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關於PM2.5的十個問答

作者：我思念於 2011-12-9 10:12 發表於最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:網路文摘|已有12評論

科學松鼠會 @ 2011-12-6 5:34
1. PM2.5是什麼？
如果是初次接觸，「PM2.5」這一串字元也許會讓你看得雲里霧裡，不知所云。其實它有一個容易理解的中文名——細顆粒物，是對空氣中直徑小於或等於2.5微米的固體顆粒或液滴的總稱。這些顆粒如此細小，肉眼是看不到的，它們可以在空氣中漂浮數天。人類纖細的頭髮直徑大約是70微米，這就比最大的PM2.5還大了近三十倍。

PM是英文particulate matter（顆粒物）的首字母縮寫。準確的PM2.5定義要在「直徑」之前加一個修飾語「空氣動力學」，這可不是故作高深。空氣中的顆粒物並非是規則的球形，那怎麼定義又怎麼測量其直徑呢？在實際操作中，如果顆粒物在通過檢測儀器時所表現出的空氣動力學特徵與直徑小於或等於2.5微米且密度為1克/立方厘米的球形顆粒一致，那就稱其為PM2.5。這樣的定義也就決定了在測定PM2.5時，需要利用空氣動力學原理把PM2.5與更大的顆粒物分開，而不是用孔徑為2.5微米的濾膜來分離。

知道了PM2.5的定義，就很容易得出PM10的定義了——將定義中的2.5換成10即可，PM10也被稱為可吸入顆粒物。在PM10中，直徑在2.5至10微米之間的顆粒物被稱為粗顆粒物，與細顆粒物相對。

2. PM2.5來自哪裡，都有些什麼成分？

雖然自然過程也會產生PM2.5，但其主要來源還是人為排放。人類既直接排放PM2.5，也排放某些氣體污染物，在空氣中轉變成PM2.5。直接排放主要來自燃燒過程，比如化石燃料（煤、汽油、柴油）的燃燒、生物質（秸稈、木柴）的燃燒、垃圾焚燒。在空氣中轉化成PM2.5的氣體污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨氣、揮發性有機物。其它的人為來源包括：道路揚塵、建築施工揚塵、工業粉塵、廚房煙氣。自然來源則包括：風揚塵土、火山灰、森林火災、漂浮的海鹽、花粉、真菌孢子、細菌。

PM2.5的來源複雜，成分自然也很複雜。主要成分是元素碳、有機碳化合物、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽。其它的常見的成分包括各種金屬元素，既有鈉、鎂、鈣、鋁、鐵等地殼中含量豐富的元素，也有鉛、鋅、砷、鎘、銅等主要源自人類污染的重金屬元素。

2000年有研究人員測定了北京的PM2.5來源：塵土佔20%；由氣態污染物轉化而來的硫酸鹽、硝酸鹽、氨鹽各佔17%、10%、6%；燒煤產生7%；使用柴油、汽油而排放的廢氣貢獻7%；農作物等生物質貢獻6%；植物碎屑貢獻1%。有趣的是，吸煙也貢獻了1%，不過這只是個粗略的科學估算，並不一定準確[1]。該研究中也測定了北京PM2.5的成分：含碳的顆粒物，硫酸根，硝酸根，銨根加在一起佔了重量了69% 。類似地，1999年測定的上海PM2.5中有41.6%是硫酸銨、硝酸銨，41.4%是含碳的物質[2]。

3. PM2.5對健康有什麼危害？
PM2.5主要對呼吸系統和心血管系統造成傷害，包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困難、降低肺功能、加重哮喘、導致慢性支氣管炎、心律失常、非致命性的心臟病、心肺病患者的過早死[3]。老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群. 如果空氣中PM2.5的濃度長期高於10微克/立方米，死亡風險就開始上升。濃度每增加10微克/立方米，總的死亡風險就上升4%，得心肺疾病的死亡風險上升6%，得肺癌的死亡風險上升8%[4-5]。

