一直以來“霧”與“霾”實(shí)際上都是氣象科學(xué)中使用的兩個(gè)專業(yè)屬于，其定義如下：
霧是指在接近地球表面、大氣中懸浮的由小水滴或冰晶組成的水汽凝結(jié)物，是一種常見的天氣現(xiàn)象。當(dāng)氣溫達(dá)到露點(diǎn)溫度時(shí)(或接近露點(diǎn))，空氣里的水蒸氣凝結(jié)生成霧。根據(jù)凝結(jié)的成因不同，霧有數(shù)種不同類型。
當(dāng)氣溫高于冰點(diǎn)時(shí)，水汽凝結(jié)成液滴。當(dāng)氣溫低于冰點(diǎn)時(shí)，水汽直接凝結(jié)為固態(tài)的冰晶，比如冰霧。因?yàn)槁饵c(diǎn)只受氣溫和濕度影響，所以霧的形成主要有兩個(gè)原因：一是空氣中的水汽大量增加，使得露點(diǎn)升高至氣溫，從而形成霧，比如蒸汽霧和鋒面霧;二是氣溫下降至低于露點(diǎn)而生成霧，比如平流霧和輻射霧。
霧和云的不同在于，云生成于大氣的高層，而霧接近地表。
霾
霾，也稱灰霾(煙霞)，是指原因不明的因大量煙、塵等微粒懸浮而形成的渾濁現(xiàn)象。霾的核心物質(zhì)是空氣中懸浮的灰塵顆粒，氣象學(xué)上稱為氣溶膠顆粒。
空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏攘Ｗ右材苁勾髿饣鞚?，視野模糊并?dǎo)致能見度惡化，如果水平能見度小于10000米時(shí)，將這種非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的視程障礙稱為霾(Haze)或灰霾(Dust-haze)，香港天文臺(tái)稱煙霞(Haze)。一般相對(duì)濕度小于80%時(shí)的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霾造成的，相對(duì)濕度大于90%時(shí)的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霧造成的霾，相對(duì)濕度介于80-90%之間時(shí)的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霾和霧的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。霾的厚度比較厚，可達(dá)1-3公里左右。由于灰塵、硫酸、硝酸等粒子組成的霾，其散射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光比較多，因而霾看起來呈黃色或橙灰色。
以上定義源自中國(guó)氣象局官網(wǎng)【氣象科普】霧霾及其定義
從定義中可以看出，在世界范圍內(nèi)，還沒有從環(huán)境科學(xué)的角度，給出連續(xù)量化的霾的定義，就如同中醫(yī)中用“熱”和“寒”的概念時(shí)，大多只能指導(dǎo)中草藥的使用一樣，這直接導(dǎo)致了對(duì)空氣環(huán)境污染量化評(píng)價(jià)的困難，“分不清”霧與霾，直接導(dǎo)致社會(huì)人群的心理困惑或恐慌,也會(huì)有重大經(jīng)濟(jì)影響,已有的醫(yī)學(xué)研究利用空白對(duì)照研究表明,恐慌心理,可以直接使健康人表現(xiàn)出病態(tài)反應(yīng).科學(xué)﹑量化地分清霧與霾，變成了當(dāng)務(wù)之急。
就此，吸收借鑒歐、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在環(huán)境污染中的評(píng)價(jià)方法，中國(guó)的環(huán)保部門于2012年開始使用通過檢測(cè)大氣中氣態(tài)的一氧化碳、臭氧、氮氧化物、二氧化硫以及PM2.5、PM10顆粒物的AQI綜合評(píng)價(jià)方法，并將空氣質(zhì)量分為六級(jí)評(píng)價(jià)。這個(gè)評(píng)價(jià)方法，使得空氣環(huán)境的評(píng)價(jià)更科學(xué)合理并日趨與發(fā)達(dá)國(guó)家的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系接軌。
AQI的建立,使污染的評(píng)價(jià)從非連續(xù)的霧、霾概念,提升為更科學(xué)的連續(xù)的污染評(píng)價(jià)體系.
