氣溶膠霾與霧的區(qū)分

氣溶膠霾與霧的區(qū)分

濕度等對判斷標(biāo)準(zhǔn)的影響由于經(jīng)濟規(guī)模的快速擴張和城市化進程的加快，大氣中溶膠污染日益嚴(yán)重，從氣溶膠引起的能源惡化事件越來越多。因此，在觀察實踐中，與視程障礙相關(guān)的天氣現(xiàn)象的命名通常是困難的。當(dāng)能見度小于10km時，視覺障礙的天氣現(xiàn)象是多云還是輕微的霧？全國沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，而南方大多數(shù)采用特定的相對濕度閾值來區(qū)分，大多數(shù)閾值相當(dāng)?shù)?。比?廣東省規(guī)定由審核員答復(fù)觀測員,以相對濕度大于70%為霧或輕霧,相對濕度小于70%為霾;在湖北,關(guān)于霧和霾的區(qū)別有不成文的規(guī)定,即低能見度情況下,相對濕度≥70%一律記為霧,相對濕度≤60%則記為霾,相對濕度在60%～70%時可記為霧也可記為霾,可視具體情況而定,如前期干燥,空氣污染逐步加重時可記為霾,前期下雨潮濕,天氣逐步轉(zhuǎn)好時可記為霧;北京由觀測員代代相傳的不成文標(biāo)準(zhǔn)是以相對濕度大于70%記為霧或輕霧,相對濕度小于70%記為霾;安徽是全國唯一由省氣象局業(yè)務(wù)處規(guī)定,以相對濕度大于70%為霧或輕霧,相對濕度小于70%為霾的省份;……,而我國北方廣大地區(qū)由于濕度水平一般比較低,易于區(qū)分霾和霧這兩種天氣現(xiàn)象,故而大多數(shù)地方未規(guī)定附加的相對濕度標(biāo)準(zhǔn)。隨著近年來人們對大氣氣溶膠的認識逐漸深入,越來越感覺到原來的判斷標(biāo)準(zhǔn)缺乏理論依據(jù)和觀測員實踐經(jīng)驗的認同。另外,各省五花八門的標(biāo)準(zhǔn)也為相互比較和分析討論科學(xué)問題設(shè)置了障礙,因而有必要形成一個有一定科學(xué)基礎(chǔ),并得到同行認同,統(tǒng)一的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。1輻射霧的概念fagf首先來看一下霧的主要特征。霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng),是近地面層空氣中水汽凝結(jié)(或凝華)的產(chǎn)物,幾乎所有的氣象學(xué)教科書都強調(diào)霧是由水滴或冰晶組成的,因而相對濕度應(yīng)該是飽和的。霧的存在會降低空氣透明度,使能見度惡化,如果目標(biāo)物的水平能見度降低到1000m以內(nèi),就將懸浮在近地面空氣中的水汽凝結(jié)(或凝華)物的天氣現(xiàn)象稱為霧(Fog);而將目標(biāo)物的水平能見度在1000～10000m的這種現(xiàn)象稱為輕霧或靄(Mist)。形成霧時大氣濕度應(yīng)該是飽和的(如有大量凝結(jié)核存在時,相對濕度不一定達到100%就可能出現(xiàn)飽和)。就其物理本質(zhì)而言,霧與云都是空氣中水汽凝結(jié)(或凝華)的產(chǎn)物,所以霧升高離開地面就成為云,而云降低到地面或云移動到高山時就稱其為霧。一般霧的厚度比較小,常見的輻射霧的厚度大約從幾十米到一至兩百米左右,一般日變化比較明顯。霧和云一樣,與晴空區(qū)之間有明顯的邊界,霧滴濃度分布不均勻,因而在霧中能見度有比較大的起伏;而且霧滴的尺度比較大,從幾微米到100μm,霧滴的直徑大多在4～30μm左右,肉眼可以看到空中飄浮的霧滴。由于液態(tài)水或冰晶組成的霧散射的光與波長關(guān)系不大,因而霧看起來呈乳白色或青白色。2不同相對濕度時的大氣混氣視野模糊一般氣象的病料空氣中的灰塵、硫酸與硫酸鹽、硝酸與硝酸鹽、有機碳氫化合物等粒子也能使大氣混濁,視野模糊并導(dǎo)致能見度惡化,如果水平能見度小于10000m時,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(Ash-Haze),香港天文臺稱煙霞(Haze)。霾與霧的區(qū)別在于發(fā)生霾時相對濕度不大,而霧中的相對濕度是飽和的(如有大量凝結(jié)核存在時,相對濕度不一定達到100%就可能出現(xiàn)飽和)。