日报标题：能让红色预警启动的雾霾，是从哪儿来的？
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唐文韬，生娃学环境打断腿
雾霾的成因可以分为两个方面，一是污染源，一是气象和地形条件。把雾霾的形成看成一个“化学反应”的话，则“反应物”是污染源排放的各种污染物，气象和地形条件是“反应条件”。关于北京 PM2.5 的污染源解析，研究成果比较多，综合来看排在前四的污染源是机动车、燃煤、重工业和扬尘。但是要注意，雾霾时 PM2.5 的来源不等同于常年 PM2.5 的来源，因为此时一般为“静稳”天气，风小扩散能力较差，扬尘等一次颗粒物贡献会相对小很多，以二次颗粒物为主（雾霾产生的主要原因是煤炭的大量使用吗？ - 唐文韬的回答。）
下面以北京地区 2014 年 2 月 19～28 日发生的霾过程为例分析各影响因素的作用，图片及主要内容来自王跃思研究员发表于《科学世界》2014 年第 4 期的文章《霾从哪里来》。
首先是气象和地形因素：
图 1. 北京地区 2014 年 2 月 19～28 日污染过程。图中 RH 为相对湿度，T 为温度，最上方矢量代表风向和风速。
图 2. 雾霾垂直扩散图（左图:2 月 19 日中午天空晴朗，混合层高度可达到 3500 米以上；右图：20 日以后连续几天，混合层高度只有 800 米左右，严重时只有 300-400 米，相当于地面排放的污染物被压缩了 10 倍）
2 月 19 号白天，PM2.5 在 30ug/m3 左右，当天傍晚，风向转变为南风 / 东南风，温度下降，相对湿度上升，而北京处于太行山和燕山交界处，地势由西北向东南倾斜，东南风带来的周边污染物和水汽在山前的平原地区堆积，PM2.5 浓度在 1 小时内从 30 增长到 150ug/m3，急速增长了 4 倍。继而在 24 小时内从 150 升至 350ug/m3，又高起点持续增长了 1.3 倍。在后续的重霾污染持续的过程中，静风为主，高湿逆温，混合层高度很低，只有 800 米左右，这些都为重霾污染的发展和保持形成了极有利的条件。在这次重霾污染的最后阶段（2 月 27 日）出现了一次降水，刮着北风，风速突然加大，有效地消除了空气中的颗粒物。
再来看污染物的排放：
图 3. 重霾污染过程和污染物的组成比例。
雾霾过程可分为“形成、加强、持续、消散”四个阶段，可以看出整个过程中 PM2.5 的组成都以二次污染物（有机碳、硫酸盐、硝酸盐、铵盐等）为主，而其中有机碳所占比例始终最大，主要来自机动车。图中的 a 阶段是清洁时段。这个阶段的污染物中，有机碳占 40%，硫酸盐、硝酸盐各约占 10% 左右。b 阶段是周边污染聚拢加强过程，硫酸盐、硝酸盐和有机碳的浓度都上升了，污染物水平迅速抬升到第一阶段高值。c 阶段是污染持续增长过程，外来污染输送并未终止，本地污染排放逐渐递加，经 24 小时到达污染最严重阶段。d 为污染的清除过程。目前对于北京地区重霾污染最有效的清除“方法”是祈求强劲西北风的到来，其次是显著的降水过程。e 过程可以看做此次重霾污染清除后的一次短时反弹过程，28 日凌晨当有一阵东风吹来，使得本地污染水平再次上升。分析这次反弹的原因，第一峰值 PM2.5 超过了 100 ug/m3，但主要成分是有机碳，判断为北京东部进京大型柴油车所为；而接下来的污染峰值，硫酸盐的大量加载，则已经显示出北京东部更远距离燃煤工业的排放。
颗粒物的形成机理主要与 a 阶段和 b 阶段相关，即雾霾的形成和加强阶段。Guo et al. 2014 年在 PNAS 发表的论文Elucidating severe urban haze formation in China. PNAS, 111(49):17373–17378 详细描述了 2013 年 9 月 25 日至 11 月 11 日发生在北京的周期性雾霾过程，尤其对颗粒物的形成机理进行了详细阐述。该文将颗粒物形成分为成核(nucleation)和生长(growth)两个阶段，成核发生于清洁时期，此时 PM2.5 浓度很低(，但是颗粒数非常大，可观察到大量超细颗粒物（20-30nm）的形成。核生长则是由于气象和地形条件使得二次颗粒物前体（挥发性有机物、二氧化硫、氮氧化物等）浓度大幅上升，超细颗粒物迅速生长，平均粒径大幅上升，从而使 PM2.5 的浓度大幅上升。也就是说从清洁时段到污染时段，主要发生的变化不是颗粒数的增长（事实上颗粒数还会下降），而是颗粒大小的增长，增长的原料来自机动车排放的二次颗粒物前体（该文也同样证明雾霾时期 PM2.5 组成以二次颗粒物为主，其中又以有机碳为主），外来输送影响很小。
图 4. 9 月 25-29 日和 10 月 2-7 日北京雾霾过程中颗粒物的成核和核生长。图 A 和图 C 显示粒径分布和平均粒径（白色虚线），图 B 和图 D 的实线为 PM2.5 浓度，虚线为平均直径，填充颜色代表 PM1（直径等于小于 1 微米的细颗粒物）的组分（由图可见，此时 PM2.5 以 PM1 为主，而 PM1 几乎全部来源于二次颗粒物）
文中还定量描述了风向和风速对 PM2.5 浓度的影响，整个过程中约 50% 的时段刮弱南风，23% 的强西北风和 19% 的较弱西北风，以及 7%的东北风。在西北风时段（一般对应清洁时段），PM2.5 的平均浓度为 35 ug/m3，而南风时段（一般对应污染时段），其平均浓度为114 ug/m3。这样看来似乎气象条件变化带来的 PM2.5 的浓度上升远大于污染物浓度本身，其实不然，因为清洁时段的 PM2.5 的浓度并不是北京 PM2.5 浓度的正常水平，2013 年平均水平是89 ug/m3，基数大，气象因素带来的 variation 才会大，说到底巧妇难为无米之炊，只要污染物水平本身降下来了，不管气象条件如何加持，PM2.5 也是很难升上去的。用中国特色老马的话来讲，污染物排放是主观原因，气候和地形条件是客观原因，我们不能改变客观条件，只能从主观因素上着手，即降低污染物的排放。
伪结论：北京常年 PM2.5 的主要来源是机动车、燃煤、重工业、扬尘和餐饮，2013 年平均水平在 89ug/m3。雾霾发生时期，由于气象和地形因素的影响，主要来自机动车的二次颗粒物前体滞留在大气中，使得颗粒物迅速长大，PM2.5 浓度可快速增长至超过 200ug/m3。雾霾持续过程可上升至超过 300ug/m3，污染物来源有机动车、燃煤、重工业、餐饮等。