项目介绍

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    近年来，京津冀、长三角、珠三角、关中-宝鸡地区、成都盆地甚至东北等城市和区域频繁发生大范围、持续多日的严重大气污染。一些主要城市大气细颗粒物PM2.5超标严重，污染影响范围广、程度重、持续时间长，严重影响空气质量、大气能见度、人体健康，引起了空前的社会反响，导致社会不稳定的隐忧。如何预防空气污染带来的健康危害、改善空气质量，成为整个社会关注的有关国计民生的主题。
    继2012年2月修订国家环境空气质量标准、首次纳入PM2.5的环境空气质量标准后，国务院于2013年9月颁布了《大气污染防治行动计划》。该计划提出经过五年努力，全国空气质量总体改善，重污染天气较大幅度减少；京津冀、长三角、珠三角等区域空气质量明显好转。该计划明确提出了全国地级及以上城市及京津冀、长三角、珠三角等区域颗粒物浓度控制的具体指标。为了实现这些目标，全国各省和重点城市纷纷出台控制空气污染的具体实施方案。如果能按期实现这些目标，将是人类史上少有的在短时间显著改善空气质量的行动。
    应该意识到，在13亿人口大国的快速工业化进程和快速城市化进程中，面临的大气污染问题是发达国家近百年来经历的大气污染问题在时间、地区和规模上的集中体现，形成了一种复合型的大气污染，其规模和复杂程度在国际上未有先例。加之地球演变过程中的全球变暖和季风减弱，以及我国大气污染的复合特征，使其治理成为人类文明进程中遇到的前所未有的重大难题。
    已有的科学研究表明，大气复合污染来自于工业、发电、交通、取暖等多种污染源排放的气态和颗粒态一次污染物，以及经过一系列复杂的物理、化学和生物过程形成的二次细颗粒物和臭氧等二次污染物。这些污染物在具有“静稳”特征的不利气象和天气过程的影响下，会在短时间累积形成高浓度的污染，并在大范围的区域间相互输送，对人体健康和生态环境产生严重的、机制复杂的危害。此外，大气污染与大尺度的天气、气候间还存在复杂的相互作用和影响。
    在中国大气复合污染成因、健康影响与应对机制方面，尚缺少系统的基础理论支撑，对科学研究提出了重大挑战。大气污染的根本治理，也涉及到能源政策、产业结构、城市规划等。因此，要根本解决大气复合污染的问题，亟须加强系统的、多学科交叉的科学研究，揭示其复杂的成因、厘清其复杂的来源、发展先进的技术、制定和实施合理有效的应对措施和预防政策。
    针对大气灰霾污染的问题，我国多个部门已启动了不同的研究计划；如：中国科学院的“大气灰霾追因与控制”专项，环保部的《清洁空气研究计划》，科技部的 “蓝天科技工程”，但这些研究计划多侧重于污染控制的应用研究。因交叉合作不够，缺少多尺度的大规模综合科学实验和多学科的合作研究，难以回答灰霾的成因与危害的重大科学问题。
    本重大研究计划要回答的重大科学问题是：大气复合污染形成的物理与化学过程与控制我国大气复合污染的创新性思路和系统的控制技术与理论。
       国际大气环境界一直致力于揭示大气物理和化学过程对大气化学组分浓度的决定作用，并在此基础上研究全球大气化学组分变化对气候、人体健康和生态系统的影响。国际科协2014年成立“未来地球”研究计划，其核心项目“全球大气化学”（IGAC）在制定未来的研究计划时，明确提出当前大气化学的研究，在基础科学层面是揭示人为和天然释放的物质进入大气后，如何通过化学、微物理、输送、沉降等多种大气过程改变大气中各种成分的浓度，进而识别大气化学成分的变化对气候、人体健康和生态系统产生的影响。在可持续发展的理念指导下，可以通过能源使用、交通、城市化、土地使用、农业等多种方式减少人类排放到大气中的污染物，从而减少大气污染及其对气候变化、人体健康和生态的影响。因此大气污染的根本治理需要将基础研究与可持续发展的理念相结合。
    与发达国家城市经历的大气污染不同，中国的城市和区域大气污染的来源和化学组分有着非常大的差异。例如，英国伦敦50年代的烟雾主要来自冬季燃煤，而加州洛杉矶的光化学烟雾主要来自机动车尾气的光化学反应产物。而在中国的主要城市和地区，来自燃煤和机动车尾气排放导致的烟雾均同时集中存在，形成了大气污染来源的复合。中国科学家为此于1997年提出了大气复合污染的概念。
