在环境领域，无论是研究还是管理（环境标准和排放法规）长期以来均针对单个典型污染物及其在自然环境中迁移转化、归趋及生态效应。自然环境是由多个介质（大气、水、土壤、生物）组成的复杂体系，而环境污染大多数是由多种污染物组成的复合污染体系，而污染对生态系统的效应，实际上是多种污染物及自然存在物质相互作用后产生的长周期综合效应（戴树桂 2005）。美国环保署（USEPA）于1990年指出：“近20年的经验表明，基于单个污染物的污染与控制的单介质规律已不适用。”

        北京大学的研究人员对大气复合污染提出如下定义：快速的城市化导致大量的污染物集中释放到大气，多种污染物均以高浓度同时存在，并发生复杂的相互作用；在污染现象上表现为大气氧化性增强、大气能见度显著下降和环境恶化趋势向整个区域蔓延；在污染本质上体现为污染物之间源和汇的相互交错、污染转化过程的耦合作用以及对人体健康和生态系统影响的协同或阻抗效应（朱彤 2005）。大气复合污染的特征表现为同时出现高浓度的O3和细颗粒物PM2.5，这一特征在珠江三角洲和京津冀地区近年的观测中非常明显（朱彤 2005；辛金元等 2010）。

       一般来讲，大气复合污染是指来自不同排放源的各种污染物在大气中发生多种界面之间的理化过程并彼此耦合而形成的复杂大气污染体系。其复合性主要体现在以下两个方面：在污染来源上，多种主导源排放的大气污染相互叠加，局地、区域和全球污染相互作用；在大气理化过程中，均相反应与非均相反应相互耦合，局地气象因子与区域天气形势相互影响。其主要结果是二次污染物尤其是二次细颗粒物大量增加。

        低层大气中颗粒物和O3的增加是空气污染的两个主要后果。大气颗粒物与O3之间也存在相互作用，主要体现在以下几个方面：颗粒物通过影响光辐射通量来影响光化学反应过程与O3的形成；光化学反应在产生O3同时也产生二次颗粒物，二者具有化学耦合关系；颗粒物参与非均相化学反应过程，导致化学反应过程更加复杂化（Meng et al. 1997）。对流层中散射紫外线的颗粒物可以加速光化学反应，促进光化学烟雾的形成（Portmann et al. 1996; Dickerson et al.1997）。此外，大气颗粒物对极地平流层臭氧层具有破坏作用。颗粒物与O3的相互作用对大气化学物质的循环、大气氧化能力、空气质量以及环境气候、生态等均有重要的影响，辨析其相互作用关系对于控制大气复合污染具有重要的意义。

        实际上，无论是在发达国家还是发展中国家的大城市中，PM2.5与O3并列为最重要的两种大气污染物（Streets et al. 2007; Molina and Molina2004）。PM2.5中既有无机组分，也有有机组分；既有由多种污染源直接排放的一次颗粒物，也有由气态前体物通过均相和非均相反应转化而成的二次无机气溶胶（主要是硫酸盐sulfate、硝酸盐natrate和铵盐ammonium，简称为SNA）和二次有机气溶胶（SOA）；既有本地产生的，也有长距离传输的。低空O3通常是在高温季节易于产生并超标，而PM2.5的浓度尽管也可能呈现季节性的变化，但在许多城市地区全年均可能形成高浓度污染。因此，相对于O3，PM2.5更能代表大气复合污染的复合性及复杂的综合信息。

颗粒物与大气复合污染

        自工业革命以来先后发生了几种典型的大气污染，包括煤烟型污染（伦敦型烟雾）、机动车尾气型污染、酸沉降和光化学烟雾（洛杉矶型烟雾）等。发达国家的大气污染在过去50年间经历了巨大的变化。直到第二次世界大战之后，最重要的城市污染物是用于发电和取暖的化石燃料燃烧所排放的二氧化硫（SO2）和烟炱（soot，也称为碳粒聚集体）。此后，随着转向使用较为清洁的燃料及采取高烟囱和烟气脱硫等措施，这一污染问题部分得以解决。另一方面，这一时期机动车数量的快速增长导致NOX、挥发性有机物（VOCs）以及一些地区的光化学污染问题的出现。近年来，细颗粒物和有机物成为关注的中心（Fenger 2009）。

        在这些典型的大气污染中，从地域尺度看既有局地污染（如城市污染），也有区域污染，如全球先后出现了欧洲、北美及亚洲三大酸沉降区；从污染物的角度，既有一次污染，也有二次污染，其中由SO2、NOx和SVOCs等前体物转化而成的二次颗粒物是其中关键的污染物，涵盖人体健康、酸沉降、水体富营养化、低空O3及辐射强迫和气候变化等环境影响。

        ABC是大气复合污染的一个典型例子。20世纪90年代科学家发现在印度次大陆和亚洲大陆上空及其下风向季节性地持续数月笼罩着一层厚约3 km、主要由生物质燃烧和工业排放的污染物所形成的棕色气溶胶气层，称之为亚洲棕色云（Asian brown cloud）或者亚洲霾（haze）（棕色的呈现主要是由于黑炭（BC）颗粒和NO2气体对可见光的吸收所致）。之后在各大洲也陆续发现了类似的现象，故统称为大气棕色云。

