雾霾|雾霾不等于大气污染？二者差距巨大雾霾|气象|pm2.5

导读
由细颗粒物污染造成的灰蒙蒙的天空，经常被称作“雾霾”天，然而作为天气现象的“雾”与“霾”古已有之，在气象领域也有专门的定义，用“雾霾”来指代由细颗粒物造成的污染天，还需要慎重考虑。
在《论语》中，孔子认为做事情必先正名，名不正则言不顺，言不顺则事不成。同理，在对科学概念的认识中，弄清楚科学概念的本质，是科学研究的基础。那么， “霾”可以用来指颗粒物污染天吗？
答案是否定的。
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在气象、环境和日常生活里，词语“霾”（haze）被广泛使用，然而霾并不能用来指代污染，二者识别出来的天数差别迥异。
之所以霾日不能指代污染日，主要是在识别霾日前，需要首先剔除掉特殊天气日，如果在下雨、沙尘、下雪、浓雾等特殊天气里发生严重污染，并不能算作霾日，只能算作是特殊天气日。
用来判断霾日的能见度受多种因子影响，并不能完全表示颗粒物浓度变化引起的消光。

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气象上雾霾的概念和环境污染的概念差别很大
1. 霾，古今不同
“霾”字出现的非常早，在甲骨文中早已多次出现过，例如《甲骨文合集》（编号13467）记录“兹雨不惟霾” ，其含义为“这场雨不会带来阴霾的天气吧？”《甲骨文合集》（编号13469）记载“惟霾， ……有作” ，含义为“天色阴霾， ……将有什么事情发生呢？”

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“霾 ”字在甲骨文中多次出现，文字 “惟霾， ……有作 ” ，含义为：天色阴霾， ……将有什么事情发生呢？
最早对“霾”字进行解释的是《尔雅·释天》：“风而雨土为霾” ，诗经中也有其他诗句如“终风且霾，惠然肯来”（《诗经·邶(bèi)风·终风》）。因此，古代的霾是自然现象，指沙尘天气，主要对应浮尘、扬沙现象。偶尔有森林或者草原燃烧，霾也被用来指比较阴晦的天气。
时至今日，我们日常生活中提到的“霾”主要是人类活动造成的，尤其是燃料燃烧、工业排放、交通排放过程中产生了大量气溶胶颗粒物（被称作一次排放），以及大量的二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机化合物（VOCs）等气态污染物，排放进大气的气态物质在有利条件下冷凝为分子簇，继而通过冷凝、碰并形成颗粒物（被称作新粒子生成）。有研究认为，新粒子生成对于全球颗粒物浓度的贡献远高于一次排放。

