霧或輕霧的區(qū)分與成因

霧或輕霧的區(qū)分與成因

有關(guān)輕霧和病毒檢測(cè)的討論和展望在中國(guó)改革開(kāi)放之前，經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，該市很少看到霧。即使是所謂的“霧”也是罕見(jiàn)的現(xiàn)象，因此沒(méi)有引起人們的注意。特別是關(guān)于儀器污染的識(shí)別，我們知道它與霧、輕霧和其他視覺(jué)障礙的天氣現(xiàn)象混合容易，但由于污染的頻率較低，氣候意義不重要，無(wú)法進(jìn)一步澄清識(shí)別要點(diǎn)的必要性。即便如此,過(guò)去幾十年來(lái)關(guān)于這個(gè)問(wèn)題一直在觀測(cè)員中存在爭(zhēng)議?！稓庀蟆冯s志曾經(jīng)在上個(gè)世紀(jì)80年代初期組織過(guò)一次有關(guān)識(shí)別幾種造成視程障礙的天氣現(xiàn)象的討論,并且由易仕明、楊寧兩位前輩發(fā)表了討論的總結(jié)論文。易仕明詳細(xì)分析了霾粒子和霧滴的光學(xué)特性后,明確指出“輕霧是由微小水滴組成的,且絕大多數(shù)大于4μm……,霾的粒徑絕大多數(shù)在0.5μm以下……,有的臺(tái)站規(guī)定用相對(duì)濕度70%作為區(qū)分它們的硬指標(biāo)是不可取的”等精辟觀點(diǎn),時(shí)至今日還有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。這次討論是由楊兆明“福建三都的霾”一文引發(fā)的。他在文中介紹在福建三都出現(xiàn)霾時(shí)相對(duì)濕度可以達(dá)到93%,他們當(dāng)時(shí)認(rèn)為輕霧出現(xiàn)時(shí)相對(duì)濕度需要達(dá)到90%以上。這樣的認(rèn)識(shí)在今天看來(lái)也是難能可貴的。然而引發(fā)了一些不同意見(jiàn),大多將很低的相對(duì)濕度作為區(qū)分輕霧與霾的界限,這種不可取的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)到現(xiàn)在仍然廣泛存在。也有一些基層臺(tái)站的觀測(cè)員認(rèn)識(shí)較為合理,依照地面觀測(cè)規(guī)范來(lái)區(qū)分。時(shí)至今日,由于經(jīng)濟(jì)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加快,大氣氣溶膠污染日趨嚴(yán)重,由氣溶膠造成的能見(jiàn)度惡化事件越來(lái)越多,都市霾成為一種常見(jiàn)現(xiàn)象,而且有著重要的環(huán)境意義。因而在觀測(cè)實(shí)踐中,必須明確區(qū)分造成視程障礙的天氣現(xiàn)象是霾還是輕霧或霧。我們?cè)?jīng)討論過(guò)這一問(wèn)題,也提到全國(guó)對(duì)霾與輕霧或霧的識(shí)別沒(méi)有統(tǒng)一的判別標(biāo)準(zhǔn),各省的實(shí)際情況也是五花八門(mén),南方大多是用相對(duì)濕度的某一閾值來(lái)區(qū)分,絕大多數(shù)定得相當(dāng)?shù)?。在相?dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi),將大量都市霾記成了輕霧。通過(guò)進(jìn)一步的調(diào)查和思考,對(duì)這一問(wèn)題的現(xiàn)狀有了進(jìn)一步的了解,在理論上也找到了依據(jù),這對(duì)統(tǒng)一認(rèn)識(shí),形成一個(gè)有一定科學(xué)基礎(chǔ)并得到同行認(rèn)同、統(tǒng)一的區(qū)分霾與輕霧或霧的標(biāo)準(zhǔn)有幫助。1u3000其他相對(duì)濕度調(diào)查了廣東省所有86個(gè)國(guó)家臺(tái)站中的84個(gè)臺(tái)站在觀測(cè)中是如何區(qū)分霾與輕霧(霧)的。