雾霾、霾和PM2.5

大家在阅读空气污染相关的新闻报道或者时事评论,以及科学博客时普遍感到困惑的一个问题是,用来描述雾霾的词汇竟然有好多个。譬如说,雾霾、霾和PM2.5,还有灰霾、大气颗粒物、细颗粒物、可吸入颗粒物以及PM10等等。不同来源的文章往往使用一个或者一个以上的上述词汇来描述雾霾这一现象。这种词汇的转换使用往往会让读者迷惑。尤其是相当多的作者本身对这些词汇含义的把握不够精准,导致在某些语境状况下不恰当使用某些词汇的例子屡见不鲜,更加迷惑普通大众。那么这些“雾霾词汇”(意即描述雾霾这一现象的词汇)的来龙去脉究竟是怎样的?如何正确理解文章中出现的这些词汇?以及怎样在恰当的语境中正确使用这些词汇呢?我们从专业工作者的视角来谈谈这个问题。

大家注意到,文章开头我已经三次使用“雾霾”一词:“描述雾霾的词汇”,“雾霾这一现象”以及“雾霾词汇”。“雾霾”实际上是大众词汇,是老百姓用来表示肉眼见到的因为空气污染导致的能见度很差的现象。正如这世上本没有雾霾,雾霾这个现象出现次数多了,才有了“雾霾”这个词。所有,从本质上讲,“雾霾”这个词是一个通俗词汇,或者叫草根词汇,老百姓一听就明白,雾霾指的是到处都是朦朦胧胧,空气里焦味十足,出门时需要带口罩的那种天气现象。注意到,雾霾现象有两个特征,一个是朦朦胧胧看不清:意味着能见度降低,一个是空气里有焦味或其他异味,需要戴口罩:意味着空气污染严重了。然而“雾霾”的通俗性决定了它的不科学性,某些情况下有误导的嫌疑。原因是雾霾不是雾,但是,纯粹的雾也会导致能见度变差。两者的区别是,雾霾是空气污染导致的,雾是空气中的小水滴导致的;雾霾发生时,能见度降低会危及交通安全,同时空气污染加重会危害人体健康;大雾发生时,则只有能见度问题,而没有连带的健康问题。但是,普通大众从肉眼的角度很难区分这两者。因此,相当多的专业人士倾向于使用“灰霾”一词来指征老百姓所指的“雾霾”,“灰霾”一词经过了严格的学术定义,意图在于消除“雾霾”一词因雾(湿度)引起的混淆因素。然而判断“雾霾”(即“灰霾”)的发生,无论如何都需要借助科学手段,这便有了更多其他描述雾霾现象的词汇。

实际上,雾霾在西方发达国家的历史上并不是什么新鲜的事情,只不过,他们不叫它“雾霾”。在英语世界里,与“雾霾”基本对等的老百姓词汇是“烟雾”(smog)。和“雾霾”一样,smog也是由描述两个现象的词再创造出来的词汇,一个是smoke(烟),另一个是fog(雾),因为这个现象在肉眼看来既像烟又似雾。10年前,在美国的高速公路显示牌上,还经常能够看到“smog alert”的警告,提醒大家由于空气质量预报显示空气污染的可能恶化,提请自觉减少机动车出行。令美国人庆幸的是,近年来,“smog”出现的频率越来越低,以致现在一年也没有一两回。年轻人更是很多都不知道“smog”这个词的真正含义。

那么,在科学上,我们用什么术语来描述老百姓的词汇“雾霾”所指代的现象呢?答案是霾,英文叫“haze”。霾的简单定义是:由于空气中的痕量物质,包括颗粒物和气体,对光发生消光作用,导致能见度较低的现象。我们可以看到,从对能见度降低的角度来看,“霾”的定义与“雾霾”的指称是一致的。实际上,在学术上,霾就是用能见度的数值来度量的。只不过,因为历史传统的原因,表怔能见度的量度有不同的方式。一种古老的方式,是采用肉眼能见距离来表征,也就是我们通常所说的能见度距离,比方说“能见度小于10千米”。能见度距离的测量传统上是人工肉眼判断的,好处是简单、直观,但是主观性强,并不是准确的科学量度。另一种更为科学的量度方式是通过测量大气消光系数来表征和确定能见度好坏。用这种方法,对能见度的量度是精确可重复的。另外,还能通过测量空气中痕量物质的成分和浓度,直接估算地面和高空的大气消光系数,再对这些系数做垂直高度上的积分,便可以计算出能见度数值。但是这个能见度数值已不再是我们熟知的能见度距离,而是一个叫deciview的能见度指数。这个指数和能见度距离之间的关系并不是一个简单的对应关系,而是一个很复杂的非线性的反比关系。西方国家尤其是美国在对霾的长期研究中总结出了大气消光系数和空气中的痕量物质浓度之间的数值关系,譬如下面这个IMPROVE公式:

大气消光系数=2.2xfs(RH)x小粒径硫酸盐细颗粒物浓度 + 4.8xfl(RH)x大粒径硫酸盐细颗粒物浓度 +  2.4xfs(RH)x小粒径硝酸盐细颗粒物浓度 + 5.1xfl(RH)x大粒径硝酸盐细颗粒物浓度 + 2.8xfs(RH)x小粒径有机细颗粒物浓度 + 6.1xfl(RH)x大粒径有机细颗粒物浓度 + 10x元素碳细颗粒物浓度 + 1x土壤细颗粒物浓度 + 1.7xfss(RH)x海盐颗粒物浓度 + 0.6x粗颗粒物浓度 + 当地的瑞利散射系数 + 0.33x二氧化氮浓度

