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20世纪90年代中后期，北京大气能见度降低，灰色天空和白色天空高频率出现，形成一个“灰蒙蒙”的大锅盖倒扣在上空。为找到大气能见度下降的主要原因，寻求大气污染控制的有效措施，1998年8月，原北京市市政管理委员会与北京市环境保护局下达了《北京市“蓝天工程”——能见度影响因素和改善途径研究》课题，由北京市环境保护科学研究院、北京大学环境科学中心共同承担。课题的主要研究目的和任务是：回答造成北京市大气能见度降低的主要污染物质及其产生的原因、分布特征、变化规律；弄清造成北京市大气能见度降低的气象条件、演变规律及其与污染物的互相作用；监测影响北京市能见度主要污染物质的产生源及其贡献率；制定控制对策和改善途径。
北京市“蓝天工程”研究课题集中了当时国内最先进的大气监测仪器和设备，以及数十名多年从事大气气溶胶理论与实践研究的国内外顶尖专家（唐孝炎、杨明珍、任阵海、赵德山、G.R.Cass等）。无论是从研究的范围与规模、还是研究的深度与特色以及研究的实用性与针对牲来说，均属国内首次，特别是PM2.5浓度观测、成分分析与成因研究具有里程碑式的重要意义。
一、课题主要成果与结论
（一）主要研究工作
课题在1998年10月至1999年12月期间进行了六次大型综合性现场观测研究和一些专题监测研究。第一次为秋季背景现场观测研究（1998年10月21日-30日完成）。主要目的是选择在以往人们认为大气污染最轻的金秋季节，获取大气能见度与大气污染以及气象关系的背景资料。
第二、三次综合现场观测于1998年11月15日-22日和1999年1月26日-2月9日完成。主要目的是获取冬季采暖期前夕城市中心区的天安门广场区域大气能见度与大气污染及气象条件关系的资料、以及代表北京市冬季采暖期大气污染的典型条件下的实际状况。
第四次综合现场观测于1999年6月11日-30日完成。主要目的是观测北京市夏季典型条件下的大气能见度与大气污染及气象条件之间关系的实测资料。
第五、六次综合现场观测分别于1999年9月27日-10月4日和10月15日-27日完成。主要目的是取得在50年国庆大典期间，大量排放源关闭前后的大气能见度改善的对比性资料。
专题监测研究主要有二项：各种排放源排放颗粒物浓度的粒径分布监测与研究；大气颗粒物中碳含量的观测研究。此外，课题组分别对北京市不同大小的燃煤、燃油、燃气锅炉，进行了若干台次的主要污染物（主要针对PM2.5）排放的监测，取得大量数据资料。同时，在中科院大气物理所和俄罗斯专家的配合下，课题组对北京市采暖期与非采暖期大气颗粒物含碳量进行了实际观测与分析，取得连续三年的宝贵资料。
（二）主要成果与结论
1.揭示了北京市大气污染的新特点及变化趋势，指出PM2.5是今后大气污染控制面临的难点问题
大气综合观测结果显示，北京市1988年至1998年10年间，大气中总悬浮颗粒物平均质量浓度变化不大或者说略有减少，但是不同尺度的粒子浓度却发生着重要变化，即：直径大于2μm的粗粒子明显减少，减少约10%左右；而直径0.1—2μm的积聚模型粒子明显增多，增幅达15%以上；只有直径小于0.1的爱根模型粒子变化不大。1984年至1992年监测结果显示，北京市TSP（总悬浮颗粒物）中30%为粒径小于2.0μm的细颗粒，而1998年至1999年间，这一比例达到了61%。这是北京市大气污染变化的一个十分重要的特征，标志着大气污染由煤烟型污染转向煤烟与尾气叠加的复合型大气污染。这种变化带来的问题是非常严重的。首先，直径0.1-2μm的积聚模态粒子易被人的肺泡很快吸收，是所有常规大气污染物质中对人体危害最为严重的一种。其次，对于可见光而言，这种尺度的单个粒子的消光效应最大，对城市的大气能见度具有重要影响。可以说，大气中细颗粒的增加，是一种极为严重的大气污染现象，是今后大气污染控制面临的难点问题。
