灰霾天气的内涵与特征

灰霾天气的内涵与特征

几天前，理学对污染有了定义，但这个定义并不详细。霾本来是一种自然现象,中国文化在3000多年前对霾亦有提及。“霾”字最早出现在甲骨文中,在三千多年前的《诗经·邶风·终风》里有“终风且暴”、“终风且霾”、“终风且曀”的诗句,这里即是说大风吹起了尘土。“霾”字的古义就是尘,它还有一个通假字“”,其实比我们现在使用的“霾”字更通俗易懂。古籍《尔雅释天》对霾的解释是“风而雨土曰霾”;《说文》对霾的解释是“风雨土也”;《竹书纪年》也载有“帝辛五年雨土于亳”的记录,这里的“雨”字是动词,表示“落”、“降”、“下”的意思,“雨土”就是“降尘”,所以用现代汉语来解释,大致是“刮风落土就是霾”。因而,古人的“霾”泛指了今天的“扬沙”、“尘卷风”、“沙尘暴”、“浮尘”等天气现象,当时在中原的陕西、山西、河南、河北这些现象并不少见,而这些现象都是现代天气现象“霾”的前身,另外,火山爆发、森林大火、人类活动排放的气溶胶污染也能形成“霾”。由于经济规模迅速扩大和城市化进程加快,大气气溶胶污染日趋严重,由气溶胶造成的能见度恶化事件越来越多,这些人类活动排放的污染物,包括直接排放的气溶胶和气态污染物通过化学转化与光化学转化形成的细粒子二次气溶胶,可形成灰霾(特指人类活动源排放的大气污染物诱发的低能见度事件),致使能见度下降。也有人将其称为烟尘雾、烟雾、干雾、烟霞、气溶胶云、大气棕色云。非常简洁的灰霾天气的描述就是“气溶胶粒子在高湿度条件下引发的低能见度事件”。如果气溶胶浓度足够高,而湿度较低,并不会出现典型低能见度事件,因而高湿度是在高浓度气溶胶基础上形成严重灰霾的必要条件,即吸湿后的气溶胶其消光系数会增加3~6倍,使得能见度明显恶化。随着人类活动的影响,近年来灰霾的出现频率越来越高,在我国东部城市区域,灰霾天气从1950-1970年代的每年几天增加到目前的每年100~200天以上。灰霾出现时,能见度明显恶化,空气质量明显下降。形成灰霾天气的气溶胶组成非常复杂。近年来由于灰霾天气日趋严重引发的环境效应问题和气溶胶辐射强迫引发的气候效应问题,广泛地引起科学界、政府部门和社会公众的关注,而成为热门话题。1999年Ramanathan等发现,在亚洲南部上空经常笼罩着一层3km厚的棕色气溶胶云,并称其为亚洲棕色云,我国有人将其称为灰霾天气,后来发现各大洲都存在类似现象,又将其称为大气棕色云。并进而提出,原来假定的气溶胶辐射强迫的冷却效应要作一定的修正,尤其认为大气灰霾中的黑碳气溶胶是气候变暖的重要角色,这就使得气溶胶辐射强迫对气候变化影响的不确定性增加,而且也涉及环境外交的压力。1气溶胶的组成和性质广义讲灰霾天气的本质是细粒子气溶胶污染,属于大气气溶胶的范畴,科学界的气溶胶定义是“气体介质中加入固态或液态粒子而形成的分散体系称为气溶胶”。但长期以来,到目前为止还没有一个统一的被大家接受的大气气溶胶分类和不同类型气溶胶的统一的命名系统。大气气溶胶的概念有物理特征和化学特征之分,气溶胶分类可以基于来源分类,如自然源(又可分为大陆源、海洋源和生物源)与人类活动排放源;也可以按照产生方式分为机械粉碎、燃烧、气粒转化和凝并、碰併等;按照组分可以分为无机成分(包括矿物粉尘(土壤尘、沙尘、火山灰)、海盐、黑碳、硫酸盐、硝酸盐等)和有机成分(包括有机碳氢化合物、其他有机物(如优控苯并芘(PAHs)、持久性有机污染物(POPs)等)和有生命的生物气溶胶如:花粉、孢子、病毒、细菌和动植物蛋白碎屑等)、按照谱分布可以分为巨粒子(如降水粒子、云雾粒子、沙尘)、大粒子(如海盐、土壤尘、火山灰)、细粒子(如源于光化学烟雾)、超细粒子(如新粒子-气粒转化刚刚形成的分子团)等;按照辐射特性可以分为辐射吸收性粒子和散射性粒子等等多种分类法。而且气溶胶主要以混合物的形式存在,极少以单质的形式存在,除非是凝结核在不饱和大气中受寇拉曲线约束,不能越过过饱和驼峰而在次微米尺度震荡的硫酸微滴和硝酸微滴。排除降水粒子(雨滴、冰雹、霰、米雪、冰粒和雪晶)后,其中气溶胶中的水滴和冰晶如果在近地面层就是气象学的雾和轻雾,气溶胶中的其他非水成物就是气象学所称的霾。我国改革开放以来,在全球变化的大背景下,在城市群区域气溶胶污染日趋严重,能见度恶化事件越来越多,人类活动使得气溶胶细粒子污染日趋严重,灰霾现象迅速增加,组成灰霾的化学成分发生重大变化,使得灰霾现象主要由人类活动所造成,因而有着重要的环境意义和空气质量指示意义。见图1~3。