布是影响大气污染传输的另一个因素，它可以通过影响大气湍流而间接影响大气污染物的传输与扩散。气温随高度增加而递减的递减层结有利于近地面大气污染物的扩散，但是气温随高度增加而递增的逆温层结会阻碍污染物的垂直扩散，处于逆温层中的污染物不能穿过逆温层，只能在该区域聚集或水平传输。
　　在温度分布、大气运动的综合作用下，某一地区排放的污染物不仅会直接迁移扩散到邻近地区，还可能会随着上升气流进入高空，然后在高空受层流作用较快地传输，最终在距离该地区较远的地区随下沉气团降到地表附近，导致区域间的污染物传输。大气污染的区域传输特征意味着任何一个地区产生的大气污染都不会局限在本区域，而是会突破行政边界，影响到其他地区。例如，某一地区PM2.5浓度每升高1%，邻近地区PM2.5浓度就会升高0.74%[4]。京津冀地区呈现着明显的区域复合污染特征，大气污染跨区域传输特征明显[5]。有研究表明，中国其他省份对北京和天津PM2.5年均浓度的跨区域传输贡献分别达到 37% 和 42%[6]。其中，河北省的污染排放对北京和天津的影响最大。
　　大气污染的区域传输也呈现着显著的时空差异。