2.揭示了北京市大气能见度近年来的变化趋势，指出大气能见度的降低是由大气PM2.5污染造成的
垂直大气能见度就是大气垂直方向可视程度，常常用大气光学厚度来定量描写。光学厚度越大，能见度越低。大气观测结果表明，北京大气气溶胶（即液态或固态微粒在空气中的悬浮体系）光学厚度形成了以市区为中心、向郊区递减的分布，说明市区能见度较低，郊区能见度较高。北京市中心的气溶胶光学厚度最高（光学厚度为0.966，相应的能见度为8.1公里），而郊区较低（最低的光学厚度为0.483，相应的能见度为16.2 公里）。
北京市大气消光系数的垂直分布，遵循随高度逐渐减小的基本规律，并且这一规律在某一高度上，具有突然减小的一个突变过程区，大约位于800-1000米处。在突变区以上，大气消光系数很小，接近洁净大气，而在突变区以下，大气消光系数很大，近地面的消光系数最大时可达到2km-1以上。这充分证明，城市大气消光系数主要是由大气气溶胶细粒子PM2.5贡献的。而PM2.5浓度之高及由它造成的大气消光系数之大，说明完全是人为污染造成的。
北京市大气污染造成能见度的降低，影响范围半径超过30公里。在通常的天气条件下，大气水平能见度日变化基本上呈双峰双谷型，即能见度低值期出现在日出后到11时左右和日落后到午夜前后。尤其是上半夜的能见度更低，而且持续时间更长。北京市垂直大气强消光效应层比较厚，通常为1公里上下，表明北京市大气污染对垂直大气能见度影响高度很大。无论是哪一个季节，无论是市区的哪一个观测点，大气水平能见度与大气气溶胶直径小于2.5μm的细粒子的质量浓度，相关系数均可以达到90%以上，最高可达到96%。这就清楚地表明，直径小于2.5μm的细粒子，是造成大气能见度降低的决定性因素。
3.二次颗粒物是造成大气能见降低的首要因素，而气态污染物SO2和NOX是形成二次颗粒物的重要前体物 进行各种污染物与大气能见度相关分析时发现，SO2和NOX与大气能见度均有一定的相关性。冬季SO2与大气水平能见度的相关系数为76.5%，秋季此系数为30.8%，表明SO2作为气溶胶二次粒子生成的前提物，在冬季采暖期对大气水平能见度的降低发挥重要作用，在秋季非采暖期作用较小。与此相反，NOX作为气溶胶二次粒子生成的前提物，无论是采暖期还是非采暖期都是重要的，与大气水平能见度的相关系数为60～80%之间，尤其是在非采暖期，NOX对大气水平能见度的降低的作用远大SO2。这有力地证明，北京市近年来NOX已经成为大气气溶胶中细粒子的重要前体物来源。这与汽车保有量迅速增加有直接关系。
4.PM2.5粒子中炭黑（元素炭）对能见度的影响较大
由于化石燃料的不完全燃烧，特别是柴油机动车（及其它柴油发动机）的排放，使采集的PM2.5粒子样品呈黑色，表明其中含有大量炭黑成分。1999年6月10日-16日对大气散射系数和吸收系数的测量结果表明，炭黑所产生的吸收系数占大气总消光系数的20%-40%。据此推测，炭黑对冬季大气能见度的影响较大。
5.大气PM2.5浓度存在垂直分布
从细粒子垂直高度分布看，北京市采暖季的混浊大气很厚，甚至很难见到当顶的蓝天，这与其它国家的水平能见度虽很低，但仍能见到当顶的蓝天的情况有所不同。随高度增加，PM2.5和PM10粒子质量浓度递减，但PM2.5在PM10中的比例增加，由30m处的43%增加到210m处的54%，不仅如此，210m处的大气中小于0.5um的超细粒子不论是数浓度还是质量浓度都高于低层大气，这说明近地面大气PM10粒子污染严重，而高层大气中PM2.5粒子特别是超细粒子污染严重。因而，高层建筑仍不能避免受细粒子危害的可能。
6.区域性大气PM2.5对能见度有影响
综合大气观测表明，由于北京、天津及周边地区的排放，使京津地区大气颗粒物特别是PM2.5粒子形成了比较高的区域背景浓度，造成了区域大气能见度的降低，而北京市区PM2.5粒子的排放使得北京城区大气能见度进一步降低。
二、课题成果的应用
（一）应用于50周年“国庆”期间北京城市中心区能见度改善的应急措施的制定