PM2.5的危害固然不可忽視，但仍不可與吸煙相比。對於煙民而言，千萬不要有「反正空氣污染，抽不抽煙一個樣」的心理。吸煙可使男性得肺癌死亡的風險上升21倍（也就是上升2100%），女性的風險上升11倍（1100%）；使中年人得心臟病死亡的風險上升2倍（200%）[6]。（編者按：本文經討論有修改。謝謝網友們的指正與討論。關於吸煙與空氣污染的風險，推薦閱讀白鳥的《空氣污染真的能摺合成吸煙數嗎？》）

從全社會的角度出發，降低PM2.5這些看似不大的風險，收益卻是很大的。美國環保局在2003年做了一個估算：「如果PM2.5達標，全美國每年可以避免數萬人早死、數萬人上醫院就診、上百萬次的誤工、上百萬兒童得呼吸系統疾病」[7]。相比當前的中國，美國當時的空氣質量已經相當不錯，只有很少的地區存在略微的超標[8]。如果中國的PM2.5能夠達標，社會收益無疑將會是巨大的。

上述關於PM2.5死亡風險的數據源自2002年發表於《美國醫學會雜誌》的一篇論文[4]。這篇論文分析了一項長期研究中參與者的死亡率和空氣污染之間的關係，發現死亡率升高與PM2.5和二氧化硫的污染有關聯，而與粗顆粒物污染沒有可靠的關聯。該項在美國進行的前瞻性研究始於1982年，當時招募了120萬的參與者。論文的結論是基於長達16年的隨訪數據，是目前關於PM2.5污染增加死亡風險最可靠的證據。

4. 如果沒有污染，PM的濃度有多高，現在實際有多高？
即使沒有人為污染，空氣中也有一定濃度的PM2.5，這個濃度被稱為背景濃度。在美國和西歐，背景濃度大約為3-5微克/立方米[5]，澳大利亞的背景濃度也在5微克/立方米左右[9]。中國的背景濃度有多高？目前尚無公開的數據，但應該不會和其他國家相差太大。

中國尚未開展大範圍的PM2.5監測，公開的PM2.5數據非常有限。位於廣州的環保部華南環境科學研究所從2011年從6月13日開始每日發布PM2.5監測值[10]，截至11月20日，濃度範圍在0.6至99 微克/立方米之間（註：0.6這個數據應該是儀器故障所致，正常值不會這麼低），平均值為38微克/立方米，這個值超過了擬發布的年均標準（35微克/立方米）[11]。在這121天中，已經有6天超過了擬發布的日均標準（75微克/立方米）。從近十幾年來發表的科學論文中，可以查到中國一些大城市某一區域某一階段的PM2.5的測定值。例如，2000年在北京的5個監測點測得的PM2.5年均值為101微克/立方米[2]；2008北京奧運會的17天中，在北大測得的PM2.5最低28.2，最高147.4微克/立方米，平均64.7微克/立方米[12]。1999年，在上海兩個監測點測定的PM2.5年均值為57.9和61.4 微克/立方米[2]。這些年均值都遠高於擬發布的年均標準（35微克/立方米）。

除了查閱以上這些零星的數據，我們還可以根據PM10的數據估算一下PM2.5的濃度。按照中國現行的空氣質量標準，PM10是常規監測指標，全國性監測已開展了十幾年。從2001年至2009年，全國主要城市PM10的平均值從125降到了90微克/立方米[13]。PM2.5和PM10之間的比例通常在0.5-0.8之間，我們取0.8做一個極端估算可得：2009年全國主要城市的PM2.5平均值為72微克/立方米，是即將發布的新標準的2.1倍（35微克/立方米）。和美國的空氣質量相比，這差多少呢？2009年，全美國年均PM2.5為9.9微克/立方米，在724個監測點中有90%以上的監測點年均值低於12.6微克/立方米[8]。

全國的年均值只是用來反映我國顆粒物污染的總體現狀，對於評價我們所在城市的空氣質量意義並不大。我們更需要關注的是離我們生活、工作最近的監測點的數據。這個數據哪裡有呢？如果你生活在北京而且恰好在美國大使館附近，那你可以參考該館發布的實時PM2.5數據。

不過值得一提的是，雖然美國大使館的監測儀器是專業的（見問答9），但是儀器的校準和操作其實都會大大影響到最終的測定結果。大使館畢竟不是環境監測部門，沒有證據表明他們的工作人員具備相應的專業知識，而且他們測出的PM2.5數值經常比環保部門以及第三方測定的PM10還高，這是不正常的。所以，美國大使館的數據可以作為參考，但不必把它作為唯一的信源。