人類對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)是無(wú)止境的，這似乎源于新技術(shù)的發(fā)展以及人類對(duì)科學(xué)技術(shù)的不斷探索，這個(gè)過程在環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)上也是如此。
現(xiàn)有的AQI綜合評(píng)價(jià)方法中遇到的挑戰(zhàn)：
3個(gè)奇怪的試驗(yàn)現(xiàn)象：
1. 加濕器試驗(yàn)：環(huán)境監(jiān)測(cè)中，我們清楚水分對(duì)生物的危害通常是沒有的，但當(dāng)我們把由加濕器產(chǎn)生的純水霧通過采樣系統(tǒng)釋放給連續(xù)測(cè)試功能的PM粒子分析儀時(shí)，PM粒子分析儀會(huì)“誤判”并給出認(rèn)定為有害的PM粒子濃度，有的PM粒子分析儀甚至給出“嚴(yán)重污染”程度的PM粒子監(jiān)測(cè)結(jié)果
2. 環(huán)境監(jiān)測(cè)中，大雨初期，連續(xù)PM粒子監(jiān)測(cè)濃度也往往出現(xiàn)“嚴(yán)重污染”的類似結(jié)果
3. 即使在氣象中被認(rèn)定為“霧”的天氣，連續(xù)PM粒子監(jiān)測(cè)濃度也往往出現(xiàn)“嚴(yán)重污染”的類似結(jié)果
連續(xù)PM粒子監(jiān)測(cè)中，水分的變化干擾已經(jīng)成為影響PM粒子“真實(shí) ”表達(dá)空氣污染的嚴(yán)重因素
AQI評(píng)價(jià)中對(duì)每個(gè)污染權(quán)重因子是“疊加”和”優(yōu)化”(首要污染物)的關(guān)系，這樣單個(gè)高數(shù)值因子，就會(huì)對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。這也就是說：PM粒子的權(quán)重?cái)?shù)值對(duì)整個(gè)AQI評(píng)價(jià)很多情況下會(huì)產(chǎn)生重大影響。
看來，模擬人類感官(重量和視覺長(zhǎng)度)的監(jiān)測(cè)手段在揭示環(huán)境空氣污染的真相中至少還需要更科學(xué)的手段。
針對(duì)以上的問題，提出如下簡(jiǎn)易解決方法：
2個(gè)新評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建：氣溶膠有機(jī)碳指標(biāo)和二次有機(jī)碳指標(biāo)
人類已經(jīng)認(rèn)知的大氣科學(xué)特性:
包圍地球的大氣是一種由氣態(tài)物質(zhì)和可懸浮粒子組成的混合物,呈現(xiàn)氣溶膠狀態(tài),粒子與氣體物質(zhì)之間存在復(fù)雜的氣,液,固三項(xiàng)物理化學(xué)平衡狀態(tài),可懸浮粒子通常是有巨大比表面積的”多孔”物質(zhì),并且這些”孔”內(nèi)是吸附著氣,液,固物質(zhì).
按照化學(xué)常識(shí),每摩爾的液態(tài)或固態(tài)物質(zhì),轉(zhuǎn)化為氣態(tài)后的體積都可以達(dá)到22.4升,如18毫升的水,氣化后,體積可以達(dá)到22.4升.
也就是說,空氣中的氣溶膠粒子中“富集”著主要的環(huán)境污染物質(zhì).
這就是大氣研究中,氣溶膠成為熱點(diǎn)和重點(diǎn)的主要原因.
由于有機(jī)物是環(huán)境污染的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)(在世界范圍內(nèi),對(duì)于水和土壤的環(huán)境污染評(píng)價(jià)中已經(jīng)被廣泛認(rèn)可,在中國(guó),已經(jīng)建立國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)),環(huán)境空氣中,大氣氣溶膠中的有機(jī)物與氣態(tài)的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是直接相互轉(zhuǎn)化并關(guān)聯(lián)的,就是說,通過評(píng)價(jià)氣溶膠中的有機(jī)物可以同時(shí)揭示揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的污染程度.
二次有機(jī)氣溶膠:又稱二次有機(jī)碳,是直接排放如大氣的一次污染物,在大氣中再次發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),形成的有機(jī)物.人類經(jīng)歷的空氣污染教訓(xùn)表明:二次污染是對(duì)人類產(chǎn)生嚴(yán)重危害的物質(zhì)(如倫敦霧,紐約光化學(xué)污染等).
新AQI的構(gòu)建:
現(xiàn)行AQI也是大氣科學(xué)工作者多年工作的結(jié)晶,當(dāng)在這個(gè)科學(xué)評(píng)價(jià)方法中,把受水份影響的PM數(shù)值,調(diào)換為不受水份影響的氣溶膠有機(jī)碳(OC or AOC)數(shù)值時(shí),我們?cè)倏葱碌腁QI已經(jīng)不再是400-500以上,但氣溶膠有機(jī)碳只是整個(gè)粒子中的一部分,按北京大學(xué)等科研單位多年的源解析研究,有機(jī)物在氣溶膠粒子中的質(zhì)量占比通常在30%附近徘徊.
當(dāng)我們使用下表標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)空氣時(shí),很多結(jié)果將變得更科學(xué)(數(shù)據(jù)不再”恐怖”).
