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关于雾霾和PM2.5的科普文章之二:为什么会“灰霾”

已有 9677 次阅读 2013-11-24 22:58 |个人分类:灰霾|系统分类:科普集锦| 科普, 灰霾

2014年5月24日下午注:

请关注本博文的网友也浏览一下我刚上传的博文:自荐科普文章:“图说‘雾霾’和PM2.5

上面有图,比较容易懂,而且有些概念已经更新。

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2014年5月22日上午注:

发现这篇博文点击率这两天突然升高,显示了网友的关注。为此我觉得必须解释一下:

 

本博文下面转贴的文章,是和前一篇文章几乎同时在20126-7月间写的,一篇在2012年发表,这篇晚了一年,是2013年出版的。这两篇文章写得比较早,经过之后时间的学习,和网友的交流和讨论,认识有提高(将另文具体说明),但发表了的文章(原文)不能修改,因此即使有了新的认识,也没有在下文中说明或修改。

 

本文转载的文章应当修改的至少有以下几点:

1)“但综合我国观测工作,尚未出现相对湿度低于50%发生灰霾的情况”,应当更正了。我后来写博文“霾不是雾,水汽不是最重要的”就说明雾主要是自然过程,霾主要是污染。而且根据各地开展的PM2.5监测结果和气象数据,说明灰霾在湿度为40%左右时也能发生。

 2)“相对湿度变化时,霾雾可以互相转化。”这个说法可能只对一半。特别是重霾已经发生,然后相对湿度降低时,PM2.5的浓度未必会迅速随之降低的。已经几次发现,PM2.5浓度起伏,有时和相对湿度的起伏不十分相关的情况。

 3)“气流幅合稳定,不利于扩散”应当改写为“气流幅合停滞,混合层厚度较簿”。因为已经发现各地重霾污染时,常对应较簿的混合层厚度。但望出去灰蒙蒙一片,本身就说明在混合层内,扩散条件是较好的(中性和弱不稳定)。

下面是原来的博文:

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应重庆大学《大学科普》之邀,2012年曾投稿两篇科普性文章:“认识PM2.5”和“为什么会灰霾”。前一篇发表于《大学科普》2012年第3期,85-87页。后一篇滞后了整1年:《大学科普》2013年第3期,85-87页。

昨天看到科学网上有博文“雾霾”,形式是科普,但感觉(1)问题很多;(2)网友需要相关信息。如果和那位博主讨论,又很费时费力。于是就把自己一年前写的文章贴在下面,以供参考。

因为写得比较早,有些内容可能要更新,欢迎网友批评!(11月25日上午注:关于灰霾健康影响问题,是文中最薄弱的方面,欢迎网友评论!一年多来,注意收集和学习了一些相关资料,想法有更新,也有新的发现。准备再写博文讨论)

第二篇是:“为什么会‘灰霾’”:

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为什么会灰霾

 

灰霾受到青睐,成了大众名词。特别是在2011年入秋到2012年初春,北京经历了几次严重灰霾,甚至祖国的象征~~天安门广场,也被笼罩在一片灰蒙蒙之中。不分男女老幼,不分行业不同和职位高低,都感到了空气污染的压抑。中国空气质量怎么了?还能正常生活和工作吗?是不是早年著名的空气污染杀手伦敦烟雾到了北京?本文从污染气象学知识和已知研究成果出发,解释什么是灰霾、灰霾怎样发生、灰霾和PM2.5的关系、灰霾和知名烟雾事件的区别、我国灰霾污染的发展、灰霾的危害、以及灰霾控制等问题。

 

1. 什么是灰霾

 

大气环境能见度的降低可以由雾(fog)、轻雾(mist)、霾(haze)、烟雾(smog)、火山灰、灰尘、沙尘或雪造成。其中,雾、轻雾和霾主要指不同大小的含水液滴或气溶胶,世界气象组织曾建议关于相对湿度,雾接近100%,轻雾95~100%,霾小于80%。我国科学家则建议灰霾的相对湿度可能高达90%[1]灰霾期间相对湿度可能关于地域有差异,但综合我国观测工作,尚未出现相对湿度低于50%发生灰霾的情况。

 

灰霾是我国气象科研人员在2002年一次重要研讨会上提出的新名词[2],形象地描述了出现灰霾,能见度下降时的感觉:厚重、灰蒙蒙地,区别于大城市可能发生光化学烟雾时,有时偏浅蓝色的轻霾;也区别于东南亚洲航测可能发现的棕色云团。含义双重,还可以指颗粒物。灰霾指明由大气污染物引起,和湿度密切相关,因此是一种污染气象现象。相对湿度变化时,霾雾可以互相转化。如果气象现象为主,有时可能称之为雾霾(例如湿度接近和超过90%时)。灰霾指明污染实质,具有科学性。如果翻译成英文,可以是“Gray Haze”。然而,这个英文词尚未得到国际学术界的接受。我国研究人士向国际期刊投稿时,仍然只能翻译成“Haze”。至于用阴霾烟霞替代灰霾,只是媒体用语,不是学术词汇。