然而，我們更多的人並不生活在北京，即使在北京也不在美國大使館附近，那我們該看哪裡的數據呢？全國主要城市的實時PM10數據可以在環境監測總站的網站上查到，每個城市都有數個監測點，我們可以選離得最近的那個點作參考。由於研究顯示，PM2.5 ：PM10一般在0.5-0.8之間波動，（見《今天空氣真的優良嗎？》）如果你很樂觀，那麼可以估算PM2.5=PM10 × 0.5，如果你很悲觀，那麼就估算PM2.5=PM10 × 0.8。

5. 其他國家實施PM2.5的標準了嗎，標準值是多少？
自從美國於1997年率先制定PM2.5的空氣質量標準以來，許多國家都陸續跟進將PM2.5納入監測指標。如果單純從保護人類健康的目的出發，各國的標準理應一樣，因為制定標準所依據的是相同的科學研究結果。然而，標準的制定還需考慮各國的污染現狀和經濟發展水平，在一個空氣污染嚴重的發展中國家制定極為嚴格的空氣質量標準只能成為一個華麗的擺設，沒有實際意義。根據美國癌症協會和哈佛大學的研究結果，世界衛生組織（WHO）於2005年制定了PM2.5的準則值。高於這個值，死亡風險就會顯著上升。WHO同時還設立了三個過渡期目標值，為目前還無法一步到位的地區提供了階段性目標，其中目標-1的標準最為寬鬆，目標-3最嚴格[5]。

下表列舉了WHO以及幾個有代表性的國家的標準。中國擬實施的標準與WHO過渡期目標-1相同。美國和日本的標準一樣，與目標-3基本一致。歐盟的標準略微寬鬆，與目標-2一致，澳大利亞的標準最為嚴格，年均標準比WHO的準則值還低。標準的寬嚴程度基本反映了各國的空氣質量情況，空氣質量越好的國家就越有能力制定和實施更為嚴格的標準.

【世界衛生組織（WHO）和一些國家的PM2.5標準（單位：微克/立方米）】

6. 中國的PM2.5標準和其他國家比，很落後嗎？
中國的PM2.5標準擬於2016年生效，雖然比美國落後了一二十年，但和歐盟的2015年生效相比，也不算太晚。如果僅從標準的數值來看，中國即將發布的新標準已經與WHO過渡期目標-3一致，雖然落後於發達國家，但也算是開始了三步走的第一步。然而，即使標準值相同，而評判是否達標的方式不同，約束力是有極大差異的。舉個例子，中國現行的空氣質量標準制定於1996年，其中PM10的日均標準為150微克/立方米，表面上已和美國現行標準一樣嚴格。但是，按照美國的標準，平均每年最多只能有1天超標，否則就算不達標，超標地區需要提交改進方案並加以實施。而在中國的標準文件中，沒有類似的規定。各地區在執行標準時，只是計算每年的「達標天數」和「達標率」。PM10的標準至今已經執行了15年，一個86.2%的達標率還可以作為正面消息報道[14]。

在即將發布的PM2.5新標準中，依然沒有規定多高的達標率才是可接受的。WHO和其他國家是怎麼規定的呢？WHO要求每年最多有3天超標（99%的達標率），澳大利亞最多5天，而美國和日本要求的達標率為98%。中國PM2.5標準的落後不僅是在標準值，更重要的是在約束力上。

7. 新標準即將發布，為什麼要到2016年才實施？?
對於這個問題，標準制定者是這樣回答的：「考慮到環境空氣質量標準實施是一項複雜的系統工程，以及目前全國的環境監測能力現狀，結合現行標準實施過程中的經驗，為保障數據準確性和可比性，將全國統一實施本標準的時間定為2016 年1 月1 日，以便為各地區預留足夠的準備時間，加強標準實施的有關配套工作[15]。」