空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表
說明：
(1)二氧化硫(S02)、二氧化氮(N02)和一氧化碳(CO)的1小時(shí)平均濃度限值僅用于實(shí)時(shí)報(bào)，在日?qǐng)?bào)中需使用相應(yīng)污染物的24小時(shí)平均濃度限值。
(2)二氧化硫(S02)1小時(shí)平均濃度值高于800μg/m3的，不再進(jìn)行其空氣質(zhì)量分指數(shù)計(jì)算，二氧化硫(S02)空氣質(zhì)量分指數(shù)按24小時(shí)平均濃度計(jì)算的分指數(shù)報(bào)告。
(3)臭氧(03)8小時(shí)平均濃度值高于800μg/m3的，不再進(jìn)行其空氣質(zhì)量分指數(shù)計(jì)算，臭氧(03)空氣質(zhì)量分指數(shù)按1小時(shí)平均濃度計(jì)算的分指數(shù)報(bào)告。
對(duì)AQI的所有計(jì)算公式不變.(詳見HJ 633—2012),標(biāo)重部分為新設(shè)數(shù)值,并去除了PM10部分
筆者使用EPA-ETV認(rèn)證過的Sunset熱光法氣溶膠有機(jī)碳/元素碳分析儀在線連續(xù)觀測(cè)(使用TSP自動(dòng)采樣方式,空氣經(jīng)儀器自配溶蝕器去除SVOC,消除測(cè)試誤差,采樣量8升/分鐘,此數(shù)據(jù)比PM2.5采樣測(cè)試方式更嚴(yán)格)發(fā)現(xiàn):
按以上方法評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量時(shí),AOC在2014年10月期間(10月18日-10月19日)曾出現(xiàn)一次接近100μg/m3濃度的情況,新的AQI的數(shù)值也只在300-400區(qū)間,并且持續(xù)時(shí)間只有7個(gè)小時(shí).
圖一 重污染時(shí)的小時(shí)有機(jī)碳變化圖(10月18-19日)
圖二 10月9日到28日有機(jī)碳小時(shí)變化圖
圖三 氣溶膠有機(jī)碳日均數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)的分析：
從圖一的數(shù)據(jù)可以看出：10月18日出現(xiàn)的峰值數(shù)據(jù)有一個(gè)小時(shí)的氣溶膠有機(jī)碳在90-100微克/立方米，而在80-90微克/立方米的氣溶膠有機(jī)碳數(shù)據(jù)有6個(gè)小時(shí)，這或許提示我們：連續(xù)監(jiān)測(cè)氣溶膠的小時(shí)數(shù)據(jù)是揭示大氣污染的真實(shí)狀況的一個(gè)重要手段。
圖二的小時(shí)氣溶膠有機(jī)碳數(shù)據(jù)則清晰揭示了從10月9日-10月28日污染的波動(dòng)情況。
從圖三的日均曲線可以看出:2014年10月8日至28日,在所監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位區(qū)域,發(fā)生過3次污染加重的過程.但按本文的新AQI評(píng)價(jià),20天中,只有3天超過200的數(shù)值,低于200的AQI天數(shù)可以達(dá)到17個(gè),占總數(shù)的85%;而在150新AQI數(shù)值以內(nèi)的天數(shù)也可以達(dá)到70%.圖三的日均氣溶膠有機(jī)碳數(shù)據(jù)則清晰揭示了整個(gè)時(shí)間斷3個(gè)污染的峰值特性。
另一個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更耐人尋味:即使在室外空氣18-19日的污染狀態(tài),這個(gè)時(shí)候的氣溶膠有機(jī)物污染數(shù)值也只與良好天氣儀器所在實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)的氣溶膠有機(jī)物污染數(shù)值接近(見圖四)
圖四 室內(nèi)與室外氣溶膠有機(jī)碳日均數(shù)據(jù)的比較
二次氣溶膠有機(jī)碳(SOC)直接監(jiān)測(cè)模型:
具有很高的化學(xué)活性,這些物質(zhì)濃度升高后,在光照條件下,會(huì)與有機(jī)物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),生成二次氣溶膠有機(jī)碳, 很低濃度的二次氣溶膠有機(jī)碳就會(huì)對(duì)生物造成急性毒性反映(倫敦霧,紐約空氣污染事件等),由于存在AQI中的氣體指標(biāo)與二次氣溶膠有機(jī)碳的這種化學(xué)關(guān)聯(lián)關(guān)系,預(yù)警性的重大空氣污染事件有必要直接使用SOC指標(biāo)的小時(shí)數(shù)據(jù)作為快捷空氣質(zhì)量總體狀況評(píng)價(jià)手段.