 

2、灰霾怎样发生

 

我们之所以看到蓝天、黑烟、或能感觉灰霾,是因为入射到大气层的阳光被大气层中的物质吸收或散射。看到黑烟,是因为大量黑碳粒子吸收太阳光线;看到蓝天,是因为极其微小的空气分子的散射,对可见光频率范围的蓝色,以及更高频率的辐射更为强烈(Rayleigh散射);然而对悬浮在空中的细小粒子,特别是尺度接近可见光波长,亚微米级时,对各种频率光线的散射强度趋于均匀(Mie或气溶胶散射)。因此当细粒子聚集时,各种频率可见光都被严重消光,感觉灰色。

 

发生在我国的灰霾现象主要是气溶胶散射类型。晴好天气条件下,虽然漂浮在空气中,这些细小颗粒物并不可见。当遇到气流幅合稳定,污染物聚集,而又有适当的相对湿度(70~90%左右)时,PM2.5的吸湿性组分,会吸收水分而增长体积,大大增强散射能力,增强消光系数,损害大气能见度,形成灰霾。由此可见,发生灰霾必须有三个条件同时满足:(1PM2.5污染严重;(2)气流幅合稳定,不利于扩散;(3)合适的湿度。

 

美国宇航局卫星遥感影像揭示,北京地区PM2.5污染早在2006年以前已经严重[3]。近年来灰霾趋于频繁,可能是增加了气候变化的影响因素。例如我国的降水雨带有形态和方向的变化,北方地区水汽增加,北京居民说桑拿天多了。这种湿度升高的影响,是北京发生灰霾的重要原因。

 

3、灰霾和PM2.5的关系

 

污染气象学术界比较共同的认识是,灰霾是由PM2.5中吸湿性强的组成部分,在适当气象条件下,吸湿增大,加强了散射强度及消光强度造成。PM2.5指粒度小于等于2.5微米的细小颗粒物。PM2.5的化学组成十分复杂,可以是直接从污染源排放的颗粒物,如黑烟、汽车尾气、烹调油烟、香烟烟气、沙尘和扬尘等,又称为一次污染物;也可以是原本是污染气体,在空气中经过化学反应形成的硫酸滴、硫酸盐、硝酸滴和硝酸盐等,又称为二次污染物,也是主要的吸湿性组分。野外实验表明,灰霾过程中PM2.5的吸湿性组分有明显增强,在灰霾过程中起主要作用。

 

有研究应用薄膜采样和电子显微镜观察空气中硫酸盐和硝酸盐的性状,发现硫酸盐多出现于较为细小的颗粒物中,呈球形,常小于1微米;硝酸盐则较多出现于较粗的颗粒物中,有针状结构。吸收水汽时,硫酸盐类粒子常发展“卫星滴”结构,和灰霾现象相关较好[4,5]。但是,灰霾发生前后微细颗粒物在空气中发生的形态和体积变化,怎样影响能见度的降低,亟需进一步深入研究。

 

4、灰霾不同于伦敦烟雾洛杉矶烟雾

 

伦敦烟雾源于工厂烟囱和民用取暖直接排放的黑烟,主要是一次污染物,如二氧化硫(SO2)等气体和烟尘。又遇地面逆温等恶劣的扩散条件和阴湿气象条件,形成严重污染和烟雾,直接损害人体健康。伦敦烟雾是伴随人类第一次工业革命,燃煤和蒸汽机的大量使用,又缺乏环境保护知识和措施发生的后果。——1952年曾在5天内造成超过4000人死亡,后续研究甚至认为因此死亡的人数达12,000人!

 

洛杉矶烟雾是光化学烟雾,主要是由汽车排放的NOX在阳光照射下,发生光化学反应造成。因为内燃机结构和汽车使用的特殊性,经常有不完全燃烧,因此也排放大量VOC~挥发性有机化合物,很多是烃类。VOC是发生光化学烟雾的另一必要条件,因此认为汽车尾气是光化学烟雾的元凶。光化学烟雾的标志性产物是臭氧(O3),还醛类物质和细颗粒物,是一次和二次污染物的混合物。对人体呼吸系统有直接影响:呛人、眼睛刺激等。

 

灰霾主要影响大气能见度,是物理性质的影响,可以感到身心压抑,但人群并不感觉呼吸道及口眼部位有直接刺激,这就和 伦敦烟雾洛杉矶烟雾有直接刺激有了本质的区别。而且发生灰霾时,和阳光是否充足,是否有VOC没有明显关系。

 

5、我国灰霾污染发展状况

 