图跨海洋和跨大陆的ABC烟羽（以同化的人为源AOD表示）的季节分布：左上角为11月~3月，右上角为7~8月，左下角为4月~6月，右下角为9月~10月 (Chung et al. 2005; Ramanathan et al. 2007)。

        在亚洲，ABC在各季节均有发生。亚洲拥有全球60%的人口，加之亚洲经济在过去几十年飞速发展，导致化石燃料燃烧、交通运输和工业的排放迅猛增加（UNEP2002），可能是亚洲ABC频发的根源所在。发表于2000年的一项研究预测，亚洲人为源排放的气溶胶将在未来25年内成为世界范围内的主要来源（Nakiecenovicand Swart2000）。ABC主要集中出现在一些热点地区和特大城市（Ramanathan and Feng 2009）。UNEP在最近发布的《大气棕色云：亚洲区域评估报告》中指出，中国东部是霾的重点覆盖区域，北京、上海和深圳位列亚洲13个霾热点城市之中（Ramanathan et al. 2008）。

        大气颗粒物污染具有多尺度的特征：单个源排放直接造成的微尺度（microscale, 10~100m）和局地尺度（middle scale, 100m~4km）污染；城市复杂多样的点、线、面源的混合、扩散及化学转化造成的城区尺度（urban scale, 4~100km）污染；城区和城郊之间、城市和城市之间污染物的相互传输、转化造成的复杂的区域（regional scale, 100~1000km）污染；以及颗粒物长距离传输造成的大陆和大陆间尺度（continental and intercontinental scale, 1000~10000km）及全球尺度（global scale, >10000 km）的颗粒物污染（Chow et al.2002; Watson and Chow 2001）。在大气中，较大的空间尺度与较长的时间尺度相关联。对于大气颗粒物，所关注的空间尺度也随时间尺度而延伸，如持续多日的霾、ABC等在空间尺度上具有典型的区域性。由于细颗粒物相对于粗颗粒物在大气中存在的时间更长，传输距离更远，因此大气颗粒物中细颗粒物质量份额的增加（富集）反映其区域性特征的增强。

        颗粒物贯穿于大气复合污染的来源、成因和影响等各个方面，是大气复合污染中具有综合信息的关键污染物。大气颗粒物的复合型污染特征具体表现在如下几个方面：

（1）来源复合：自然源与人为源排放的大气颗粒物的复合，点源、线源和面源组成的复杂体系排放的多种化学成分的复合。

（2）空间复合：其环境影响呈现出城市（如空气质量）、区域（如能见度）与全球（气候变化）等多尺度的复合；同时，处于一定尺度区域内的城市间大气颗粒物呈现较明显的相互影响作用。

（3）成因复合：指一次颗粒物与二次颗粒物的复合。如前所述，颗粒物不仅来自于污染源的直接排放，也来自于SO2、NOx及VOC等气态前体物在大气中通过均相或非均相（在颗粒物表面）反应生成SO42-、NO3-与有机气溶胶等二次颗粒物。

（4）过程复合：大气物理过程与大气化学过程的复合，即平流输送、湍流扩散、干沉降和湿沉降等物理过程与大气化学转化的复合，化学转化可在颗粒物的长距离输送过程中发生（Cheng et al.2005;Mori et al.2003）；其中，“扩散（diffusion）”指的是污染物通过湍流和分子的布朗运动而混合；“传输（transport）”定义为污染物的平流输送，包括由剪切流引起的不同方向不同高度层的物质平流运动，而“分散（dispersion）”包括扩散和传输。

（5）气象复合：局地气象因子与区域天气形势的相互影响与复合。

        影响局地污染物浓度的气象因子主要包括风速、风向、垂直方向的热稳定性、大气湿度、太阳辐射（或云量）和气温等，这些气象因子影响污染物在水平和垂直方向的扩散、水平对流、干沉降的强度、化学反应的强度和类型、以及生物排放和半挥发性污染物的挥发等物理化学过程。作为污染物传输驱动力的风场、大气湍流、边界层特征等气象因子，受城市热岛效应的影响，也具有区域性特征（蒋维楣等1993）。

        天气尺度的天气形势同样可以直接影响污染物的传输、扩散，以及传输过程中的二次转化与新核生成；此外，还可以通过影响局地气象条件来间接影响污染物的扩散（Power et al.2006; Wehner et al.2007）。例如，高空天气形势可影响近地面混合层高度，低压槽对应较大的混合层高度，低压脊则对应较小的混合层高度。一般情况下，混合层高度和颗粒物浓度呈负相关，但是混合层高度的变化一般并不能完全解释颗粒物浓度变化的幅度。混合层升高有时候也会导致颗粒物浓度升高，这可能是高空颗粒物或者气态前体物的向下混合造成的（Watson and Chow 2002）。

        综上所述，大气颗粒物污染的区域性特征与复合型特征密切相关，区域性大气颗粒物污染的多层次复合使得区域大气颗粒物污染的来源与成因更为复杂。