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浓重的雾霾为什么可以一夜之间消失不见?

2014-01-22科学

一句话回答:【浓重到以前没有见过的雾霾】能在几个小时消退,估计主要是大的气象条件改变了,稳定层结崩坏,比如来个锋面啥的,昼夜变化没这么大作用。

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可能文不对题,不过这是作为我对系列问题的解答的第一次尝试,大家担待着看。先写到这睡觉去。

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一 词义辨析

首先要理清 雾霾 这个概念,这对理解问题很有帮助。雾、霾都是世界气象组织WMO定义的 视程障碍天气现象 但[雾霾]这并不是严格的气象学词汇,[灰霾]也不是。


1、雾

根据国家标准GBT27964--2011【雾的预报等级】

雾fog:悬浮在近地层大气中的大量微细乳白色水滴或冰晶的可见集合体。

补充概念

1)能见度

分为白天和夜间,根据WMO规定,白天气象能见度是指正常视力的观测者相对于雾、天空等散射背景下观测时,一个安置在地面附近的适当尺度大小的黑色目标物能 被看到和辨认出的最大距离 。夜间气象能见度是中等强度的发光体能被 看到和识别的最大距离

粗略记就是能看到并辨认出一个很好辨认出的东西的最大距离。 能见度低于10公里 就算 视程障碍。

2)气溶胶

云、雾(就是地面的云)、雨、雪的形成都离不开气溶胶,小水滴的形成主要是以气溶胶为 凝结核 依附其上的,就像珍珠的形成有个内核一样。

气溶胶aerosol:由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系,又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点,其大小为0.001~100微米,分散介质为气体。

液体小质点这个说法把水排除在外比较好。

2、霾

根据国家标准QXT113--2010【霾的观测和预报等级】(注意哦,这是2010.1.20就发布的标准,之前20年学界都不断有讨论这个问题的文章,这不是个新概念和新问题)

霾haze:大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水平能见度小于10km的空气普遍混浊现象,使远处光亮物体微带黄、红色,使黑暗物体微带蓝色。

引言中说,「改革开放以来,由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快,我国区域性霾日益严重的主要因素是人为排放的大量气溶胶,当今的霾已经不是一种完全的自然现象,区域大气经常呈现出灰蒙蒙的混浊现象。」

这说明了什么?

1)霾是一种「自古以来」的自然现象,在深山老林中比较多。「日照香炉生紫烟」所描述的其实就是霾(烟也是一种WMO规定的天气现象,不过那是由大量燃烧形成的,明显两码事)。

2)从定义上看,不要看着天稍微好点,就觉得没有霾哦,天津一年上不了200+。100+天霾总是有的。

3)这个定义其实还有点问题,和规定的一些细则矛盾。实际上, 所谓干尘粒不是没有水的尘粒,而是不够湿的尘粒 。理由如下:

【霾的观测和预报等级】对霾观测的判识条件的表述为:(我的注释在括号中)

能见度<10.0km,排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍。相对湿度<80%,判别为霾;相对湿度80%~95%时,按照地面气象观测规范规定的描述或大气成分指标进一步判识,(结果为霾或雾);(相对湿度95%以上,判别为雾)。

当以下指标超过限值,可作为判别霾的依据。

顺便贴一个霾的预报等级,注意这和霾的预警等级不一样(预警等级之后再贴)

4)霾和雾的关系

先引用一段百度百科,这基本是照着【大气探测学】这本教科书上的内容来的。

雾是气溶胶系统,是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的、能见度降低到1千米以内的自然现象
一般来讲,雾和霾的区别主要在于水分含量的大小:水分含量达到90%以上的叫雾,水分含量低于80%的叫霾。80%~90%之间的,是雾和霾的混合物,但主要成分是霾。就能见度来区分:如果目标物的水平能见度降低到1千米以内,就是雾;水平能见度在1千米~10千米的,称为轻雾或霭;水平能见度小于10千米,且是灰尘颗粒造成的,就是霾或灰霾。另外,霾和雾还有一些肉眼看得见的「不一样」:雾的厚度只有几十米至200米,霾则有1千米~3千米;雾的颜色是乳白色、青白色,霾则是黄色、橙灰色;雾的边界很清晰,过了「雾区」可能就是晴空万里,但是霾则与周围环境边界不明显。

个人补充,主要是 雾的水汽是饱和的,而霾的水汽不饱和 和气溶胶成分 (按大家的理解应该是相对湿度100%才算饱和,不饱和不能析出,但这个问题其实更加复杂,中学学的那个概念不太精确。化学专业应该懂这个。) 由于凝结核的存在,相对湿度不到100%水汽就能饱和,不饱和也能析出附着到凝结核上。 (【霾的观测和预报等级】的标准需要满足「快速甚至瞬间判别出天气现象并上报」这个要求,所以理论上不太确切、判别上稍有出入也是合情合理的,聊胜于无嘛。)

现在这个情况, 气溶胶/凝结核非常多 ,用查PM2.5这个网站

天津PM2.5实时查询监测

,就可见一斑。对于霾天气灾区,气溶胶基本都能多到 成雾先成霾 的程度,也就是说当雾-霾天气出现时, 虽然可能最终达到雾的条件,但形成过程中是先出现霾,再由霾变成雾 。这也就是「80%~90%之间的,是雾和霾的混合物,但主要成分是霾。」这个说法的原因之一。

3、雾霾、灰霾

引用百度百科

雾霾(wù mái,英语表达为smog/haze)是雾和霾的组合词。雾霾现象常见于城市。中国不少地区将「霾」并入「雾」一起作为灾害性天气现象进行预警预报,统称为「雾霾天气」。

