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(<50 ug/m3)，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。