雾霾天 室内 增加湿度 再论相对湿度对区别都市霾与雾_轻雾_的意义

雾霾天 室内 增加湿度 再论相对湿度对区别都市霾与雾_轻雾_的意义 第1期2006年2月 文章编号:1007-6190(2006)01-0009-05 广东气象 GuangdongMeteorology No.1Feb,2006 再论相对湿度对区别都市霾与雾(轻雾)的意义 吴 兑 1,2 (1中国气象局广州热带海洋气象研究所,广州 510080;2中山大学环境科学与学院大气科学系,广州 510275) 摘 要:在都市,霾的出现有重要的空气质量指示意义。而雾或轻雾的记录,有明确的天气指示意义,与特定的天气系统相联系。由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快,都市霾现象或者是灰霾天气日趋严重,霾与雾的区分成为 1 一个非常现实,又迫切需要解决的问题。在全国气象系统的台站观测中,区分霾与雾(轻雾)的判据比较混乱,缺乏可比性,准普遍偏低,将大量霾记成了轻雾或雾。是少见或罕见的;,,既便是水溶性的霾粒子一,极端最小相对湿度是91%,在相对湿度低于 90%的情况下,没有观测到雾。降温是达到饱和形成雾滴的最主要、最重要的物理过程,在自然界中的 霾滴通过吸湿过程增长成雾滴几乎不可能。历史上我国各级气象部门从来不存在以相对湿度70%界定轻雾与霾的补充规定,由于理解的问题,将大量霾记成了轻雾。区分霾和雾,应该根据影响天气系统的变化,结合宏观特征的各种判据来确定。建议将相对湿度的阈值定为90%,作为区分轻雾(雾)与霾的辅助判据是合理的。 关键词:都市;霾;雾;过饱和度;相对湿度中图分类号:P427.2 文献标识码:A 引言 在我国改革开放以前,经济相对欠发达时期,都市霾是极少见到的,即便是所谓来源不明的天气现象“霾”,也是少见现象,因而并未引起人们的注意。尤其是关于霾的识别问题,虽然都知道它与雾和轻雾,以及其它引起视程障碍的天气现象易于混淆,但由于霾的出现频率比较低,天气意义不甚重要,也就没有进一步明确它们的识别要点的必要性。时至今日,由于经济 2 规模的迅速扩大和城市化进程的加快,大气气溶胶污染日趋严重,由气溶胶造成的能见度恶化事件越来越多,都市霾成为一种常见现象,而且有着重要的环境意义,因而在观测实践中,必须明确区分造成视程障 收稿日期:2005-12-07 项目资助:国家自然科学基金资助项目(40375002、40418008),广 东省自然科学基金资助项目(033029),广东省重点科技攻关项目(2004A30401002、2005B32601011),广州市应用基础研究项目(2004J1-0021) 作者简介:吴 兑(1951年生),男,研究员,硕士生导师,主要从 事大气物理化学与大气环境研究。 碍的天气现象是霾还是轻雾或雾。我们曾经讨论过这一问题,也提到全国对霾与轻雾或雾的识别没有统一的判别,各省的实际情况也是五花八门,南方大多是用相对湿度的某一阈值来区分,绝大多数定得相当低 [1] 。在相当长的时期内,将 大量都市霾记成了轻雾。通过进一步的调查和思考,对这一问题的现状有了进一步的了解,在理论上也找到了依据,这对形成一个有一定科学基础,并得到同行认同,统一的区分霾与 3 轻雾或雾的标准有帮助。 1 目前地面观测记录霾与雾的实际情况 在广东省气象局业务处的帮助下,调查了广东省所有86个台站中的84个台站,在观测中是 如何区分霾与雾(轻雾)的,我们看到,只有8个台站按照地面观测规范来区分霾与雾(轻雾),占9.5%。其它台站使用相对湿度RH作为辅助判 据来区分霾与雾(轻雾),相对湿度RH的取值范围非常宽,从55%,85%(见表1),其中使用相对湿度70%来区分的有57个台站,占67.9%;使用 10广东气象 第1期 [1] 雾(轻雾)的判据比较混乱,缺乏可比性,使用 相对湿度55%,70%来区分的有11个台站,占13.1%;使用相对湿度70%,85%来区分的有8 这些资料进行的分析的科学性大大降低,必须尽快统一认识,使观测和预报业务适应经济发展的进程。 