由于沒有急性空氣污染大事件(倫敦霧,紐約污染)時(shí)的SOC原始數(shù)據(jù),制定對(duì)應(yīng)的限值還需要環(huán)境人工模擬和大量的醫(yī)學(xué)科研工作的進(jìn)一步研究,才可以得出準(zhǔn)確的結(jié)論.
已獲得的數(shù)據(jù),揭示的是:SOC與OC通常線性相關(guān),但偶發(fā)的高活性物質(zhì)是否會(huì)使SOC急劇超量變化,有待進(jìn)一步研究.但日常限制標(biāo)準(zhǔn)SOC與OC的倍量關(guān)系應(yīng)當(dāng)是客觀存在的.
圖五 18-19日強(qiáng)污染時(shí),二次氣溶膠的小時(shí)變化
圖六 10月9日至28日二次氣溶膠的小時(shí)曲線
圖七 10月9日至28日二次氣溶膠的日均波動(dòng)曲線
數(shù)據(jù)分析：
從以上三個(gè)圖譜及數(shù)據(jù)可以看出：重污染時(shí)SOC數(shù)據(jù)也是在小時(shí)區(qū)間內(nèi)發(fā)生很大變化的，小時(shí)級(jí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可以精準(zhǔn)研判污染的程度;而日均的數(shù)據(jù)可以使污染的趨勢(shì)更容易被解讀。
訂立怎樣的SOC等級(jí)作為快速評(píng)判污染發(fā)生的程度也是亟待有更多科技工作者加入的研究工作。SOC是基于氣溶膠碳數(shù)據(jù)的估算值，估算方法的科學(xué)性也會(huì)隨著人類認(rèn)識(shí)的提高而更能客觀表達(dá)真實(shí)的污染狀態(tài)，但基礎(chǔ)的化學(xué)知識(shí)或許已經(jīng)告訴我們：一次污染物(POC)的濃度增加以及自由基濃度的增加,光和溫度條件的加強(qiáng)，都會(huì)使二次氣溶膠(SOC or SOA)的濃度提高。
思考:
從OC,SOC的觀測(cè)數(shù)據(jù),可以看出:這兩個(gè)重要污染物質(zhì)是會(huì)發(fā)生小時(shí)時(shí)間內(nèi)的數(shù)值的大幅波動(dòng)的,這可能源于空氣污染物來源的多樣性、復(fù)雜性,以及二次污染的復(fù)雜性、污染源的千變?nèi)f化、二次污染的復(fù)雜化學(xué)變化,使“由果”推“因”的研究存在廣闊的空間。但這些研究的學(xué)術(shù)價(jià)值可能比環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用價(jià)值更大。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)资甑目諝鈿馊苣z研究產(chǎn)生了很多我們可以直接借鑒的成果,也附帶了大量的教訓(xùn)。去粗取精,特別是戰(zhàn)略方向上的科學(xué)研判,會(huì)使我們國(guó)家真正“實(shí)現(xiàn)少花錢,多辦事”.
中國(guó)真正重視環(huán)境空氣的歷史也不到短短的十年,這十年,我們的政府、空氣環(huán)境工作者及全民都參與其中。從監(jiān)測(cè)技術(shù)上看,政府的三期工程把我國(guó)的監(jiān)測(cè)水平提高到了同發(fā)達(dá)國(guó)家同步的狀態(tài)，但這些有巨大惠民利益的工作或許只是一個(gè)科技國(guó)家的起步，更精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)或許可以使我們國(guó)家的環(huán)境治理工作像激光制導(dǎo)武器那樣精準(zhǔn)切除污染源。
聲明內(nèi)容:
由于本文作者的知識(shí)水平和實(shí)驗(yàn)條件缺乏,本文中缺少大量驗(yàn)證性的科學(xué)工作,這或許會(huì)直接導(dǎo)致科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性問題,但這不會(huì)影響作者參與環(huán)境治理的熱情,及于國(guó)內(nèi)同仁交流的目的，讓我們國(guó)家的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)事業(yè)，從與國(guó)際同步發(fā)展到世界領(lǐng)先，掌握在國(guó)際空氣環(huán)境評(píng)價(jià)技術(shù)上的話語(yǔ)權(quán),“使美國(guó)大使館PM2.5”這樣的故事沒有機(jī)會(huì)重演.
本文中的任何假設(shè)和觀點(diǎn)都可以被相關(guān)科技工作者無(wú)須聲明地使用.
由于本文不計(jì)劃在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中發(fā)表,本文中已經(jīng)引用的文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)不再一一列出。在此,對(duì)被作者引用過文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、觀點(diǎn)等勞動(dòng)成果的科學(xué)工作者們,請(qǐng)一一自動(dòng)對(duì)號(hào)入座,作者一并表示感謝!
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