我国早在上世纪80年代研究酸雨时,就开始研究PM2.5,当时称为气溶胶,是酸雨的前体物。关于灰霾,在2006年前后研究出现了高潮。我国气象部门综合发现有北方、华东、华南、西北和西南灰霾区,通常高发季节出现在冬春季,一天之中夜间至上午为高发时段。各地霾日在空间上均呈东多西少的分布态势;大部分地区均呈冬季多,夏季少,春秋季居中的特点。1961-2005年,全国平均年霾日数呈现明显的增加趋势,2004年为近45年来最高值。我国东部大部地区主要呈现增加趋势,特别是长江中下游、珠江流域及河南西部等地。但西部和东北地区则以减少趋势为主。虽然总体说来,我国相关城市自2001年以来灰霾呈现加重趋势,但有些城市情况不同,例如,太原、济南、上海,报道灰霾日数在下降。广州仍有严重灰霾事件发生,但灰霾发生的年日数从2006年以来逐年下降[6]。尽管专家对观察选点的代表性有不同意见,2011年广州灰霾日数是历年来最低[7]。近年来这些城市机动车数量上升很快,灰霾年日数下降是否应当解释为2007年国家严格要求后,当地脱硫设施建设和运行的成效?

 

6、灰霾的危害

 

大范围灰蒙蒙的灰霾污染,不仅使人群感到压抑,而且容易使体弱,或在呼吸系统或心血管系统原本就有疾患的人群中心理紧张,但灰霾对人体健康的危害可能是有限的:灰霾主要是由PM2.5中的吸湿性组分,特别是硫酸盐和硝酸盐引发。关于硫酸盐和硝酸盐对人体健康的影响还有待于深入研究,至少不像伦敦烟雾和洛杉矶烟雾那样有直接刺激。我国酸雨污染早已严重,硫酸盐和硝酸盐是主要酸雨前体物,可以长距离输送,尚没有看到严重影响人体健康问题的报道。灰霾和气象条件密切相关:如果湿度进一步增加,就进化为雾,进化为雨,灰霾停止。如果湿度减小,阳光又灿烂,灰霾消散,那部分PM2.5还在不在?但灰霾时,建议心理紧张的人群,戴口罩出门,应当是一个好的措施。

 

但是,灰霾损害能见度显而易见,常导致高速公路停运或交通事故、船运和飞机航班的延误和取消,大闹航站楼和严重交通事故等。灰霾在这方面的社会经济影响却应当受到研究和重视。

 

7、灰霾控制

 

灰霾主要是PM2.5中吸湿性组分引起,是二次细颗粒物。如果把PM2.5全都控制住了,当然也控制住了其二次性的、吸湿性的组分。但容易误解为只需控制PM2.5的一次性部分就控制了灰霾,包括烟尘、扬尘、秸秆燃烧烟尘、汽车尾气颗粒物,特别是柴油机车黑烟等。这些控制当然对控制灰霾有部分作用,但如果没有对二氧化硫和氮氧化物排放的严格控制,灰霾照样会来。产生二氧化硫和氮氧化物的主力是电力热力生产和工业过程(主要是燃煤);虽然机动车尾气是产生氮氧化物的重要来源,但也只占氮氧化物源的1/3。要控制灰霾,应当控制汽车尾气,但更重要的是严格电力热力生产和重要工业过程的脱硫和脱硝工作!

 

8、结论

 

我国政府和人民对空气污染控制和治理投入很多,取得了明显成效,各地空气污染指数(API)基本上都呈现下降趋势,就是明证。酸雨、城区光化学烟雾、灰霾污染严重,则多属于二次空气污染问题。新制定的空气质量标准增设了PM2.5和臭氧要求,各地关于PM2.5的监测已经展开,体现了治理新形式空气污染的决心和行动。但对于偏重煤炭的能源结构,脱硫工作从2007年以后才实质性实施,脱硝工作还刚刚开始;尽管政府和专家大声疾呼要控制机动车尾气排放,哪个城市的机动车拥有量不在迅速增加?我们还需要更多努力才能进一步改善空气质量。

 

参考文献

 

1、 吴兑2005:关于霾与雾的区别和灰霾天气预警的讨论,《气象》31(4)3-7

2、 吴兑2012:近十年中国灰霾天气研究综述,《环境科学学报》,32(2)257-269

3、 NASA: New Map Offers a Global View of Health-Sapping Air Pollution, 09/22/10, accessed on 2012/09/27, http://www.nasa.gov/topics/earth/features/health-sapping.html

4、 钱公望,刘焕彬1997:广州大气粒子中的硝酸和硫酸离子,《华南理工大学学报(自然科学版)》第25卷第10期,94-98

5、 赵灵霞,钱公望2006:对广州灰霾天气中单个气溶胶颗粒物的研究,《四川环境》 25(2)40-4

6、 蒋大和2010:关于灰霾研究和控制,中国环境学会年会论文集,上海,3545-3550

7、 羊城晚报2011-12-14:今年广州灰霾天数同比减少60 2016年前公布PM2.5http://news.ycwb.com/2011-12/14/content_3663120.htmaccessed on 2012/09/28

 

 

 



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