公式中fs(RH)和fl(RH)以及fss(RH)分别是计算小粒径和大粒径细颗粒物浓度以及计算海盐颗粒物浓度对消光系数贡献时的相对湿度订正系数,它们随相对湿度变化而有显著的数值差异。

从上面这个公式我们可以看出,大气消光系数(以及能见度)和空气中颗粒物以及痕量气体的浓度之间是有某种间接的线性关系的。但是,这种关系,严重依赖于空气的湿度状况以及颗粒物的化学成分和粒径大小。比方说,单位浓度的元素碳对消光系数的贡献远大于其他物种,而气体的贡献则非常微不足道。可见,能见度和空气中痕量物质浓度之间并没有一个简单的线性关系。也就是说,霾以及它的表征量能见度,只能定量描述老百姓语言里的“雾霾”关于眼睛能看见的那一部分,而对呼吸到的那一部分,并不能直接有效的定量描述。

那么,在大气环境科学领域内,我们用什么术语来描述“雾霾”所指的空气污染这一部分呢?答案是:空气质量(air quality)。大家都很熟悉的PM2.5就是科学家和政府机构用来表征空气质量的指标之一。目前,国际上通常采用六种空气污染物的浓度数值来表征空气质量。这六种空气污染物分别是PM2.5,PM10,二氧化氮,二氧化硫,一氧化碳和臭氧。PM2.5和PM10都是科学家对大气颗粒物的指称,但是它们有粒径大小上的差别。PM10是指动力学直径小于10微米的大气颗粒物,又叫可吸入颗粒物。PM2.5是指动力学直径小于2.5微米的大气颗粒物,又叫细颗粒物。显然,PM10包括了PM2.5。实际上PM10里面除却PM2.5的那一部分,即动力学直径小于10微米但大于2.5微米的大气颗粒物,也有一个专门的名称,我们叫它粗颗粒物,或者PMC。也就是说,粗颗粒加上细颗粒无等于可吸入颗粒物。可吸入颗粒物,顾名思义,就是可以直接被吸入人体肺部的颗粒物。那么相对于PM10来说,科学家们为什么更强调PM2.5的危害呢,原因是颗粒物进入人体呼吸道甚至肺部以后,PM2.5更易直接进入血液系统,对人体造成更为致命的危害。目前世界上,不同的国家颁布的空气量质量标准是各有差异的。我们国家目前颁布的且即将正式执行的空气质量标准显然还处在初级阶段,即标准相对来说很宽松,对相对敏感人群的保护非常有限。不管怎样,空气质量最终是用测量到的以上六种空气污染物浓度,对照国家空气质量标准设定的每个污染物的各级污染程度的浓度限值,再转换为0-500的空气质量指数来数量化的。最后我们选取指数最高的空气污染物作为首要污染物,并用首要污染物的空气质量指数作为最后的空气质量量度。从这里,我们可以清楚地看到,PM2.5只是空气质量的指标之一,并不是空气质量的全部。也就说,“雾霾”所指的空气污染,以PM2.5为代表(表现为IMPROVE公式中出现的大部分颗粒物成分),仅仅是空气质量问题的一部分。譬如,臭氧是另一个重要的健康杀手,但是,臭氧浓度升高,并不显著影响能见度,也就是说单纯由臭氧引起的空气污染并不显现为“雾霾”现象。这就提请广大老百姓要充分注意了,没有肉眼可见的“雾霾”并不意味着危害健康的空气污染没有发生。自我保护的正确做法是,经常通过查看中国环境监测总站或者当地监测中心实时发布的空气质量监测信息,来准确判断是否有空气污染发生,从而确定是否出门以及做好何种防护。另外,矮马预报以及当地政府的空气质量预报也是很好的信息来源,可以用来合理安排未来1-2天或者4-5天的个人或集体出行和户外活动。

至此,大家应该对与雾霾相关的各种概念和术语有了一个全新的准确认识。下面,我们通过一个例子再来谈一谈关于如何准确使用这些雾霾词汇的问题。前不久,环境保护部会同中国科学院、中国工程院组织召开了全国重点地区城市大气污染物来源研究工作领导小组第一次会议,对全国重点地区城市大气污染物来源研究工作进行部署安排,以期推进大气污染物来源解析工作。中国环境报以及21世纪经济报道都对这次会议作了重点报道,两篇报道都得到了相当广泛的转载。然而21世纪经济报道的文章“三大地区和重点城市年底前完成雾霾源解析成果的论证”通篇采用了“雾霾源解析”的说法,而这个说法,本身是错误的。我们知道“雾霾”是一种现象,是一个有两种特征的现象。我们可以说去追查“雾霾”的成因,即弄清楚为什么“雾霾”发生时,PM2.5浓度会升高,能见度会下降。但是,源解析,英文叫source apportionment,是一个专业术语,仅针对大气污染物浓度而言。也就是科学家针对观测到的大气污染物浓度,比如PM2.5浓度,利用科学手段分析这个浓度是由哪些污染源以何种比例的贡献造成的。源解析是一个定量的分析过程。中国环境报的说法“大气污染物源解析”是正确的。

文章分类 PM2.5科普
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