2灰病的天气条件关于灰霾的识别,在我国科学界和气象业务人员之间分歧颇大,著名大气物理学家和资深教授们普遍认为形成雾(轻雾)必须有核化过程发生,这需要过饱和环境,活化粒子是环境过饱和比超过其临界过饱和比,或者粒子直径超过临界直径的粒子。凝结核可能的过饱和核化湿度大致介于95%~101%;而自从1952年以后,广大观测员不成文的识别辅助判据,都将界定霾与雾(轻雾)的相对湿度定得非常低,有低至55%的台站,高者也仅仅85%,显然明显偏低,如何得到一个合理的标准,还需要进行大量的在高湿度背景下的实际高精度观测和理论研究工作,而后在现有认识水平下提出相应的识别建议。按照气象出版社《大气科学词典》的解释,霾指悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体,组成霾的粒子极小,不能用肉眼分辨。当大气凝结核由于各种原因长大时也能形成霾。在城市严重空气污染地区,霾可以频繁出现。根据中国气象局《地面气象观测规范》规定,霾指大量极细微干尘粒,均匀浮游空中,使空气普遍混浊,水平能见度小于10km的现象,远处光亮物体微带黄色、红色,黑暗物体微带蓝色。形成霾的天气条件一般是气团稳定、较干燥,在一天中任何时候均可出现。国家气象行业标准规定“霾是一种天气现象,霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水平能见度小于10km的空气普遍混浊现象,又称灰霾。香港天文台和澳门地球物理暨气象局称霾(灰霾)为烟霞。”并限定出现霾时相对湿度低于95%。在不同历史时期,WMO和其它国家气象机构曾经给出过区别霾与轻雾的建议,其中也有使用相对湿度作为辅助判据的,英国天气局在1994年规定出现霾时相对湿度低于95%,而对于轻雾,WMO1984年的规范中,建议高的相对湿度,在1996年的规范中又建议相对湿度通常比100%低,在2001、2005、2008年的规范中建议相对湿度大于95%;英国天气局分别在1982、1991、1994年规定出现轻雾时相对湿度低于100%但≥95%;造成这些差异的原因,主要是长期以来对组成霾的气溶胶粒子的认识需要相关知识积累的过程,随着近年来对气溶胶物理化学性质的深入了解,这个问题逐步得到了共识。灰霾的厚度比较厚,可达1~3km左右,一般灰霾的日变化不明显。灰霾与雾、云不一样,与晴空区之间没有明显的边界,灰霾粒子的分布比较均匀,因而在灰霾中能见度非常均匀;而且灰霾粒子的尺度比较小,从0.001μm~10μm,平均直径大约在0.3~0.6μm左右,肉眼看不到空中飘浮的颗粒物。由于尘、硫酸与硝酸微滴、硫酸盐与硝酸盐等粒子组成的灰霾,其散射波长较长的光比较多,因而灰霾看起来呈黄色或橙灰色。由于我国城市污染气溶胶中有许多黑碳粒子,因而主要呈橙灰色。另外有人认为,人类活动排放的气态污染物,比如二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等等,也能散射、吸收可见光,使得能见度恶化。灰霾天气已经成为我国东部城市群区域一种严重的灾害性天气现象。在对大量长期历史资料进行统计时,在排除降水、吹雪、雪暴、扬沙、沙尘暴、浮尘、烟幕等等视程障碍现象的情况下,通过调试相对湿度,使得雾与轻雾反映自然的年际与年代际气候波动,而灰霾反映由于人类活动而引起的趋势性变化,相对湿度限值大体在90%左右,而Bret和Doyle在讨论美国和英国灰霾影响能见度的长期变化趋势的研究中,也明确指出原始的能见度观测资料需要去除降水等视程障碍并进行相对湿度订正才能确保高质量,他们都去除了相对湿度大于90%的资料,只研究了相对湿度小于90%时的能见度变化趋势,这样可以将轻雾中误判的灰霾分离出来,也可以将灰霾中误记的轻雾分离出去。关于灰霾定义与判别标准的争议还在继续,主要是对气溶胶粒子,尤其是次微米粒子的吸湿增长、混合状态和核化特性都知道得还非常少。可能的解决途经倚赖于气溶胶粒子的精确观测,其中两点是关键,一是找到能精确识别大气粒子是否是水滴的快速器测方法,这有赖于光学技术的发展;二是精确测量核化点,即凝结核自相变湿度开始活化直到完全变成水滴的湿度阈值,目前已经看到可喜的进展,初步结果相对湿度远高于95%而接近100%。因而可以初步给出日常观测和预报时具体识别灰霾的概念模型,如图4。