尽管我国雾霾情况日益严重，对大气污染的分析研究却始终没有停歇。美国科罗拉多大学翟志强教授及其团队采用二维城市模型，通过对城市不同时间段各地区的污染物浓度对比分析，可较为准确地锁定主要污染源，从而为大气污染防治提供有力依据。另一方面，在面对严重污染时我们应采用哪些防护措施，请听翟教授所给出的建议。
近段时间中国各大中小城市雾霾大面积严重超标，已严重影响广大市民正常的生产、生活和健康。近日北京市发布雾霾红色警报，工厂停产学校停学马路限行。关于雾霾源头的争论一直没有停止过，应该说，在大的理论层面，现在对于雾霾源头的认识还是比较清楚的，比如燃煤和尾气等等。然而实现对于燃煤和尾气等的管控不是一朝一夕能够完成的，那么在现阶段的雾霾环境里，政府除了发布红色警报外还能做些什么呢?有没有一些短平快的方案和措施呢?比如找到尾气最为严重的交通路段，或者发现污染最为严重的排放单位，从而进行重点疏导、管理和控制?
众所周知，对环境污染物的治理，最有效的方法是寻找到污染物的源头并加以控制。目前各大城市都设有众多的大气环境质量监测站，提供实时空气品质数据，这些数据描述了当时当地的污染情况，有利于判断局部的污染情况，但是污染数据高的地方不一定就是污染源的地方，事实上往往是受害者。那么我们能否通过这些环境监测数据，反向推测出可能的污染源位置呢?答案是肯定的!
美国科罗拉多大学翟志强教授和他的研究组最近发明了一套完整的理论和数值模型，通过利用数学伴随方法和概率理论，利用气象监测站的气象数据以及空气质量监测站的污染物数据，借助计算流体动力学模拟成功逆向推测出污染源所处概率最高的区域。该方法能够与实时气象和环境监测数据同步，进行实时污染源的探测，从而为实时定向环境管理提供了理论依据。翟教授研究组曾应用相同的理论和模型，根据受感染医生护士的不同站立位置，有效地锁定香港非典期间某医院的带菌者位置。
下面以北京为例展示一个简单实际算例，下图1所示为北京市范围内空气质量监测站及气象站的布置图。根据气象站公布的数据，2015年8月12日凌晨3点至5点风速风向维持在西南风2m/s左右。空气质量监测站公布的2015年8月12日凌晨5点的PM2.5的分布图如图2所示。根据三个区域污染物浓度平均值及相对应监测站坐标平均值，再结合风向及风速数据，使用二维城市模型，不需要任何实际建筑物信息，即可通过反向追踪模型计算确认污染源所处的大致区域(此例为图2中黑点所示处，即北京大兴区)。为了对计算结果进行验证，再使用次日凌晨4点的数据(南风2m/s)以及相同方法进行查验，结果如图2中绿点所示，同样坐落于大兴区。
图1. 气象站及污染物监测站分布图
图2. 2015年8月12日凌晨5点PM2.5分布图
对于大兴区的分析发现，该区分布有大量工厂，而在选定的时间段内大兴区处于市区上风向，从而造成了城市的主要雾霾源。进一步的分析发现，由于八月份田径世锦赛在北京举办，为了改善空气质量，所有工厂的生产时间被要求安排在夜间进行，而于此同时在上述时间段内城市交通稀疏，这些都间接确认了工厂是该时间段主要污染源，从而也证明了模拟方法的准确和可行性。
翟教授研究组目前正在致力于提高追踪污染源位置的精确性和可靠性。由于城市气象和空气质量监测站的分布空间分辨率不够高，通过增加移动空气质量监测站，附以精确的城市建筑群模型，该方法将能够有效锁定具体的城市污染源位置和放射强度。
PM2.5定义
空气中颗粒污染物主要以固体颗粒和液滴的形式存在。一些颗粒物是直接排放出来的，而有些颗粒物是在大气中由互相(物理或化学的)作用而形成的。颗粒物的尺寸变化很大，从纳米到毫米都有，其形成、传播和危害机理都不同。一般来说，直径在10微米以下的颗粒物能够经过呼吸系统进入人体肺部，从而影响人体健康，因此往往被作为一个主要的空气颗粒物污染指标(称为PM10)。直径小于2.5微米颗粒物(PM2.5)被成为细颗粒物，因为更容易进入人体(包括呼吸甚至是体液系统)，一般认为对于人体有更大的危害。细颗粒物很难被肉眼看见，只能在电子显微镜下可以清楚看到(图3)。直径在2.5-10微米之间的颗粒物被称作粗颗粒物，一般的工艺、道路和施工扬尘应该在这个大小范围。
图3. PM2.5和PM10的大小
大气中存在各种尺寸的颗粒物，从几个纳米到几十毫米，但一般来说，其质量浓度在10微米和0.2微米会出现两个峰值，而真正直径在2.5微米的并不多(图4)。
图4. 大气中颗粒物质量浓度和大小
PM2.5传播
颗粒物在空气中的存在和传播随环境因素影响很大，比如说风速、风压、温度、湿度、以及高度等。一般认为无风、湿润和低温的环境更容易具有高的细颗粒物浓度。高温干燥天气颗粒物散播的可能性最小。图5显示了北京市中心PM2.5和PM10浓度在一天内随温度和湿度的变化情况。可以看到，整体来说，夜间呈现低温高湿的气候状况，夜间的颗粒物浓度要比白天高。美国环境署(EPA)的研究也指出了相同的结论(图6)。