這麼說有道理嗎？我們不妨參考一下其他國家是怎麼做的。在美國和澳大利亞環保部門的網站上，對於PM2.5標準的制定過程有非常詳細的備忘錄，我們就以這兩個國家為例。

美國早在1994年就宣布要增加PM2.5的指標。1994-1996年間，開了多次研討會，在1996年底發布了徵求意見稿。徵求意見期間共接了14000個電話，收到4000封電子郵件、50000份書面或口頭意見，而且多次通過聽證會、會議、電視節目徵求意見。經過這番誠意十足的意見徵求，終於在1997年9月16日發布了PM2.5的標準。但在那時，尚未展開全國的PM2.5監測，直到1999年各州才陸續開始，2000年PM2.5監測常規化[16]。

澳大利亞在2001年開始考慮，並在2003年制定了PM2.5的非強制標準。制定該標準的目的是收集數據，以便檢討這一標準是否合理，並準備於2005年開始考慮制定強制標準。在徵求意見的過程中，有反對者認為應該直接設立強制標準，否則缺乏約束力，意義也就不大。澳大利亞環保委員會（NEPC）認為當時缺乏足夠的PM2.5監測數據，沒法很好地評估不達標會帶來怎樣的影響，堅持了原先的做法[9]。直到今年（2011年），澳大利亞的PM2.5仍然不是強制指標[17]，不過這期間一直在做大量的監測和基礎研究工作[18]。

中國的PM2.5強制標準正在徵求意見中，並擬於2016年實施，「實施」的含義應該是指開展常規檢測並公布結果。美國從1997年發布標準到2000年全國監測常規化花了兩三年的時間。澳大利亞2003年發布非強制標準，隨後即開展全國監測。考慮到中國的國情，延後幾年「實施」有其合理性，但是四五年的時間是否太長了呢？

8. 怎麼測定PM2.5？
空氣中漂浮著各種大小的顆粒物，PM2.5是其中較細小的那部分（定義見問答1）。不難想到，測定PM2.5的濃度需要分兩步走：（1）把PM2.5與較大的顆粒物分離；（2）測定分離出來的PM2.5的重量。目前，各國環保部門廣泛採用的PM2.5測定方法有三種：重量法、β射線吸收法和微量振蕩天平法。這三種方法的第一步是一樣的，區別在於第二步。

將PM2.5直接截留到濾膜上，然後用天平稱重，這就是重量法。值得一提的是，濾膜並不能把所有的PM2.5都收集到，一些極細小的顆粒還是能穿過濾膜。只要濾膜對於0.3微米以上的顆粒有大於99%的截留效率，就算是合格的[19]。損失部分極細小的顆粒物對結果影響並不大，因為那部分顆粒對PM2.5的重量貢獻很小

重量法是最直接、最可靠的方法，是驗證其它方法是否準確的標桿。然而重量法需人工稱重，程序繁瑣費時。如果要實現自動監測，就需要用到另外兩種方法。

β射線吸收法：將PM2.5收集到濾紙上，然後照射一束beta射線，射線穿過濾紙和顆粒物時由於被散射而衰減，衰減的程度和PM2.5的重量成正比。根據射線的衰減就可以計算出PM2.5的重量[20]。美國大使館那台知名度很高的儀器依據的就是此原理。

微量振蕩天平法：一頭粗一頭細的空心玻璃管，粗頭固定，細頭裝有濾芯。空氣從粗頭進，細頭出，PM2.5就被截留在濾芯上。在電場的作用下，細頭以一定頻率振蕩，該頻率和細頭重量的平方根成反比。於是，根據振蕩頻率的變化，就可以算出收集到的PM2.5的重量[20]。

將PM2.5分離出來的切割器又是怎麼工作的呢？在抽氣泵的作用下，空氣以一定的流速流過切割器時，那些較大的顆粒因為慣性大，一頭撞在塗了油的部件上而被截留，慣性較小的PM2.5則能絕大部分隨著空氣順利通過。也許你已經覺察到，這和發生在我們呼吸道里的情形是非常相似的：大顆粒易被鼻腔、咽喉、氣管截留，而細顆粒則更容易到達肺的深處，從而產生更大的健康風險。

對於PM2.5的切割器來說，2.5微米是一個踩在邊線上的尺寸。直徑恰好為2.5微米的顆粒有50%的概率能通過切割器。大於2.5微米的顆粒並非全被截留，而小於2.5微米的顆粒也不是全都能通過。例如，按照《環境空氣PM10和PM2.5的測定重量法》的要求，3.0微米以上顆粒的通過率需小於16%，而2.1微米以下顆粒的通過率要大於84%[21]。