雾霾的英文是错的,smog指的是烟雾,haze指的是霾。非要造一个的话,foze综合来看比较好。

引用【霾的观测和预报等级】

区域大气经常呈现出灰蒙蒙的混浊现象。
我国部分地区也将受到人类活动显著影响的霾成为灰霾。

我对身边不学气象、对这种天气了解程度不深的一些同学做过采访,综合他们的理解基本是【那种令人生理和心理难受,对身体不好的,天灰蒙蒙的视程障碍天气,主要是汽车尾气、工业排放造成的。】想来「不明真相的群众」也是这么看的,其实也挺好的,说出了一些重要的现象。

这两个词虽然不严格,但也说明了些实际问题。

雾霾:指出了这种天气下霾和雾的紧密关系。

灰霾:指出了这种天气的非自然性和 气溶胶中人为源的重要地位

(参考【光化学烟雾】这个词,非要让一个词入围气象学词汇,我选【灰霾】。)

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插播

1、汇报一个令人失望的情报,实际上大气科学的发展在细节上离完善还远得很。而且目前大气科学是建立在经典物理学体系之上的,气象工作者还在做着开尔文勋爵所说的「物理大厦的修修补补的工作」……所以现在普通大众可以很轻松的提出一大串业内人士还没有满意解决的问题。。。比如雾-霾……

2、介绍一位在这方面做过很多研究的杰出科学家,

吴兑_百度百科

。他基本独立把广州地区的雾霾研究得很透彻。我看过的雾霾相关中文文献,不是他写的就是引用他写的。国家标准【霾的观测和预报等级】是他主持编写的,他还综合研究成果写过一部专著【雾与霾】,我粗略看过,不过现在拿不到,等拿到可以把这个回答重新修订一遍。

贴一个他2013年4月参加的节目

吴兑:雾霾可以根治 中国需要时间和决心

3、 雾&霾中的什么影响我们?

除了影响能见度之外,核心因素是, 雾&霾的凝结核大都是大气污染物,对人体有毒 ,损害人的呼吸系统,严重可以导致肺癌。再加上颗粒非常小,在呼吸道可以畅通无阻的直达肺泡,效果参考

矽肺_百度百科

所以说, 只要这些凝结核在 ,无论形不形成霾,无论肉眼可不可见,对人体健康的影响没有太大区别。 形成霾只是消光效果提升,让我们看见了罢了。

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二 形成条件

(通过前文的分析,我们抛弃对雾的分析也没多大影响。)

形成霾, 凝结核的源排放是内因,气象条件是外因。 两者缺一不可。无大量凝结核=巧妇难为无米之炊,无「封闭」的气象条件=巧妇难为无火之炊。

1、凝结核的源排放

除了大气污染物的源排放,自然环境的排放也有哦。(太平洋那些远离人类活动区域的海域会有雾、云、雨这些天气现象就能说明自然源的重要性。)

人类排放主要是燃料的燃烧、工业排放,自然源主要是扬起的沙尘和海盐、火山爆发和森林火灾。

人为的大气污染占主导因素,具体权重多少因地而异。

大气污染物源的排放占标率越高,灰霾天气出现频率越高。吴兑【灰霾天气的形成与演化】

1-2凝结核是怎么消散的?

有源必有汇。自然状态下来源和汇集是动态平衡的。

汇分为干沉降和湿沉降。粗略地说,湿沉降是下雨冲刷,干沉降就是其他的沉降方式。

生活中的感性认识就能知道,湿沉降对气溶胶的消除作用非常大,雨后空气好很多。而干沉降的速度较慢、效果不明显。所以 除了下雨,外力驱散是某地霾天气消散的主要方式

2、气象条件

排入大气中的污染物主要来源于自然排放和人类活动的排放。而在一段时期内,其总量是大致稳定的,但有时出现严重的灰霾天气,有时却又是蓝天白云,决定性的控制因素是气象条件。在不同气象条件下,同一污染源排放所造成的地面污染物浓度可相差 几十倍乃至几百倍 。——吴兑【灰霾天气的形成与演化】

只讨论干沉降。

什么样的气象条件会形成并维持灰霾天气?总之是 不利于扩散的气象条件 。幸运的是,环境和气象部门定义了 空气污染扩散条件指数 ,不幸的是,这个指数涉及的因素非常多,如下图。

气象条件因素 (为了能理解,一些并不准,详情自行百度)

1)风速&风向

2)湿度:对能见度影响大,对人体健康没多大影响

3)温度层结:温度垂直分布,决定烟气能够抬升的重要因素

4)湍流:大气不规则的 小尺度 三维运动

5)混合层厚度:影响大气污染物垂直扩散的重要因素

6)天气形势: 大范围 气压分布

7)复杂风场:地形对局地风的影响,海陆风、山谷风等

这些变量没有什么主次之分,又相互影响。一次霾天气的主要影响因素可能是其中的几个,另一次霾天气有是其中另外几个了。哪个是第一驱动力?很多情况下都不清楚……

至今对此还没有什么有分量的系统的研究—— 吴兑(我觉得吴老一些研究就挺系统的……

根据我对去年经历的长三角连日雾-霾和之后每天夜生昼消的雾-霾的体验,斗胆不靠谱总结一下:

1)大气的水平运动和垂直运动都很弱,这也是维持霾天气的因素

2)需要一个推动力,一般是 降温 ,降温使气溶胶碰并、水汽凝结附着的原理可以类比水汽压随温度变化。

3)消散:下雨、气压场变化、升温

PS1:「风!风!大风!」(【英雄】台词)的解释是可以包含很多情况的。

PS2:长三角通宵体验——23点左右开始起霾,6点左右最严重,水汽多的话就是寂静岭的效果,9、10点基本消散。