    由于燃煤和机动车污染这两种污染源的高强度排放，大气中同时存在着二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物等一次气态污染物，在光照和自由基的作用下，气态和颗粒态污染物之间互相反应、相互转化，形成了多种污染物生成过程的非线性和耦合过程，构成了大气污染形成机制上的复合。
    多种大气污染物高浓度的存在，导致对人体健康影响存在协同效应，因此在健康影响上也存在着复合作用。但目前对包括细颗粒物在内的大气污染的健康效应认识有限，不足以支撑国家控制决策。针对大气细颗粒物对人体健康的影响，涉及大气氧化性的健康损害、燃煤与吸烟源对人体的暴露危害、高污染环境中颗粒物的健康危害、颗粒物组分的健康效应等，特别是细颗粒物粒径、混合状态与化学组分决定着大气细颗粒物对人体健康的影响机制。
    大气中多个尺度的过程包括大气边界层、局地环流、季风等，它们决定着大气污染的积累、扩散、和区域输送。研究表明气象和天气过程在我国频繁发生的严重大气霾污染中发挥关键性的作用，在不利的气象和天气过程的影响下，大气污染物会在短时间累积形成高浓度的污染，并在大范围的区域间相互输送；数据分析表明，我国东部在过去50年地表平均风速在逐步下降，由此降低大气对空气污染的扩散稀释能力。此外，大气污染与大尺度的天气、气候间存在着复杂的相互作用和影响。颗粒物对太阳辐射的吸收和反射，改变地表的能量平衡甚至边界层结构，会加强大气边界层的稳定性，使得大气污染在边界层中的加速积累，形成一个正反馈过程。
       针对大气污染，发达国家和我国已经研发了大量的技术进行排放源控制。我国大气污染严重，治理大气污染已经上升到国家的重要任务，亟需发现和应用更多的具独创性、高效、快速的技术和方法。然而，大气复合污染形成原因非常复杂，多种污染源排放的一次气态和颗粒态污染物，经过复杂的物理和化学过程生成二次细颗粒物和臭氧等二次污染物；大气中光化学和自由基化学以及颗粒物表面多相化学过程决定了大气复合污染的生成。目前控制大气复合污染生成的关键化学过程过程认识尚不清楚，而灰霾污染中细颗粒物浓度的爆发性增长很难用现有的机理解释和模型模拟出来，这极大的限制了我国大气复合污染的模式预报及其成因分析，以及针对性的控制新思路。
    大气化学研究的尺度从纳米级到全球尺度，研究手段从先进的光谱、质谱的观测手段到卫星遥感手段，从尺度流体力学模型到全球尺度的大气环流模型，覆盖了不同空间时间尺度，观测手段也越来越丰富。包括地面的，飞机的，以及烟雾箱等手段帮助介绍大气基础的前沿的科学问题。
     通过深入认识大气复合污染形成的关键化学过程，有可能识别出对大气复合污染生成贡献最大的污染前体物、在大气氧化性中起到核心作用的化学分子、在大气污染的积累或沉降中起到关键作用的物理过程，在此基础上有可能提出减缓、降低、抑制大气复合污染生成的创新性思路，从而发展出高效、快速的大气复合污染控制技术。
    大气复合污染的来源复杂，包括机动车、火电厂、化工厂、冶炼厂、道路、施工、沙尘、农业活动、居民能源使用等。多种来源排放的多种污染物在大气化学和大气物理的作用下，由一次污染形成二次污染，对人体健康、生态环境系统产生危害。大气复合污染来源的复杂性和生成过程的非线性使得污染控制变得更加复杂。目前的研究已经意识到，大气复合污染的根本治理，需要从污染排放转变为风险管理，从单一污染物转向多种污染物控制，从单一污染源控制转向多种污染源协调控制，从局部城市转向区域污染联合控制。大气复合污染的长期污染控制手段包括末端机理技术、清洁能源、城市规划、工业结构升级等，单一的应对机制无法满足大气复合污染控制的需求。因此，揭示大气复合污染的成因、发展应对机制需要多学科交叉、联合攻关。
      为贯彻落实国务院《大气污染防治行动计划》，国家自然科学基金委员会围绕大气污染形成机理及大气污染对健康的影响正式启动“中国大气复合污染成因、健康影响与应对机制”联合重大研究计划项目。该联合重大研究计划包括两部分内容：“中国大气复合污染的成因与应对机制的基础研究”和“大气细颗粒物的毒理与健康效应”。该项目属于第一部分：中国大气复合污染的成因与应对机制的基础研究。