特殊的結構加上特定的空氣流速共同決定了切割器對顆粒物的分離效果，這兩者稍有變化，就會對測定產生很大影響，而使結果失去可比性。因此，美國環保局在1997年制定世界上第一個PM2.5標準的時候，一併規定了切割器的具體結構[16]。於是，雖然 PM2.5的測定儀器有不少品牌，它們外觀卻極為相似。

9. 市面上有些手機大小的儀器號稱可以測PM2.5，靠譜嗎？
和環保部門採用的標準方法相比，用非專業儀器測PM2.5顯然是不可靠的，但很難說到底有多不準，只有拿來和標準方法對比一下才知道。測出來的數據也許能說明一點問題，比如能分辯出房間里有沒有人吸煙，是不是剛掃過地，可是這些你的鼻子也能做到吧。

市面上的非專業儀器利用光散射的原理測定顆粒物濃度，這種方法並沒有被各國環保部門採納為標準方法，但是有依據此原理製成的專業儀器，在科研中也有運用。空氣中的顆粒物濃度越高，對光的散射就越強。光的散射相對容易測，把它測出來，理論上就可以算出顆粒物濃度了。但在實際運用中，事情並沒有這麼簡單。光的散射與顆粒物濃度之間的關係是很不確定的，受到諸多因素的影響，例如顆粒物的化學組成、形狀、比重、粒徑分佈，而這些都取決於污染源的組成。這意味著光散射和顆粒物濃度之間的換算公式隨時隨地都可能在變，需要儀器使用者不斷地用標準方法進行校正，沒有經過科學訓練的業餘人士不大可能辦得到。有研究者做過理論計算：利用光散射儀測定PM2.5，至少有30-40%的不確定性[22]。這種不確定性是這類儀器固有的，質量可靠的專業儀器尚且如此，更何況市面上儀器的質量並不都是理想的呢。

由於我國未將PM2.5、臭氧等污染物納入檢測體系，常常會出現空氣質量指數與公眾觀感相悖的狀況。然而，靠非專業人員操作非專業的或質量不高的專業儀器去監測空氣質量，並不能從根本上解決這個問題。更有效的監督手段，也許是呼籲環保部門早日在更多地點監測PM2.5，並讓全部數據對民眾更為公開、透明。現在新的《環境空氣質量標準》正在向公眾徵求意見，並擬於2016年實施[11]，公眾的聲音也許能使這一時間大大提前。

10. 灰霾天是PM2.5引起的嗎？
雖然肉眼看不見空氣中的顆粒物，但是顆粒物卻能降低空氣的能見度，使藍天消失，天空變成灰濛濛的一片，這種天氣就是灰霾天。根據《2010年灰霾試點監測報告》，在灰霾天，PM2.5的濃度明顯比平時高，PM2.5的濃度越高，能見度就越低[23]。

雖然空氣中不同大小的顆粒物均能降低能見度，不過相比於粗顆粒物，更為細小的PM2.5降低能見度的能力更強。能見度的降低其本質上是可見光的傳播受到阻礙。當顆粒物的直徑和可見光的波長接近的時候，顆粒對光的散射消光能力最強。可見光的波長在0.4-0.7微米之間，而粒徑在這個尺寸附近的顆粒物正是PM2.5的主要組成部分。理論計算的數據也清楚地表明這一點：粗顆粒的消光係數約為0.6平方米/克，而PM2.5的消光係數則要大得多，在1.25-10平方米/克之間，其中PM2.5的主要成分硫酸銨、硝酸銨和有機顆粒物的消光係數都在3左右，是粗顆粒的5倍[24]。所以，PM2.5是灰霾天能見度降低的主要原因。

值得一提的是，灰霾天是顆粒物污染導致的，而霧天則是自然的天氣現象，和人為污染沒有必然聯繫。兩者的主要區別在於空氣濕度，通常在濕度大於90%時稱之為霧，而濕度小於80%時稱之為霾，濕度在80-90%之間則為霧霾的混合體[25]。

