邢 萌 ，曹軍驥 ，劉衛(wèi)國 ，李國輝 ，王啟元

1.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061

2.中科院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心，西安 710061

霧霾天氣是我國近年來面臨的嚴(yán)峻環(huán)境問題之一，它的頻繁發(fā)生嚴(yán)重影響我國居民的日常生活和身心健康。眾所周知，PM2.5（空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物，直徑還不到頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20）是造成空氣污染的一個(gè)重要因素。它的來源非常復(fù)雜，包括一次排放和二次形成顆粒物。由氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）和揮發(fā)性有機(jī)組分（VOCs）等前體物反應(yīng)生成的二次顆粒物（如硝酸鹽、硫酸鹽、二次有機(jī)物）是PM2.5的重要組成成分。大量研究表明，由水汽作為媒介的液相化學(xué)反應(yīng)是二次氣溶膠生成的重要途徑。水汽含量的升高將加速硫酸鹽、硝酸鹽及二次有機(jī)物的生成，導(dǎo)致霧霾過程持續(xù)和進(jìn)一步惡化。

一般而言，大氣低對(duì)流層中的水汽主要來自大氣傳輸和地表蒸發(fā)蒸騰作用的貢獻(xiàn)。但是，人類燃燒天然氣、石油、煤等化石燃料也產(chǎn)生水汽，即燃燒源水汽。盡管化石燃料燃燒產(chǎn)生的水汽在大氣總水汽中的占比很小，一般在全球大氣水收支中可以忽略不計(jì)，但是，其在局地地區(qū)（如人口密集的大城市），特別是大氣傳輸條件不好的時(shí)間段，燃燒源水汽對(duì)大氣水汽的貢獻(xiàn)可能會(huì)明顯升高。然而，定量燃燒源水汽在大氣水汽中的貢獻(xiàn)以及其對(duì)PM2.5濃度升高的作用是目前學(xué)術(shù)界的一個(gè)難點(diǎn)。化石燃燒源產(chǎn)生的水汽可能導(dǎo)致其氫、氧同位素比值呈現(xiàn)出一組區(qū)別于自然源水汽的特征，從而可用于水汽來源溯源。鑒于此，中科院地球環(huán)境研究所、南京大學(xué)和路易斯州立大學(xué)的研究人員，通過在西安市收集的3個(gè)采暖季的大氣水汽同位素組成及相關(guān)大氣化學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合WRF-Chem模型，分離出了關(guān)中地區(qū)冬季霧霾過程中，化石燃燒源水汽在大氣水汽中的占比及其對(duì)大氣PM2.5濃度的貢獻(xiàn)。

結(jié)果顯示：在關(guān)中重霧霾天氣，大氣水汽氫氧同位素的組成確實(shí)顯現(xiàn)出化石燃燒源水汽的貢獻(xiàn)，平均值為6.2%。利用大氣化學(xué)WRF-Chem模型，研究人員又進(jìn)一步定量了化石燃燒源水汽對(duì)大氣PM2.5濃度的貢獻(xiàn)。對(duì)關(guān)中典型重污染天氣的模擬結(jié)果表明：化石燃燒源水汽的平均貢獻(xiàn)占關(guān)中地區(qū)大氣總PM2.5的2.8%，占人為源PM2.5的5.1%。考慮到在產(chǎn)生同等熱量前提下，燃燒天然氣生成的水汽質(zhì)量是燒煤生成水汽的近3倍，研究人員建議在大范圍實(shí)施煤改氣工程時(shí)應(yīng)考慮化石燃燒源水汽排放引起PM2.5增加這一負(fù)面影響，尤其是在一些對(duì)相對(duì)濕度比較敏感的氣象條件下。在條件成熟時(shí)，未來仍需考慮電能或清潔能源的使用。

該項(xiàng)研究成果以“Vapor isotopic evidence for the worsening of winter air quality by anthropogenic combustion-derived water”為題于2020年12月14日發(fā)表在美國科學(xué)院院刊（PNAS）上（論文鏈接：https://www.pnas.org/content/117/52/33005/）。該研究受到了中科院B類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、大氣重污染成因與治理攻關(guān)項(xiàng)目、國家大氣研究計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。