图5. 北京市中心PM2.5和PM10浓度一天内随温度和湿度的变化情况
图6. 颗粒物浓度随温度和湿度的变化
另外，细颗粒物的浓度分布随高度也发生变化，一般来说近地面浓度最高，20米以上基本较小(图6)。在靠近主要交通道路的地区(50米内)，5-10米高度处的颗粒物浓度最高(图7)，当然这个结论会受当地具体风向和风速(以及地表面温度等)的影响。很多研究显示靠近交通路段100米以内的地区颗粒物浓度显著增加，而在100米之外会随着风向迅速衰减(图8)。
图6. 颗粒物浓度随高度变化
图7. 颗粒物浓度在距离交通道路50米下风向时的浓度随高度变化情况
图8. 颗粒物浓度随离开道路距离的变化情况
PM2.5成因
细颗粒物的来源非常复杂，主要来自各种燃烧过程，比如工业燃烧、汽车尾气、发电燃煤、野火、和民用炊事等。不同国家地区的主要成因也因为社会生产生活形态的不同而不同。图9显示在美国80年代农业燃烧、民用实木燃烧、燃油燃烧和重油车辆尾气是主要的细颗粒物的成因。在中国城镇，原油或煤炭燃烧和重油车辆尾气是当前主要的污染源。欧洲的研究也确认了产生建筑所需的能源是造成细颗粒物的主要原因，其次是交通(图10)。北京大学和中国环境科学研究院在2002年的一个报告分析了北京颗粒物的来源分布，指出燃煤和车辆尾气是两个主要的成因，同时也指出了其他一些污染源如扬尘(图11)。另外一个北京的研究指出重油车辆尾气是城区夜间颗粒物浓度显著增加的主要原因(重油车辆只被允许夜间在城区运行)(图12)，而郊区浓度明显低于城区。南京的一个实测研究也发现了同样的现象(图13)，但除了交通的影响外，该研究还指出早上7点之前地表空气温度反层的存在是导致凌晨颗粒物高浓度的主要原因，随着太阳辐射的增加，正向大气对流逐渐带走污染物，在午后达到最低点。
图9. 美国80年代颗粒物的主要来源
图10. 欧洲颗粒物的主要来源
图11. 北京PM2.5的主要来源
图12. 北京污染物测试结果
图13. 南京污染物测试结果
PM2.5危害
细颗粒物对于人类和动物都有严重的负面影响。极细颗粒物可以进入人体的肺部，甚至是血液系统(心血管系统)，对于纳米级的颗粒物，研究甚至发现它们可以进入动物的大脑和神经系统。而这些细颗粒物一旦进入脏器，将很难或基本不可能再逸出。
短期(几小时到几天)的吸入细颗粒物会加速肺部疾病，引发哮喘和急性支气管炎，并易感染呼吸性疾病。有心脏疾病的人群还可能导致心肌梗塞和心律不齐。短期吸入细颗粒物对于健康成人和小孩应该不会产生严重的后果，可能出现短暂的咽喉不适。然而长期(多年)居住在该地区会导致肺功能衰竭、慢性支气管炎、甚至早逝。
图14：颗粒物在人体中的沉降部位
PM2.5防护
众多的研究表明，室内的细颗粒物浓度明显低于室外(图15)，这是因为细颗粒物主要来自于室外，而经由通风和渗漏进入室内。如果能够保持建筑的密封性(减少门窗的开启和渗漏)，而室外空气有空调过滤系统引入室内，有效的过滤系统应该可以较好地过滤不同尺寸的颗粒物。现有的吸附性过滤材料对于大颗粒和超细颗粒的过滤效果比较好，而对于0.1-1微米的颗粒物的过滤效果较差(高性能过滤器也就是50%左右效率)(图16)。静电除尘系统在某种程度上弥补了吸附性过滤器的缺陷。图17给出了不同等级吸附性过滤器的效率，由图可见要有效过滤细颗粒物必须选用MERV13以上的过滤材料，而MERV数越大的过滤材料意味着更厚更密的滤网，也就意味着更大的空气流动阻力，因此需要更大的风机，从而需要消耗更多的电能并产生更大的噪音。
图15. 室内外不同粒径颗粒物浓度对比
图16. 不同过滤器对于不同粒径颗粒物的过滤效率
图17. 针对不同粒径颗粒物的过滤材料选择
个人实用小贴士
登高：到20米以上的地方工作睡觉。靠近马路(50米内)的建筑在5-10米高度处空气最毒，一定减少或不要开窗。
远离马路：至少100米，最好300米。
中午开窗透气：12-14点最安全，晚上最毒，18点之后千万不要开窗。低温潮湿气候时空气最毒。
尽量待在密闭室内：室内浓度是室外的一半。
使用合适过滤器：滤网过滤器对大颗粒和超细颗粒物效率高。
本文作者翟志强，美国科罗拉多大学伯德分校土木环境建筑工程系终身教授，建筑工程专业主任教授。清华大学工程力学学士 (1994)、流体力学硕士 (1995)，流体力学博士 (1999)，美国麻省理工学院建筑技术博士 (2003)。主要研究领域：可持续性建筑和能源技术发展以及室内外空气环境质量评估和优化。