1984年国庆节， 由于云低雾浓， 迫使参加受阅的94架战斗机在严重超低条件下强行起飞， 按时通过天安门广场。从1953年到1984年的31年国庆节上午（6时至12时）， 多云或阴天出现12年， 少云天气有19年。其中对空军参加阅兵活动有影响的有6-8年。
为保障50周年“国庆”阅兵期间北京城市中心区能见度，1999年5月，北京市政府组织有关研究人员制定能见度改善的应急措施。在应急措施的制定中， 笔者应用了“蓝天工程”研究的成果——北京市能见度与PM2.5的关系式（相关系数为0.96）： R=1.4454/100.7943lg（C）或C=1.5885/101.259lg（R），式中R为能见度，单位km，C为PM2.5的浓度值（mg/m3））。1999年6月上旬， 国务院外国专家局邀请了包括国际知名专家G.R.Cass在内的6名美国专家携带仪器来华，和国内的专家联合开展北京市PM2.5与能见度的观测研究。通过综合的观测分析，Cass教授较好地验证了国内专家先前得出的北京市能见度与PM2.5的关系式。基于此关系式， 笔者预测分析改善能见度的各种情景，并提出制定了改善能见度的应急措施方案，核心措施得到了实际采用，收到了良好效果。
（二）应用于北京市控制大气污染第一阶段至第四阶段措施的制定
1998年底，为遏制大气污染加重的趋势，北京市政府采取了控制大气污染的紧急措施。在1998年12月16日发布的第一阶段的措施至2000年3月11日发布的第四阶段措施的制定过程中， 北京市“蓝天工程”研究的成果均被作为技术依据直接得到应用，为当时控制扬尘污染，加大治理煤烟型污染和机动车排气污染力度，进一步改善大气质量，以清洁优美的环境迎接新中国成立50周年发挥了重要作用。
（三）为北京市控制大气污染后续研究提供了重要基础
北京市开启“蓝天工程”课题研究后，为了更有效控制大气污染， 进一步改善大气质量，以良好环境申办及举办2008年奥运会，先后开展了多项围绕控制大气颗粒物的重大研究课题，例如科技部专项“北京市大气污染控制对策研究”、 北京市重点项目“北京市空气质量达标战略研究”等。这些课题均全部或部分沿用或借鉴了“蓝天工程”课题研究中PM2.5观测、成因与源解析研究的成果，包括研究结论、研究思路与技术方法。同时， “蓝天工程”成果也为国内其它城市开展PM2.5研究提供了借鉴与参考。
（责任编辑：赵静）
北京市“蓝天工程”研究课题集中了当时国内最先进的大气监测仪器和设备，以及数十名多年从事大气气溶胶理论与实践研究的国内外顶尖专家（唐孝炎、杨明珍、任阵海、赵德山、G.R.Cass等）。无论是从研究的范围与规模、还是研究的深度与特色以及研究的实用性与针对牲来说，均属国内首次，特别是PM2.5浓度观测、成分分析与成因研究具有里程碑式的重要意义。
一、课题主要成果与结论
（一）主要研究工作
课题在1998年10月至1999年12月期间进行了六次大型综合性现场观测研究和一些专题监测研究。第一次为秋季背景现场观测研究（1998年10月21日-30日完成）。主要目的是选择在以往人们认为大气污染最轻的金秋季节，获取大气能见度与大气污染以及气象关系的背景资料。
第二、三次综合现场观测于1998年11月15日-22日和1999年1月26日-2月9日完成。主要目的是获取冬季采暖期前夕城市中心区的天安门广场区域大气能见度与大气污染及气象条件关系的资料、以及代表北京市冬季采暖期大气污染的典型条件下的实际状况。
第四次综合现场观测于1999年6月11日-30日完成。主要目的是观测北京市夏季典型条件下的大气能见度与大气污染及气象条件之间关系的实测资料。
第五、六次综合现场观测分别于1999年9月27日-10月4日和10月15日-27日完成。主要目的是取得在50年国庆大典期间，大量排放源关闭前后的大气能见度改善的对比性资料。