我們看到(見(jiàn)表1),只有8個(gè)臺(tái)站按照地面觀測(cè)規(guī)范來(lái)區(qū)分霾與輕霧(霧),占9.5%。其他臺(tái)站使用相對(duì)濕度作為輔助判據(jù)來(lái)區(qū)分霾與輕霧(霧),相對(duì)濕度的取值范圍非常寬,從55%～80%,其中使用相對(duì)濕度70%來(lái)區(qū)分的有57個(gè)臺(tái)站,占67.9%;使用相對(duì)濕度55%～70%來(lái)區(qū)分的有11個(gè)臺(tái)站,占13.1%;使用相對(duì)濕度70%～85%來(lái)區(qū)分的有8個(gè)臺(tái)站,占9.5%。結(jié)合原來(lái)調(diào)查全國(guó)大部分省的情況,大致可以知道在全國(guó)氣象系統(tǒng)的臺(tái)站觀測(cè)中,區(qū)分霾與輕霧(霧)的判據(jù)比較混亂,缺乏可比性,因而必須盡快統(tǒng)一認(rèn)識(shí),使觀測(cè)和預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程。2非飽和條件下,粒子總能預(yù)防霧滴在自然環(huán)境中,吸濕性粒子有沒(méi)有可能單純通過(guò)濕度增加吸濕增長(zhǎng)成為霧滴呢,我們?cè)瓉?lái)認(rèn)為大氣中可能存在的吸濕性氣溶膠的相變濕度比較低,相對(duì)濕度不一定達(dá)到100%就可能出現(xiàn)飽和,現(xiàn)在看來(lái)這一問(wèn)題需要進(jìn)一步深入討論。圖1是粒子吸濕增長(zhǎng)的寇拉曲線,我們看到,如環(huán)境水汽壓小于臨界值,即使干粒子能吸濕長(zhǎng)大,但尺度不能超過(guò)臨界半徑,只能形成霾滴,若此種潮解粒子很多可以影響能見(jiàn)度。換句話說(shuō),就是霾滴要想通過(guò)吸濕增長(zhǎng)成為霧滴,必須有足夠的過(guò)飽和度,能夠越過(guò)過(guò)飽和駝峰才行,這在自然界并不容易實(shí)現(xiàn)。需要重申的是,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(shí)際相變濕度比室內(nèi)實(shí)驗(yàn)值還要大得多。從圖1看到,質(zhì)量為10-13g的粒子已經(jīng)是飽和粒子,從1μm以下增長(zhǎng)到能穩(wěn)定存在的3～4μm大小的霧滴,也需要通過(guò)過(guò)飽和駝峰,何況含鹽量更低的粒子,需要通過(guò)更高的過(guò)飽和駝峰才能增長(zhǎng)成霧滴。因而,在非飽和條件下,不但非水溶性的霾粒子不能轉(zhuǎn)化成霧滴,即便是水溶性的霾粒子一般也不可能轉(zhuǎn)化為霧滴。過(guò)去錯(cuò)誤認(rèn)為凝結(jié)核可以在低相對(duì)濕度情況下產(chǎn)生凝結(jié)生成霧滴的觀點(diǎn),是忽視了粒子曲率作用的結(jié)果,將實(shí)驗(yàn)室大顆粒(常常達(dá)mm量級(jí))的吸濕性特征,延用至次微米粒子造成的。3氣候變化與有霧存在的關(guān)系實(shí)際上,當(dāng)相對(duì)濕度增加到超過(guò)100%時(shí),霾粒子吸濕成為霧滴,而相對(duì)濕度降低時(shí),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。嚴(yán)格按照物理意義來(lái)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輕霧和霧。如果造成視程障礙的粒子肉眼不可見(jiàn),說(shuō)明其尺度小至微米大小,根據(jù)開(kāi)爾文定律和前面討論的寇拉曲線,這樣大小的水滴能穩(wěn)定存在并不被蒸發(fā)掉,需要相對(duì)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(shí),這些粒子應(yīng)該是霾。