作者認為一般相對濕度小于80%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霾造成的,相對濕度大于90%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霧造成的,相對濕度介于80%～90%之間時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。香港天文臺同行認為相對濕度小于85%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霾造成的,相對濕度大于95%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霧造成的,相對濕度介于85%～95%之間時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。霾的厚度比較厚,可達1～3km左右,一般霾的日變化不明顯。霾與霧、云不一樣,與晴空區(qū)之間沒有明顯的邊界,霾粒子的分布比較均勻,因而在霾中能見度非常均勻;而且灰霾粒子的尺度比較小,從0.001μm到10μm,平均直徑大約在1～2μm左右,肉眼看不到空中飄浮的顆粒物。由于灰塵、硫酸、硝酸等粒子組成的霾,其散射波長較長的光比較多,因而霾看起來呈黃色或橙灰色。由于在城市嚴(yán)重空氣污染地區(qū),霾可以頻繁出現(xiàn),又主要呈橙灰色,而且城市污染大氣氣溶膠中有許多黑碳粒子,因而我們也將其稱之為灰霾天氣,灰霾天氣已經(jīng)成為珠江三角洲地區(qū)一種嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。3相對濕度實際上,當(dāng)相對濕度增加時,霾粒子吸濕成為霧滴,而相對濕度降低時,霧滴脫水后霾粒子又再懸浮在大氣中,霾和霧是可以互相轉(zhuǎn)化的,但是,在觀測和預(yù)報實踐中,總要區(qū)分霾和霧,為方便識別,將霾與霧的區(qū)分要點列于表2。嚴(yán)格按照物理意義來區(qū)分,應(yīng)該在空氣飽和情況下,大氣顆粒物造成視程障礙才是霧和輕霧。如果造成視程障礙的粒子肉眼不可見,說明其尺度小至微米大小,根據(jù)開爾文定律,這樣大小的水滴能穩(wěn)定存在并不被蒸發(fā)掉,需要相對濕度大于100%,這在地球大氣層中并不容易出現(xiàn),因而,在大氣未飽和時,這些粒子應(yīng)該是霾。大氣科學(xué)詞典明確寫到:霧是“懸浮在貼近地面的大氣中的大量微細水滴(或冰晶)的可見集合體,……霧的形成主要是空氣中水汽達到(或接近)飽和,在凝結(jié)核上凝結(jié)而成。”同時,大氣科學(xué)詞典也明確寫到:霾是“懸浮在大氣中的大量微小塵粒、煙?；螓}粒的集合體,……組成霾的粒子極小,不能用肉眼分辨。當(dāng)大氣凝結(jié)核由于各種原因長大時也能形成霾。在這種情況下水汽的進一步凝結(jié)可能使霾演變?yōu)檩p霧、霧或云。……在城市嚴(yán)重空氣污染地區(qū),霾可以頻繁出現(xiàn)。”如此看來,我國東南沿海各省自行補充規(guī)定以相對濕度區(qū)分霧與霾的標(biāo)準(zhǔn),普遍偏低,將大量霾記成了輕霧或霧。嚴(yán)格來講,香港天文臺同行認為相對濕度小于85%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霾造成的,相對濕度大于95%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霧造成的,相對濕度介于85%～95%之間時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;有比較充分的理論依據(jù)。實際上,人類活動造成的氣溶膠污染主要是使霾出現(xiàn)的頻數(shù)增加,而對霧的影響相對較少。4水溶性氣溶膠的濕度大氣中可能存在的吸濕性氣溶膠主要有氯化鈉、氯化銨、硫酸銨、硫酸鈉等。實際上,通過近年來的大量觀測,大氣中0.1μm以下的水溶性粒子主要是硫酸銨組成的,大于1μm的粒子主要是氯化鈉組成的。而硝酸鹽由于其飽和蒸氣壓比較低,揮發(fā)性比較強,比較難以氣溶膠的形式穩(wěn)定存在。其中氯化鈉是海鹽粒子的主要成分,相變濕度78%;硫酸銨也是水溶性氣溶膠的主要成分,其相變濕度是81%。