个台站,占9.5%;情况比较混乱。以广东省为例,结合我们原来调查全国部分省的情况,大致可以知道在全国气象系统的台站观测中,区分霾与 表1 广东省台站目前区分霾与雾(轻雾)的相对湿度RH判 4 据 RH % 60,7022.4 55,6011.2 70,8522.4 8011.2 7522.4 70,8022.4 70,7511.2 705767.9 65,7511.2 65,7022.4 6556.0 无 89.5 台站数百分率 2 霾粒子吸湿增长成为雾滴的可能性 在自然环境中,较低,相对湿度不一定达到100%就可能出 现饱和 [1] m,也需要通过过饱和,,需要通过更高的过饱和驼峰才能增 5 长成雾滴,因而,在非饱和条件下,不但非水溶性的霾不能转化成雾滴,既便是水溶性的霾粒子一般也不可能转化为雾滴。3 有雾存在时相对湿度能有多低 ,现在看来这一问题需要进一步深入讨论。 图1是粒子吸湿增长的寇拉曲线,我们看到,如环境水汽压小于临界值,即使干粒子能吸湿长大,但尺度不能超过临界半径,只能形成霾滴,若此种潮解粒子很多可以影响能见度 [2] 实际上,当相对湿度增加到超过100%时,霾粒子吸湿成为雾滴,而相对湿度降低时,雾滴脱水后霾粒子又再悬浮在大气中,霾和雾是可以互相转化的,严格按照物理意义来区分,应该在空气饱和情况下,大气颗粒物造成视程障碍才是雾和轻雾。如果造成视程障碍的粒子肉眼不可见,说明 [2] 其尺度小至μm大小,根据开尔文定律和前面讨论的寇拉曲线,这样大小的水滴能稳定存在并不被蒸发掉,需要相对湿度>100%,这在地球大气中并不容易出现,因而,在大气未饱和时,这些粒子应该是霾。我们需要重温大气科学词典:雾是“悬浮在贴近地面的大气中的大量微细水滴(或冰晶)的可见集合体,......雾的形成主要是空气中水汽达到(或接近)饱和,在凝结核上凝结而成。” [4]677 6 。换句话说,就是 霾滴要想通过吸湿增长成为雾滴,必须有足够的过饱和度,能够越过过饱和驼峰才行,这在自然界并不容易。需要重申的是,任何吸湿性物质的相变湿度都与粒子直径有关,粒子越小,相变湿度越大,因而,气溶胶粒子的实际相变湿度比室内实验值还要大得多 [3] 。从图1我们看到,质量为10 -13 g的 同时,大气科学词典也明确写到:霾是 “悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟粒或盐粒的集合体,......组成霾的粒子极小,不能用肉眼分辨。当大气凝结核由于各种原因长大时也能形成霾。......在城市严重空气污染地区,霾可以频繁出现。” [4]408 但在实际观测中,确实在明确有雾或轻雾存在时,相对湿度并未达到100%,为了深入讨论这 图1 水溶性粒子吸湿增长的寇拉曲线 个问题,我们分析了在南岭山地安装的5套自动 第1期 吴 兑:再论相对湿度对区别都市霾与雾(轻雾)的意义11 7 气象站连续3年的逐分钟观测资料,那里的水雾发生频率非常高 [5] 能的。 在自然界,霾和雾是可以互相转化的,当相对湿度增加超过100%时,比如说辐射降温过程,霾粒子吸附析出的液态水成为雾滴,而相对湿度降低时,雾滴脱水后霾粒子又再悬浮在大气中。华南地区在春季容易形成湿度较高的天气,霾粒子吸湿后会使能见度恶化,但仅仅是吸湿长大的灰霾粒子,而不是雾滴,要形成雾滴,要有像清晨辐射降温那样的过程使液态水析出才行。图2就给出了一个典型的例子,我们看到,凌晨由于辐射降温,湿度明显增加,到3:0098%,对应能见度1.,,以下,能见度仍 ,是进行雾综合观测的天然实 验室。分析表明,出现雾时,极端最小相对湿度是91%(表2),这还是在高海拔的山顶区域,随着海 拔降低,有雾存在需要更高的相对湿度,这就用实测资料证明,在相对湿度表2 南岭山地有雾时的最小相对湿度 代号 V1V2V3 1) 位置(里程碑) 8 K51 h/mRH min /% 420 9194 5,km的较低水平,是吸湿的灰霾粒子造成的。