我們需要重溫大氣科學(xué)詞典:霧是“懸浮在貼近地面的大氣中的大量微細(xì)水滴(或冰晶)的可見(jiàn)集合體,……霧的形成主要是空氣中水汽達(dá)到(或接近)飽和,在凝結(jié)核上凝結(jié)而成?！蓖瑫r(shí),大氣科學(xué)詞典也明確寫(xiě)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(zhǎng)大時(shí)也能形成霾?！诔鞘袊?yán)重空氣污染地區(qū),霾可以頻繁出現(xiàn)?！钡趯?shí)際觀測(cè)中,確實(shí)在明確有輕霧或霧存在時(shí),相對(duì)濕度并未達(dá)到100%。為了深入討論這個(gè)問(wèn)題,我們分析了在南嶺山地安裝的5套自動(dòng)氣象站連續(xù)3年的逐分鐘觀測(cè)資料,那里的水霧發(fā)生頻率非常高,是進(jìn)行霧綜合觀測(cè)的天然實(shí)驗(yàn)室。分析結(jié)果表明,出現(xiàn)霧時(shí),極端最小相對(duì)濕度是91%,這還是在高海拔的山頂區(qū)域,隨著海拔降低,有霧存在需要更高的相對(duì)濕度,這就用實(shí)測(cè)資料證明,在相對(duì)濕度低于90%的情況下,是沒(méi)有觀測(cè)到霧的。南嶺山地形成霧還是需要較高的相對(duì)濕度,相對(duì)濕度至少要達(dá)到91%以上才能使霧穩(wěn)定存在。這說(shuō)明雖然南嶺山地大氣中含有豐富的凝結(jié)核1,仍然需要相當(dāng)高的相對(duì)濕度才能使霧穩(wěn)定存在。另外,關(guān)于濕度傳感器宏觀測(cè)量的相對(duì)濕度未飽和,而觀測(cè)到輕霧或霧的情況,可能有時(shí)霧粒子周圍微觀濕度是過(guò)飽和的,儀器傳感器附近未飽和,形成兩處相對(duì)濕度存在差異是有可能的。但這個(gè)差值過(guò)大,在儀器傳感器和觀測(cè)到的霧層間存在巨大濕度梯度時(shí),就需要考慮天氣現(xiàn)象觀測(cè)是否誤判。此外,濕度傳感器也存在一定的測(cè)量誤差,在氣溫高于-20℃情況下,一般不超過(guò)1%～8%。如此看來(lái),我國(guó)東南沿海各省以相對(duì)濕度區(qū)分霧與霾的補(bǔ)充判據(jù)值,普遍偏低,在近年將大量霾記成了輕霧或霧。實(shí)際上,人類活動(dòng)造成的氣溶膠污染主要是使都市霾出現(xiàn)的頻數(shù)增加,而對(duì)水霧的影響相對(duì)較少。4不同相對(duì)濕度實(shí)現(xiàn)對(duì)病料的補(bǔ)償大氣物理學(xué)與大氣光學(xué)專著中關(guān)于霧與霾的敘述實(shí)際上一直是非常清晰的,明確指出近地層大氣中每時(shí)每刻總是有霾粒子存在(當(dāng)然要達(dá)到形成天氣現(xiàn)象“霾”需要粒子濃度累積到一定水平導(dǎo)致能見(jiàn)度下降到10km以下),而霧滴的存在是少見(jiàn)或罕見(jiàn)的;霾粒子尺度范圍從0.01～10μm,霧滴是3～100μm;云和降水是以霾的身分為生命起點(diǎn)的核的氣象結(jié)果;白天籠罩在地形上的霾在夜晚因降溫造成的飽和形成輻射霧;云霧是低溫下飽和氣塊的可見(jiàn)標(biāo)志;等等。這里實(shí)際上提出了在自然界達(dá)到飽和形成霧滴的重要機(jī)制——降溫!在每立方米的飽和空氣中,4℃時(shí)含有6.4g水,10℃時(shí)含有9.4g水,20℃時(shí)含有17.1g水,30℃時(shí)含有30.0g水。如果過(guò)程降溫從30℃降到20℃,就會(huì)有12.9g水從空氣中析出,形成霧滴,降溫是達(dá)到飽和形成霧滴的既重要又主要的物理過(guò)程,而正像前面討論過(guò)的那樣,在自然界中的霾滴通過(guò)吸濕過(guò)程增長(zhǎng)成霧滴幾乎是不可能的。在自然界,霾和霧是可以互相轉(zhuǎn)化的,當(dāng)相對(duì)濕度增加超過(guò)100%時(shí),比如說(shuō)輻射降溫過(guò)程,霾粒子吸附析出的液態(tài)水成為霧滴,而相對(duì)濕度降低時(shí),霧滴脫水后霾粒子又再懸浮在大氣中。