专题监测研究主要有二项：各种排放源排放颗粒物浓度的粒径分布监测与研究；大气颗粒物中碳含量的观测研究。此外，课题组分别对北京市不同大小的燃煤、燃油、燃气锅炉，进行了若干台次的主要污染物（主要针对PM2.5）排放的监测，取得大量数据资料。同时，在中科院大气物理所和俄罗斯专家的配合下，课题组对北京市采暖期与非采暖期大气颗粒物含碳量进行了实际观测与分析，取得连续三年的宝贵资料。
（二）主要成果与结论
1.揭示了北京市大气污染的新特点及变化趋势，指出PM2.5是今后大气污染控制面临的难点问题
大气综合观测结果显示，北京市1988年至1998年10年间，大气中总悬浮颗粒物平均质量浓度变化不大或者说略有减少，但是不同尺度的粒子浓度却发生着重要变化，即：直径大于2μm的粗粒子明显减少，减少约10%左右；而直径0.1—2μm的积聚模型粒子明显增多，增幅达15%以上；只有直径小于0.1的爱根模型粒子变化不大。1984年至1992年监测结果显示，北京市TSP（总悬浮颗粒物）中30%为粒径小于2.0μm的细颗粒，而1998年至1999年间，这一比例达到了61%。这是北京市大气污染变化的一个十分重要的特征，标志着大气污染由煤烟型污染转向煤烟与尾气叠加的复合型大气污染。这种变化带来的问题是非常严重的。首先，直径0.1-2μm的积聚模态粒子易被人的肺泡很快吸收，是所有常规大气污染物质中对人体危害最为严重的一种。其次，对于可见光而言，这种尺度的单个粒子的消光效应最大，对城市的大气能见度具有重要影响。可以说，大气中细颗粒的增加，是一种极为严重的大气污染现象，是今后大气污染控制面临的难点问题。
2.揭示了北京市大气能见度近年来的变化趋势，指出大气能见度的降低是由大气PM2.5污染造成的
垂直大气能见度就是大气垂直方向可视程度，常常用大气光学厚度来定量描写。光学厚度越大，能见度越低。大气观测结果表明，北京大气气溶胶（即液态或固态微粒在空气中的悬浮体系）光学厚度形成了以市区为中心、向郊区递减的分布，说明市区能见度较低，郊区能见度较高。北京市中心的气溶胶光学厚度最高（光学厚度为0.966，相应的能见度为8.1公里），而郊区较低（最低的光学厚度为0.483，相应的能见度为16.2 公里）。
北京市大气消光系数的垂直分布，遵循随高度逐渐减小的基本规律，并且这一规律在某一高度上，具有突然减小的一个突变过程区，大约位于800-1000米处。在突变区以上，大气消光系数很小，接近洁净大气，而在突变区以下，大气消光系数很大，近地面的消光系数最大时可达到2km-1以上。这充分证明，城市大气消光系数主要是由大气气溶胶细粒子PM2.5贡献的。而PM2.5浓度之高及由它造成的大气消光系数之大，说明完全是人为污染造成的。
北京市大气污染造成能见度的降低，影响范围半径超过30公里。在通常的天气条件下，大气水平能见度日变化基本上呈双峰双谷型，即能见度低值期出现在日出后到11时左右和日落后到午夜前后。尤其是上半夜的能见度更低，而且持续时间更长。北京市垂直大气强消光效应层比较厚，通常为1公里上下，表明北京市大气污染对垂直大气能见度影响高度很大。无论是哪一个季节，无论是市区的哪一个观测点，大气水平能见度与大气气溶胶直径小于2.5μm的细粒子的质量浓度，相关系数均可以达到90%以上，最高可达到96%。这就清楚地表明，直径小于2.5μm的细粒子，是造成大气能见度降低的决定性因素。
3.二次颗粒物是造成大气能见降低的首要因素，而气态污染物SO2和NOX是形成二次颗粒物的重要前体物 进行各种污染物与大气能见度相关分析时发现，SO2和NOX与大气能见度均有一定的相关性。冬季SO2与大气水平能见度的相关系数为76.5%，秋季此系数为30.8%，表明SO2作为气溶胶二次粒子生成的前提物，在冬季采暖期对大气水平能见度的降低发挥重要作用，在秋季非采暖期作用较小。与此相反，NOX作为气溶胶二次粒子生成的前提物，无论是采暖期还是非采暖期都是重要的，与大气水平能见度的相关系数为60～80%之间，尤其是在非采暖期，NOX对大气水平能见度的降低的作用远大SO2。这有力地证明，北京市近年来NOX已经成为大气气溶胶中细粒子的重要前体物来源。这与汽车保有量迅速增加有直接关系。