实际上,另外一种相似的过程在华南春季常常看到,预报员称为回南天,可以看到墙壁和地面都像出汗一样湿淋淋的,一般都解释是空气潮湿,但是空气潮湿并不能形成液态水,要有液态水析出,需要一定的温差。经过较长时间的低温天气回暖时,建筑物的温度由于热滞后效应,与空气温度形成了较大的温差,使得潮湿空气遇到冷的墙壁和地面析出液态水,这也是降温才能有液态水从空气中析出的例子。 如此看来,我国东南沿海各省以相对湿度区分雾与霾的补充判据,普遍偏低,在近年将大量霾记成了轻雾或雾。实际上,人类活动造成的气溶胶污染主要是使都市霾出现的频数增加,而对水雾的影响相对较少。 4 大量都市霾被记成了轻雾(雾) 大气物理学与大气光学专著中关于雾与霾的叙述实际上一直是非常清晰的,明确指出近地层大气中每时每刻总是有霾存在,而雾滴的存在是少见或罕见的;霾粒子尺度范围从 9 0.01,10μm,雾滴是3,100μm;云和降水是以霾的身份为生命起点的核的气象结果;白天笼罩在地形上的霾在夜晚因降温造成的饱和形成辐射雾;云雾是低温下饱和气块的可见标志 3 [2,6] ;等等。这里实际 上提出了在自然界达到饱和形成雾滴的重要机制———降温!在每m的饱和空气中,4?时含有6.4g水,10?时含有9.4g水,20?时含有17.1g水,30?时含有30.0g水。如果过程降温从30 图2 广州2005年3月17日有灰霾与轻雾 相互转化时的相对湿度 多年来观测员与预报员习惯性在能见度?降到20?,就会有12.9g水从空气中析出,形成雾滴,降温是达到饱和形成雾滴的既重要又主要的物理过程,而正像前面讨论过的那样,在自然界中的霾滴通过吸湿过程增长成雾滴几乎是不可 1)吴 兑、邓雪娇、叶燕翔,等,南岭山地气溶胶物理化学特征研 线,审核员也将此作为判误的标准,有不少基层台站一线观测员对此也认为偏低,提出置疑。经过详细调研,历史上国家和广东省气象部门从来不存在以相对湿度70%界定轻雾与 10 霾的补充规定,中国气象局2003版规范对雾(轻雾)与霾有严格定义,除此之外,至今还未找到有任何官方文字依据证明这种广为流传的做法的出处,普遍的说法 究(待发表)。 是一代代传下来的。实际上,在大海捞针一样找到的间接证据中,反而不支持将相对湿度70%作为霾与水雾的判据,比如广东省自主研制的地面观测审核软件中是这样处理的,其总体思路是继承前辈的,相对湿度70%是低限,低于此限应记霾。原意是因为台站观测员一直习惯记轻雾,很少记霾,当相对湿度较低,不具备形成(存在)轻雾条件时仍然记轻雾,所以提出一个相对湿度的参考指标。低于此限要求记霾。高于此限时应根据《地面观测规范》规定记录,可记轻雾,也可记霾。相对湿度70%是参考指标,不是观测员记录轻雾或霾对错的绝对指标。这里明确指出相对湿度70%不是判据,但正如我们在表1由于理解的问题,误信息是:记有轻雾,2:00和8:00的相对湿度均70%记霾是疑误信息,也是因为理解问题将大量霾记成了轻雾。再比如现在使用的中国气象局编制的审核软件中有关的疑误信息是天气现象42(雾)出现,相对湿度的雾区和轻雾区,使得原来的天气指示意义丧失了。 由于经济发展后,人类活动影响出现都市霾增多的问题,使得明确区分轻雾与霾变得非常现实,根据前面的分析,将相对湿度的阈值定为90%,作为区分轻雾与霾的辅助判据是合理 11 的。 实际上,香港天文台在研究工作中,将相对湿度95%作为区分起因于干湿粒子导致能见度恶化的 判据,在业务工作中,相应的判据是90%6 小 结 [7] 。 ,,,霾与雾,又迫切需要解决的问题。在全国气象系统的台站观测中,区分霾与雾(轻雾)的判据比较混乱,缺乏可比性,必须尽快 统一认识,使观测业务适应经济发展的进程。而过去东南沿海各省不成文规定的用相对湿度区分的标准普遍偏低,将大量霾记成了轻雾或雾。 