華南地區(qū)在春季容易形成濕度較高的天氣,霾粒子吸濕后會(huì)使能見(jiàn)度惡化,但僅僅是吸濕長(zhǎng)大的灰霾粒子,而不是霧滴,要形成霧滴,要有像凌晨輻射降溫那樣的過(guò)程使液態(tài)水析出才行。圖2給出了一個(gè)典型的例子,可以看到,凌晨由于輻射降溫,濕度明顯增加,到3時(shí)達(dá)到98%,對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度降低到1.2km,這時(shí)的低能見(jiàn)度是霧滴造成的,8時(shí)以后,相對(duì)濕度降低到90%以下,能見(jiàn)度仍然維持在5～8km的較低水平,是吸濕的灰霾粒子造成的。實(shí)際上,另外一種相似的過(guò)程在華南春季常?？吹?預(yù)報(bào)員稱為回南天,可以看到墻壁和地面都像出汗一樣濕淋淋的,一般都解釋是空氣潮濕,但是空氣潮濕并不能形成液態(tài)水,要有液態(tài)水析出,需要一定的溫差。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的低溫天氣回暖時(shí),建筑物的溫度由于熱滯后效應(yīng),與空氣溫度形成了較大的溫差,使得潮濕空氣遇到冷的墻壁和地面析出液態(tài)水,這也是降溫才能有液態(tài)水從空氣中析出的例子。多年來(lái),有些臺(tái)站的觀測(cè)員與預(yù)報(bào)員習(xí)慣性在能見(jiàn)度低于10km時(shí)將相對(duì)濕度70%作為區(qū)分水霧與霾的界線,有些審核員也將此作為判誤的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此,有不少基層臺(tái)站一線觀測(cè)員也認(rèn)為偏低,提出置疑。經(jīng)過(guò)詳細(xì)調(diào)研,歷史上國(guó)家和廣東省氣象部門(mén)從來(lái)不存在以相對(duì)濕度70%界定輕霧與霾的補(bǔ)充規(guī)定。中國(guó)氣象局2003版規(guī)范對(duì)輕霧(霧)與霾有嚴(yán)格定義,除此之外,至今還未找到有任何官方文字依據(jù)證明這種廣為流傳的做法的出處,普遍的說(shuō)法是一代代傳下來(lái)的。實(shí)際上,在大海撈針一樣找到的間接證據(jù)中,反而不支持將相對(duì)濕度70%作為霾與水霧的判據(jù)。比如廣東省研制的地面觀測(cè)審核軟件中是這樣處理的,其總體思路是繼承前輩的,相對(duì)濕度70%是低限,低于此限應(yīng)記霾。原意是因?yàn)榕_(tái)站觀測(cè)員一直習(xí)慣記輕霧,很少記霾,當(dāng)相對(duì)濕度較低,不具備形成(存在)輕霧條件時(shí)仍然記輕霧,所以提出一個(gè)相對(duì)濕度的參考指標(biāo)。低于此限要求記霾。高于此限時(shí)應(yīng)根據(jù)《地面觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定記錄,可記輕霧,也可記霾。相對(duì)濕度70%是參考指標(biāo),不是觀測(cè)員記錄輕霧或霾對(duì)錯(cuò)的絕對(duì)指標(biāo)。這里明確指出相對(duì)濕度70%不是判據(jù),但正如我們?cè)诒?中看到的,由于理解的問(wèn)題,將大量霾記成了輕霧。又比如原使用由安徽氣象局編制的審核軟件中有關(guān)的疑誤信息是:記有輕霧,但當(dāng)日2時(shí)和8時(shí)的相對(duì)濕度均小于70%;這里并沒(méi)有說(shuō)相對(duì)濕度大于70%記霾是疑誤信息,也是因?yàn)槔斫鈫?wèn)題將大量霾記成了輕霧。再比如現(xiàn)在使用的中國(guó)氣象局編制的審核軟件中有關(guān)的疑誤信息是天氣現(xiàn)象42(霧)出現(xiàn),相對(duì)濕度小于95%;這里更加限定了相對(duì)濕度低于95%時(shí)能見(jiàn)度小于1km的天氣現(xiàn)象記霧是不對(duì)的,而應(yīng)該是其它如沙塵暴、浮塵、煙幕、霾、吹雪、雪暴等等。