4.PM2.5粒子中炭黑（元素炭）对能见度的影响较大
由于化石燃料的不完全燃烧，特别是柴油机动车（及其它柴油发动机）的排放，使采集的PM2.5粒子样品呈黑色，表明其中含有大量炭黑成分。1999年6月10日-16日对大气散射系数和吸收系数的测量结果表明，炭黑所产生的吸收系数占大气总消光系数的20%-40%。据此推测，炭黑对冬季大气能见度的影响较大。
5.大气PM2.5浓度存在垂直分布
从细粒子垂直高度分布看，北京市采暖季的混浊大气很厚，甚至很难见到当顶的蓝天，这与其它国家的水平能见度虽很低，但仍能见到当顶的蓝天的情况有所不同。随高度增加，PM2.5和PM10粒子质量浓度递减，但PM2.5在PM10中的比例增加，由30m处的43%增加到210m处的54%，不仅如此，210m处的大气中小于0.5um的超细粒子不论是数浓度还是质量浓度都高于低层大气，这说明近地面大气PM10粒子污染严重，而高层大气中PM2.5粒子特别是超细粒子污染严重。因而，高层建筑仍不能避免受细粒子危害的可能。
6.区域性大气PM2.5对能见度有影响
综合大气观测表明，由于北京、天津及周边地区的排放，使京津地区大气颗粒物特别是PM2.5粒子形成了比较高的区域背景浓度，造成了区域大气能见度的降低，而北京市区PM2.5粒子的排放使得北京城区大气能见度进一步降低。
二、课题成果的应用
（一）应用于50周年“国庆”期间北京城市中心区能见度改善的应急措施的制定
1984年国庆节， 由于云低雾浓， 迫使参加受阅的94架战斗机在严重超低条件下强行起飞， 按时通过天安门广场。从1953年到1984年的31年国庆节上午（6时至12时）， 多云或阴天出现12年， 少云天气有19年。其中对空军参加阅兵活动有影响的有6-8年。
为保障50周年“国庆”阅兵期间北京城市中心区能见度，1999年5月，北京市政府组织有关研究人员制定能见度改善的应急措施。在应急措施的制定中， 笔者应用了“蓝天工程”研究的成果——北京市能见度与PM2.5的关系式（相关系数为0.96）： R=1.4454/100.7943lg（C）或C=1.5885/101.259lg（R），式中R为能见度，单位km，C为PM2.5的浓度值（mg/m3））。1999年6月上旬， 国务院外国专家局邀请了包括国际知名专家G.R.Cass在内的6名美国专家携带仪器来华，和国内的专家联合开展北京市PM2.5与能见度的观测研究。通过综合的观测分析，Cass教授较好地验证了国内专家先前得出的北京市能见度与PM2.5的关系式。基于此关系式， 笔者预测分析改善能见度的各种情景，并提出制定了改善能见度的应急措施方案，核心措施得到了实际采用，收到了良好效果。
（二）应用于北京市控制大气污染第一阶段至第四阶段措施的制定
1998年底，为遏制大气污染加重的趋势，北京市政府采取了控制大气污染的紧急措施。在1998年12月16日发布的第一阶段的措施至2000年3月11日发布的第四阶段措施的制定过程中， 北京市“蓝天工程”研究的成果均被作为技术依据直接得到应用，为当时控制扬尘污染，加大治理煤烟型污染和机动车排气污染力度，进一步改善大气质量，以清洁优美的环境迎接新中国成立50周年发挥了重要作用。
（三）为北京市控制大气污染后续研究提供了重要基础
北京市开启“蓝天工程”课题研究后，为了更有效控制大气污染， 进一步改善大气质量，以良好环境申办及举办2008年奥运会，先后开展了多项围绕控制大气颗粒物的重大研究课题，例如科技部专项“北京市大气污染控制对策研究”、 北京市重点项目“北京市空气质量达标战略研究”等。这些课题均全部或部分沿用或借鉴了“蓝天工程”课题研究中PM2.5观测、成因与源解析研究的成果，包括研究结论、研究思路与技术方法。同时， “蓝天工程”成果也为国内其它城市开展PM2.5研究提供了借鉴与参考。
（责任编辑：赵静）