由細顆粒物污染造成的灰蒙蒙的天空,經常被稱作“霧霾”天,然而作為天氣現象的“霧”與“霾”古已有之,在氣象領域也有專門的定義,用“霧霾”來指代由細顆粒物造成的污染天,還需要慎重考慮。
在《論語》中,孔子認為做事情必先正名,名不正則言不順,言不順則事不成。同理,在對科學概念的認識中,弄清楚科學概念的本質,是科學研究的基礎。那么,“霾”可以用來指顆粒物污染天嗎?
答案是否定的。
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在氣象、環境和日常生活里,詞語“霾”(haze)被廣泛使用,然而霾并不能用來指代污染,二者識別出來的天數差別迥異。
之所以霾日不能指代污染日,主要是在識別霾日前,需要首先剔除掉特殊天氣日,如果在下雨、沙塵、下雪、濃霧等特殊天氣里發生嚴重污染,并不能算作霾日,只能算作是特殊天氣日。
用來判斷霾日的能見度受多種因子影響,并不能完全表示顆粒物濃度變化引起的消光。
1. 霾,古今不同
“霾”字出現的非常早,在甲骨文中早已多次出現過,例如《甲骨文合集》(編號13467)記錄“茲雨不惟霾”,其含義為“這場雨不會帶來陰霾的天氣吧?”《甲骨文合集》(編號13469)記載“惟霾,……有作”,含義為“天色陰霾,……將有什么事情發生呢?”
最早對“霾”字進行解釋的是《爾雅·釋天》:“風而雨土為霾”,詩經中也有其他詩句如“終風且霾,惠然肯來”(《詩經·邶(bèi)風·終風》)。因此,古代的霾是自然現象,指沙塵天氣,主要對應浮塵、揚沙現象。偶爾有森林或者草原燃燒,霾也被用來指比較陰晦的天氣。
時至今日,我們日常生活中提到的“霾”主要是人類活動造成的,尤其是燃料燃燒、工業排放、交通排放過程中產生了大量氣溶膠顆粒物(被稱作一次排放),以及大量的二氧化硫、氮氧化物、揮發性有機化合物(VOCs)等氣態污染物,排放進大氣的氣態物質在有利條件下冷凝為分子簇,繼而通過冷凝、碰并形成顆粒物(被稱作新粒子生成)。有研究認為,新粒子生成對于全球顆粒物濃度的貢獻遠高于一次排放。
這些大氣中的顆粒物成分復雜,幾乎包括了元素周期表的所有元素。當重污染襲來時,說空氣“有毒害”絕對不是危言聳聽。這些顆粒物里包含了復雜的酸、堿、鹽成分,還有烴、醛/酮、醇、酸、脂等有機物,吸附的成分還包括流感病毒、結核桿菌、肺炎球菌、螨蟲、花粉等,也包括汞、鉛、鎘等重金屬元素。細小的顆粒物可直接通過呼吸系統進入支氣管和肺部,而極細的顆粒物甚至可以穿透人體血腦屏障,對人體健康造成的影響還在深入評估中。
所以,盡管“霾”這個名稱已經流傳了幾千年,但是今天我們所說的“霾”不僅與數百年前味道相差大,配方也早已完全不同了。
當然,遠遠望起來都是灰蒙蒙的。這為“霾”詞匯的混用留下了隱患。
2. 霾,不同領域標準不同
2.1 傳統的氣象領域
在氣象領域,對霾(haze)的觀測和記錄有上百年歷史。我國最早的氣象觀測規范《氣象須知》(1930年4月)即有霧、輕霧(霿、靄)和霾的區別。
1943年的《增訂測候須知》對霾做出詳細規定:“極細微之塵點聚集低層浮游空中障礙視線之現象,地平視距在2km以下,色多呈青灰或土黃色。2~4km為輕霾。”
1948年發布的《氣象測報簡要》對霾的定義進一步擴展:“空氣中細微不可見之塵?;螓}粒多量存在,致天氣渾濁不清,景物宛若披有落幕而減其色澤。水平能見距離約在2km之上10km之下。其存在由5km外景物迷糊現象及其色澤決定。”
1950年發布的《氣象測報簡要》,對霾的定義進一步細化:“空氣中細微不可見之塵?;螓}粒多量存在,致天色渾濁,景物模糊,如同蓋上了一重薄紗幕的現象。背景暗淡時,呈微藍色;背景明亮時,呈土黃或橘黃色。能見度約為5~20km。遠物僅現大致輪廓。霾和輕霧很相似,但顏色不同。”