3光化学烟菌种的基本情况我国自1980年代开始早期的气溶胶污染应该是与直接排放的粉尘污染相关联,而后进入二氧化硫污染时代,二氧化硫氧化的硫酸盐粒子与直接排放的粉尘粒子叠加形成了第二类颗粒物污染,我国大城市目前进入光化学污染导致能见度恶化的污染周期,应该是经济规模与运输业高度发展后,交通源与溶剂使用增加排放的污染物引发的光化学烟雾污染出现,再叠加上直接排放的粉尘和硫酸盐粒子,进入了新型复合大气污染时代。光化学烟雾是一种由于新型复合空气污染形成的使空气普遍浑浊的天气现象。人类活动产生的污染源排入大气的碳氢化合物(CH)和氮氧化物(NOX)等一次污染物,在阳光的作用下发生光化学反应,生成臭氧(O3)、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物,进而形成光化学烟雾的主要产物细粒子二次气溶胶。参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象叫做光化学烟雾。我国高频发生的城市灰霾天气现象主要是由于光化学烟雾污染所引起。光化学烟雾随着城市化进程的加快和经济规模的扩大而日趋严重。在城市区域的气溶胶中,巨粒子与次微米粒子数量常常相差106倍,而能见度的恶化主要与细粒子关系比较大,尤其是出现较重气溶胶污染导致低能见度事件时,细粒子的比重会更大。细粒子一般与气粒转化相关联,而气粒转化的快速过程就是机动车尾气等排放的光化学反应气态前体物(氮氧化物、一氧化碳、挥发性有机化合物)通过紫外线驱动光化学过程,最终形成了有机硝酸盐等细粒子。对光化学烟雾的认识远不清晰,尤其是对光化学烟雾前体物与产物的认识,无论从观测事实来看,还是从机理分析来看,较之光化学烟雾标识物臭氧,都非常贫乏。至于光化学烟雾前体物的光解速率和产物的光化速率,以及气溶胶与光化学过程的相互影响,治理灰霾是否引发更严重的臭氧污染等问题,在当前的认知水平上疑问亦颇多。4灰病天气与气象因子的关系形成灰霾天气,大气污染物的源排放是内因,气象条件是外因。城市大气污染使得灰霾可以频繁出现。大气污染物源的排放占标率越高,灰霾天气出现频率越高。源排放达到最不利扩散气象条件的容量限值时,开始出现灰霾天气;源排放达到一般扩散气象条件的容量限值时,灰霾天气频发;源排放达到最有利扩散气象条件的容量上限时,天天都会出现灰霾天气。我们知道,排入大气中的污染物主要来源于自然排放和人类活动的排放。而在一段时期内,其总量是大致稳定的,但有时出现严重的灰霾天气,有时却又是蓝天白云,决定性的控制因素是气象条件。在不同气象条件下,同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差几十倍乃至几百倍,这是由于大气对污染物的稀释扩散能力随着气象条件的不同而发生巨大变化的缘故。因此,研究气象因子对灰霾天气的影响,进而科学、有效地预测和动态调控污染物排放以治理灰霾天气,是十分重要和紧迫的研究课题。国内外已有很多学者从天气形势、逆温层、混合层以及各种气象因子的角度对空气质量进行了大量的研究,对于灰霾天气与气象条件的关系,仍然缺乏系统的研究,较之气溶胶物理化学特征的研究而言,知之甚少。比如大气污染物的稀释扩散,到底是平流输送为主,还是垂直交换、湍流输送为主?仍然存疑。少数灰霾天气的研究表明,典型例子如处在台风外围,受下沉气流控制,形成气流停滞区,混合层被压低,地面风速很小,气溶胶不易扩散,从而导致能见度很低,易出现严重的灰霾天气。近地层输送条件即地面风场是和大气污染物稀释扩散密切相关的,近地层风的变化对大气污染物的传输和扩散影响显著。其作用表现在两个方面:第一是风的水平搬运作用,排入到大气中的污染物在风的作用下,被输送到其它地区,风速越大,污染物移动也越快;第二个作用是风对大气污染物质的稀释作用,污染物在随风运移时不断与周围干净的空气发生混合,使得污染物得以稀释。我国东部是季风气候区,受季风影响显著,旱季盛行东北风,雨季盛行偏南风。在大尺度季风背景下,还会受到海陆风、山谷风、城市热岛环流、翻越山岭下沉气流等的复合影响。气流停滞区的形成反映了区域平流输送条件,气流停滞区造成污染物的停滞、积累。还有一点非常重要,湿度增加对气溶胶消光系数的增加起到了推波助澜的作用,灰霾粒子吸湿后会使能见度更加恶化。而这个过程的细节还不清楚。尤其是不同尺度,不同成分的气溶胶粒子的消光贡献不同,是如何分配的?它们在不同的湿度环境中的消光贡献又如何?不同区域不同城市的差异如何?都是近期急需研究的内容。如果再考虑到黑碳粒子的催化作用,复杂的气溶胶非均相反应更是前沿研究课题。5灰病发生与肺癌死亡的关系灰霾天气中大量极细微的粒子,很大部分可通过呼吸道进入人体肺泡,造成对人群的伤害。卫星测量显示,中