实际上近地层大气中每时每刻总是有霾存在,而雾滴的存在是少见或罕见的;霾滴要想通过吸湿增长成为雾滴,必须有足够的过饱和度,能够越过过饱和驼峰才行,这在自然界并不容易。因而,在非饱和条件下,不但非水溶性的霾不能转化成雾滴,既便是水溶性的霾粒子一般也不可能吸湿转化为雾滴。资料分析表明,出现雾时,极端最小相对湿度是91%,这还是在高海拔的山顶区域,随着海拔降低,有雾存在需要更高的相对湿度,这就用实测资料证明,在相对湿度低于90% 降温是达到饱和形成雾滴的既重要又主要的 而应该是其它如沙尘暴、浮尘、烟幕、霾、吹雪、雪暴等 12 等。遗憾的是,业务人员往往习惯于广为流传的做法,反而不理解这条信息,不处理这些疑误信息,这样在南方又将大量霾记成了轻雾或雾。5 重视轻雾(雾)与霾的天气指示与环境指示意 义 都市霾的出现有重要的空气质量指示意义。的情况下,是没有观测到雾的。近几年来,在我国大城市中,由于工业化、城市化、 交通运输现代化的迅速发展,化石燃料(煤、石油、物理过程,而正像前面讨论过的那样,在自然界中 天然气)的消耗量迅猛增加,汽车尾气、燃油、燃的霾滴通过吸湿过程增长成雾滴几乎是不可能煤、废弃物燃烧直接排放的气溶胶粒子和气态污染物通过光化学反应产生的二次气溶胶污染物日增,使得灰霾现象日趋严重,已经成为一种新的灾害性天气,广州的灾害性灰霾天气堪与北方沙尘暴天气相比,而且其组成成分中有许多有毒有害而雾或轻雾的记录,有明确的天气指示意义,与特定的天气系统相联系,业务中大量将都市霾记成轻雾的直接后果,就是在天气图上出现莫名其妙 的。 经过详细调研,历史上各级气象部门从来不存在以相对湿度70%界定轻雾与霾的补充规定,中国气象局2003版规范对 13 雾(轻雾)与霾有严格定义,除此之外,至今还未找到有任何官方文字依是一代代传下来的。由于理解的问题,将大量霾记成了轻雾。 霾的出现有重要的空气质量指示意义。而雾 物质,对人体健康和环境的危害远大于沙尘暴。据证明这种广为流传的做法的出处,普遍的说法 或轻雾的记录,有明确的天气指示意义,与特定的天气系统相联系。 区分霾和雾,应该根据影响天气系统的变化,结合宏观特征的各种判据来确定。建议将相对湿度的阈值定为90%,作为区分轻雾与霾的辅助判据是合理的。 致谢:感谢广东省气象局肖永彪先生的支持,周小平女士提供各站霾与雾(轻雾)区别的判据,陈锦冠先生与赵文卓女士提供了相关的历史背景材料,特此一并致谢。参考文献: [1]吴 兑.霾与雾的区别和灰霾天气预警建议[J].广东气象, 2004(4):1-4. [2]盛裴宣、毛节泰、李建国,等,大气物理学[M].北京:北京大 学出版社,2003:318-319. [3]S.图梅,大气气溶胶[M].王明星,王庚辰,译.北京:科学出 版社,1984:50-65. [4]大气科学词典编委会,大气科学词典[M].北京:气象出版 14 社,1994. [5]吴 兑、邓雪娇、叶燕翔,等,南岭大瑶山浓雾雾水的化 学成 分研究[J].气象学报,2004,62(4):476-485. [6]麦卡特尼EJ.大气光学分子和粒子散射[M].潘乃先、毛 节 泰、王永生,译.北京:科学出版社,1988:122-175. [7]CHANGWL,KOOEH.AStudyofVisibilityTrendsinHong J].tos1986,20(10):1847-MoreDonsontheDifferencesbetweenHazeandFoginCity WUDui 1,2 (1.InstituteofTropicalandMarineMeteorology,CMA,Guangzhou510080,China;2.DepartmentofAtmosphericScience,SunYai-senUniversity,Guangzhou510275,China)Abstract:Theappearanceofhazehasimportantindicationmeaningtoairquality,whilethefogorlightfoghasspecificweatherindicationrelatingtoparticularweathersystems.Withtherapiddevelopmentofecon2omyandurbanization,hazeorhazeweatherbecomeincreasinglysevere,sothat,todistinguishhazeandfogbecomesaveryrealisticproblemthatneedtobesolvedimminently.AtthemeteorologicalstationsofChina,thecriteriontodistinguishthehazeandfogisrela 15 tivelyconfusinganduncomparable.Thewidelyadoptedcri2terionofrelativehumiditytodistinguishthehazeandfoginmanysoutheastcoastalprovincesisgenerallyonthelowside,leadingtomanyhazeweathereventsbeingrecordedaslightfogorfog.Inthenearsurfaceat2mospheretherealwaysexistshaze,whilefogdroplethardlyexists.Onlyundertheenoughsupersaturationcanthehazenucleigrowintofogdropletthroughmoistureabsorption,andsuchprocessisnoteasytohappen.Un2dernon-saturationcondition,itisimpossibleforeventhesolublehazenucleitogrowintofogdropletnottospeakoftheinsolubleones.Theobservationaldatashowthattheminimumrelativehumidityforfogtooccuris91%,andthereisnofogwhentherelativehumidityislowerthan90%.Themostimportantphysicalprocesstoformfogdropletsiscooling,downtothesaturationpoint.Itisalmostimpossibleforhazenucleitogrowintofogdropletonlythroughthenaturalmoistureabsorption.Thereisnosuchasupplementregulationeversayingthattherelativehumidity70%shallbeusedtodistinguishlightfogandhazeatanylevelofmeteorologicalde2partments.Manyhazeweathereventsbeingrecordedaslightfogispurelyduetomisunderstanding.Soitisnecessarytotakeintoconsiderationthechangeofweathersystemandotherthemacro-characteristicswhendistinguishingfogandhaze,anditisreasonabletousethethresholdvalueofrelativehumi 16 dity90%asanas2sistantcriteriontodistinguishfogandhaze. 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