1954年的《氣象觀測暫行規范》進一步把霾分為三個等級,水平能見度2~10km、1~2km和
根據《地面氣象觀測規范》(2003)和《地面氣象觀測業務技術規定實用手冊》(2016),現行霾的定義為:“大量極細微的干塵粒等均勻浮游在空中,使水平能見度
以上所有的霾的標準中,都規定霾不能與降雨、霧、沙塵、 浮塵、冰晶、煙幕等天氣現象兼記,即如果一個霾日,同時還是雨日、霧、沙塵、浮塵等天氣,則這一日不能記做是霾日,而應該按照雨日、霧日、沙塵日等天氣現象來記錄。
因此,氣象上霾日的識別一般遵循以下的步驟:
1)剔除掉降雨、霧、沙塵、浮塵等特殊天氣;
2)在剩余的日子里,按照相對濕度和能見度標準判斷某日是否霾日。
其中相對濕度和能見度標準在各個研究中有小的差別,例如相對濕度有研究用
2010年,中國氣象局發布氣象行業標準《霾的觀測和預報等級》(QX/T 113-2010),2018年,中華人民共和國國家標準《霾的觀測識別》(GB/T 36542-2018)發布,對霾日的識別進一步細化。在2018年的標準里,已經對2010年的標準進行了修改,剔除掉PM2.5的標準,代之以大氣消光系數的相關參數,表面看來與顆粒物總數分道揚鑣。
因此氣象上特殊天氣、霾(包括濕霾)、霧、濕霾的區分可以用下圖來表示:
2.2環境領域的標準
環境領域對于“霾”事件的判斷多基于細顆粒物的濃度,一般通用PM2.5的觀測值,即環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5微米的顆粒物的多少。根據《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)和《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》(HJ 633-2012),空氣質量可以分為1~6級,如下表所示:
環境領域研究對顆粒物濃度多少算是一個“霾”(haze)日,沒有統一的標準,比如Cai Wenju等在Nature Climate Change研究重污染haze day,所用的標準即是PM2.5濃度大于150微克/立方米。
在氣象和環境兩個領域內,都用“霾”這個詞匯,但標準卻不同。氣象是因為傳統和歷史,一直在用霾。而環境領域,則是因為在最初定義重污染天氣的時候,稀里糊涂地用了“霾”這個詞。最早誰用“霾”來描述目前顆粒物污染的現象,已經無從考證了。
那到底這二者所定義的霾日是同樣的么?
答案是否定的。
3.“重名”帶來的困擾
最近,在 《Atmospheric Environment》 雜志上發表了一篇題為 Distinction of two kinds of haze 的文章,對氣象概念上的霾與環境概念上的霾進行了比較。
對于氣象霾的定義,研究所用的標準是:1)剔除掉降雨、沙塵、霧、降雪等特殊天氣;2)以日均能見度vis
滿足以上標準的日子即確定為霾日,因此可以把一年365天分為三種:
1)SWDs:特殊天氣+霧日(包括輕霧);2)HDs:霾日(MHD);3)ODs:視程較好的“其他”天氣,這主要包括晴天和不影響視程的多云與陰天。
對于環境概念上的霾,用日平均的PM2.5數據,以PM2.5日濃度大于75微克/立方米為標準,大于此數值即為環境意義上的霾日(EHD)。
將兩種霾日進行比較,發現二者差距巨大。
以北京為例,在2013-2017年期間,平均每年的氣象霾(MHD)日數為77天,而環境霾(EHD)日數為141天,其中77天的MHD中有61天屬于 EHD,另有16天顆粒物濃度并不超標,算是空氣質量“優”和“良”的天氣。而顆粒物濃度超標的天數里,有大量的天數(80天,占EHD57%)并不屬于MHD。