但是遺憾的是,業(yè)務(wù)人員往往習(xí)慣于廣為流傳的做法,反而不理解這條信息,不處理這些疑誤信息,這樣在南方又將大量霾記成了輕霧或霧。5灰病天氣背景下的輕霧與病毒診斷都市霾的出現(xiàn)有重要的空氣質(zhì)量指示意義。近幾年來(lái),在我國(guó)大城市中,由于工業(yè)化、城市化、交通運(yùn)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(guò)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。廣州的災(zāi)害性灰霾天氣勘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(duì)人體健康和環(huán)境的危害遠(yuǎn)大于沙塵暴。而霧或輕霧的記錄,有明確的天氣指示意義,與特定的天氣系統(tǒng)相聯(lián)系,像業(yè)務(wù)中大量將都市霾記成輕霧的直接后果,就是在天氣圖上出現(xiàn)莫名其妙的霧區(qū)和輕霧區(qū),使得原來(lái)的天氣指示意義喪失了。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展后,人類活動(dòng)影響出現(xiàn)都市霾增多的問(wèn)題,使得明確區(qū)分輕霧與霾變得非常現(xiàn)實(shí),根據(jù)前面的分析,將能見(jiàn)度在1～10km之間,排除吹雪、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕等視程障礙之后,將相對(duì)濕度的閾值定為90%,作為區(qū)分輕霧與霾的輔助判據(jù)是合理的;而為了與現(xiàn)在使用的中國(guó)氣象局編制的審核軟件中有關(guān)的疑誤信息相銜接,將能見(jiàn)度小于1km,排除吹雪、雪暴、沙塵暴、浮塵、煙幕等視程障礙之后,將相對(duì)濕度的閾值定為95%,作為區(qū)分霧與霾的輔助判據(jù)是合理的。實(shí)際上,香港天文臺(tái)在研究工作中,將相對(duì)濕度95%作為區(qū)分起因于干濕粒子導(dǎo)致能見(jiàn)度惡化的判據(jù),在業(yè)務(wù)工作中,相應(yīng)的判據(jù)是90%。6關(guān)于輕霧與病的關(guān)系綜上所述,由于經(jīng)濟(jì)規(guī)模的迅速擴(kuò)大和城市化進(jìn)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(gè)非?，F(xiàn)實(shí)又迫切需要解決的問(wèn)題。在全國(guó)氣象系統(tǒng)的臺(tái)站觀測(cè)中,區(qū)分霾與輕霧(霧)的判據(jù)比較混亂,缺乏可比性,必須盡快統(tǒng)一認(rèn)識(shí),使觀測(cè)業(yè)務(wù)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程。實(shí)際上近地層大氣中每時(shí)每刻總是有霾粒子存在,而霧滴的存在是少見(jiàn)或罕見(jiàn)的;霾滴要想通過(guò)吸濕增長(zhǎng)成為霧滴,必須有足夠的過(guò)飽和度,能夠越過(guò)過(guò)飽和駝峰才行,這在自然界并不容易。因而,在非飽和條件下,不但非水溶性的霾不能轉(zhuǎn)化成霧滴,既便是水溶性的霾粒子一般也不可能吸濕轉(zhuǎn)化為霧滴。實(shí)測(cè)資料分析表明,出現(xiàn)霧時(shí),極端最小相對(duì)濕度是91%。降溫是達(dá)到飽和形成霧滴的既重要又主要的物理過(guò)程,而正像前面討論過(guò)的那樣,在自然界中的霾滴通過(guò)吸濕過(guò)程增長(zhǎng)成霧滴幾乎是不可能的。經(jīng)過(guò)詳細(xì)調(diào)研,歷史上各級(jí)氣象部門(mén)從來(lái)不存在以相對(duì)濕度70%界定輕霧與霾的補(bǔ)充規(guī)定,中國(guó)氣象局2003版規(guī)