表3列出了主要水溶性氣溶膠的相變濕度,需要注意的是,任何吸濕性物質(zhì)的相變濕度都與粒子直徑有關(guān),粒子越小,相變濕度越大,因而,氣溶膠粒子的實際相變濕度比表3中的值還要大。有些非水溶性的氣溶膠粒子也可以通過表面浸潤成為凝結(jié)核,但要求相對濕度至少達到101%,即要求1%的過飽和度。另外還有一種情況,即當(dāng)氣溶膠粒子表面凹凸不平時,在凹面僅僅需要不高的相對濕度就可以凝結(jié),但是一旦將凹面填平,粒子將不會繼續(xù)長大。因而,在非飽和條件下,非水溶性的霾一般不會轉(zhuǎn)化為霧滴。綜上所述,建議東南沿海各省在區(qū)分霾與輕霧或霧時,將相對濕度小于80%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化記為霾,相對濕度大于90%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化記為輕霧或霧,相對濕度介于80%～90%之間時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,可以由觀測員根據(jù)經(jīng)驗和天氣演變特征記為霾或者輕霧(霧)。5建立灰病天氣預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)和機制近幾年來,在我國大城市中,由于工業(yè)化、城市化、交通運輸現(xiàn)代化的迅速發(fā)展,化石燃料(煤、石油、天然氣)的消耗量迅猛增加,汽車尾氣、燃油、燃煤、廢棄物燃燒直接排放的氣溶膠粒子和氣態(tài)污染物通過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次氣溶膠污染物日增,使得灰霾現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,已經(jīng)成為一種新的災(zāi)害性天氣(圖1、圖2)。公眾經(jīng)常抱怨,在廣州晚上看不見星星,白天看不到太陽,廣州的災(zāi)害性灰霾天氣堪與北方沙塵暴天氣相比,而且其組成成分中有許多有毒有害物質(zhì),對人體健康和環(huán)境的危害遠大于沙塵暴,因而,需要盡快建立大氣灰霾天氣預(yù)測預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)和機制。表4是建議的灰霾指數(shù)與警報分級表。需要說明的是,為公眾服務(wù)的指數(shù)與警報,一般遵循寧可空報也不能漏報的原則,因而將相對濕度的閾值定為90%,而且,目前城市中的霧也主要是灰霾轉(zhuǎn)化的污染霧,也有些地方將其稱為煙塵霧、煙霧、干霧,相對濕度閾值提高對服務(wù)效果是有利的。6大氣中0.1m以下的水溶性粒子及主要成分的確定問題綜上所述,由于經(jīng)濟規(guī)模的迅速擴大和城市化進程的加快,大氣氣溶膠污染日趨嚴(yán)重,霾與霧的區(qū)分成為一個非?，F(xiàn)實,又迫切需要解決的問題。而過去東南沿海各省不成文規(guī)定的用相對濕度區(qū)分的標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低,將大量霾記成了輕霧或霧。區(qū)分霾和霧,應(yīng)該根據(jù)影響天氣系統(tǒng)的變化,結(jié)合表1的各種判據(jù)來確定。考慮到近幾年對氣溶膠研究的新成果,大氣中0.1μm以下的水溶性粒子主要是硫酸銨組成的,大于1μm的粒子主要是氯化鈉組成的。而硝酸鹽由于其飽和蒸氣壓比較低,揮發(fā)性比較強,比較難以氣溶膠的形式穩(wěn)定存在。而氯化鈉是海鹽粒子的主要成分,相變濕度78%;硫酸銨也是水溶性氣溶膠的主要成分,其相變濕度是81%。建議將相對濕度小于80%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化的天氣現(xiàn)象確定為霾,相對濕度大于90%時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化確定為霧,相對濕度介于80%～90%之間時的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