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編者註：本文與作者溝通後有修改，謝謝大家的討論和指正。

參考文獻：
1. Zheng, M., et al., Seasonal trends in PM2.5 source contributions in Beijing, China. Atmospheric Environment, 2005. 39(22): p. 3967-3976.
2. Ye, B.M., et al., Concentration and chemical composition of PM2.5 in Shanghai for a 1-year period. Atmospheric Environment, 2003. 37(4): p. 499-510.
3. 美國環保局網站, http://www.epa.gov/air/particlepollution/health.html
4. Pope, C.A., et al., Lung cancer, cardiopulmonary mortality, and long-term exposure to fine particulate air pollution. Jama-Journal of the American Medical Association, 2002. 287(9): p. 1132-1141.
5. 世界衛生組織, WHO Air quality guidelines for particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide (Global update 2005, Summary of risk assessment).http://whqlibdoc.who.int/hq/2006/WHO_SDE_PHE_OEH_06.02_eng.pdf , 2005.
6. 美國疾病控制與預防中心網站,http://www.cdc.gov/tobacco/data_statistics/fact_sheets/health_effects/tobacco_related_mortality/
7. 美國環保局, Guidance for determining boundaries of fine particle attainment and nonattainment areas (fact sheet). 2003.
8. 美國環保局網站, http://www.epa.gov/airtrends/pm.html#pmloc
9. 澳大利亞環保委員會, Summary of Submissions received in relation to the Draft Variation to the National Environment Protection (Ambient Air Quality) Measure for Particles as PM2.5 and National Environment Protection Council's Responses to those Submissions.
10. 環保部華南環境科學研究所網站, http://www.scies.org/Data.asp
11. 環保部網站, 《環境空氣質量標準》（二次徵求意見稿）.http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201111/W020111121388004546031.pdf
12. Wang, W.T., et al., Atmospheric Particulate Matter Pollution during the 2008 Beijing Olympics. Environmental Science & Technology, 2009. 43(14): p. 5314-5320.
13. 環保部網站, 《環境空氣質量標準》（徵求意見稿）編製說明.http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201011/W020101130374443039627.pdf
14. 環保部網站新聞, 陝西渭南城區前半年環境空氣質量再創新高.http://www.mep.gov.cn/zhxx/gzdt/201107/t20110725_215367.htm.
15. 環保部網站, 《環境空氣質量標準》（二次徵求意見稿）編製說明.http://www.mep.gov.cn/pv_obj_cache/pv_obj_id_85F8326F38B939A7339DDA6AC9FA3A6D87680400/filename/W020111116602406614804.pdf
16. 美國環保局網站, National Ambient Air Quality Standards for Particulate Matter; Final Rule.http://epa.gov/ttncaaa1/t1/fr_notices/pmnaaqs.pdf
17. 澳大利亞環保委員會網站, http://www.environment.gov.au/atmosphere/airquality/publications/standards.html
18. 澳大利亞環保委員會, Review of the National Environment Protection (Ambient Air Quality) Measure: Discussion Paper, Air Quality Standards.http://ephc.gov.au/sites/default/files/AAQ_DiscPpr__Review_of_the_AAQ_NEPM_Discussion_Paper_AQ_Standards_Final_201007.pdf
19. 國家環境保護標準, 環境空氣PM10和PM2.5的測定重量法. (HJ 618-2011).
20. 美國環保局, Guidance for using continuous monitors in PM2.5 monitoring networks.http://www.epa.gov/ttnamti1/files/ambient/pm25/r-98-012.pdf
21. 國家環境保護標準, 環境空氣PM10和PM2.5的測定重量法 (HJ 618-2011)
22. Molenar, J.V., Theoretical analysis of PM2.5 mass measurements by nephelometry.http://vista.cira.colostate.edu/improve/publications/graylit/014_AerosolByNeph/AerosolbyNeph.pdf
23. 環境監測總站網站, 2010年灰霾試點監測報告完成. http://www.cnemc.cn/publish/106/news/news_18191.html
24. 美國環保局網站, Introduction to visibility. http://www.epa.gov/visibility/pdfs/introvis.pdf
25. 白志鵬，董海燕，蔡斌彬，朱坦，姚學祥, 灰霾與能見度研究進展. 過程工程學報, 2006. 6(增刊2).