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大气新粒子生成和增长示意图，新粒子生成分为成核（nucleation）和增长（Growth）两个部分，其中成核过程是指大气中的气态前体物（例如硫酸和挥发性有机物等）经过气态-液态-固态转化形成分子簇，分子簇继续通过凝结和碰并过程继续长大，形成颗粒物，参考Zhang (2010) 。
这些大气中的颗粒物成分复杂，几乎包括了元素周期表的所有元素。当重污染袭来时，说空气“有毒害”绝对不是危言耸听。这些颗粒物里包含了复杂的酸、碱、盐成分，还有烃、醛/酮、醇、酸、脂等有机物，吸附的成分还包括流感病毒、结核杆菌、肺炎球菌、螨虫、花粉等，也包括汞、铅、镉等重金属元素。细小的颗粒物可直接通过呼吸系统进入支气管和肺部，而极细的颗粒物甚至可以穿透人体血脑屏障，对人体健康造成的影响还在深入评估中。
所以，尽管“霾”这个名称已经流传了几千年，但是今天我们所说的“霾”不仅与数百年前味道相差大，配方也早已完全不同了。
当然，远远望起来都是灰蒙蒙的。这为“霾”词汇的混用留下了隐患。
2. 霾，不同领域标准不同
2.1 传统的气象领域
在气象领域，对霾（haze）的观测和记录有上百年历史。我国最早的气象观测规范《气象须知》（1930年4月）即有雾、轻雾（霿、霭）和霾的区别。
1943年的《增订测候须知》对霾做出详细规定：“极细微之尘点聚集低层浮游空中障碍视线之现象，地平视距在2km以下，色多呈青灰或土黄色。 2~4km为轻霾。 ”
1948年发布的《气象测报简要》对霾的定义进一步扩展：“空气中细微不可见之尘粒或盐粒多量存在，致天气浑浊不清，景物宛若披有落幕而减其色泽。水平能见距离约在2km之上10km之下。其存在由5km外景物迷糊现象及其色泽决定。 ”
1950年发布的《气象测报简要》，对霾的定义进一步细化：“空气中细微不可见之尘粒或盐粒多量存在，致天色浑浊，景物模糊，如同盖上了一重薄纱幕的现象。背景暗淡时，呈微蓝色；背景明亮时，呈土黄或橘黄色。能见度约为5~20km 。远物仅现大致轮廓。霾和轻雾很相似，但颜色不同。 ”
1954年的《气象观测暂行规范》进一步把霾分为三个等级，水平能见度2~10km、1~2km和
根据《地面气象观测规范》(2003)和《地面气象观测业务技术规定实用手册》（2016），现行霾的定义为：“大量极细微的干尘粒等均匀浮游在空中，使水平能见度
以上所有的霾的标准中，都规定霾不能与降雨、雾、沙尘、浮尘、冰晶、烟幕等天气现象兼记，即如果一个霾日，同时还是雨日、雾、沙尘、浮尘等天气，则这一日不能记做是霾日，而应该按照雨日、雾日、沙尘日等天气现象来记录。
因此，气象上霾日的识别一般遵循以下的步骤：
1）剔除掉降雨、雾、沙尘、浮尘等特殊天气；
2）在剩余的日子里，按照相对湿度和能见度标准判断某日是否霾日。
其中相对湿度和能见度标准在各个研究中有小的差别，例如相对湿度有研究用
2010年，中国气象局发布气象行业标准《霾的观测和预报等级》（QX/T 113-2010）， 2018年，中华人民共和国国家标准《霾的观测识别》（GB/T 36542-2018）发布，对霾日的识别进一步细化。在2018年的标准里，已经对2010年的标准进行了修改，剔除掉PM2.5的标准，代之以大气消光系数的相关参数，表面看来与颗粒物总数分道扬镳。
因此气象上特殊天气、霾（包括湿霾）、雾、湿霾的区分可以用下图来表示：

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特殊天气、霾（包括湿霾）、雾、轻雾与视程较好的其他天气的区分，目前的气象业务中，首先剔除掉特殊天气，然后剔除掉雾（包括轻雾），再根据能见度和相对湿度等确定霾，湿霾的判断需要基于光学参数。
2.2环境领域的标准
环境领域对于“霾”事件的判断多基于细颗粒物的浓度，一般通用PM2.5的观测值，即环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物的多少。根据《环境空气质量标准》（GB3095-2012）和《环境空气质量指数（AQI）技术规定》（HJ 633-2012），空气质量可以分为1~6级，如下表所示：

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环境领域研究对颗粒物浓度多少算是一个“霾”（haze）日，没有统一的标准，比如Cai Wenju等在Nature Climate Change研究重污染haze day ，所用的标准即是PM2.5浓度大于150微克/立方米。
在气象和环境两个领域内，都用“霾”这个词汇，但标准却不同。气象是因为传统和历史，一直在用霾。而环境领域，则是因为在最初定义重污染天气的时候，稀里糊涂地用了“霾”这个词。最早谁用“霾”来描述目前颗粒物污染的现象，已经无从考证了。
那到底这二者所定义的霾日是同样的么？
答案是否定的。
3.“重名”带来的困扰
最近，在《Atmospheric Environment》杂志上发表了一篇题为 Distinction of two kinds of haze 的文章，对气象概念上的霾与环境概念上的霾进行了比较。
对于气象霾的定义，研究所用的标准是：1）剔除掉降雨、沙尘、雾、降雪等特殊天气；2）以日均能见度vis
满足以上标准的日子即确定为霾日，因此可以把一年365天分为三种：
1）SWDs：特殊天气+雾日（包括轻雾）；2）HDs：霾日（MHD）；3）ODs：视程较好的“其他”天气，这主要包括晴天和不影响视程的多云与阴天。
对于环境概念上的霾，用日平均的PM2.5数据，以PM2.5日浓度大于75微克/立方米为标准，大于此数值即为环境意义上的霾日（EHD）。
将两种霾日进行比较，发现二者差距巨大。
以北京为例，在2013-2017年期间，平均每年的气象霾（MHD）日数为77天，而环境霾（EHD）日数为141天，其中77天的MHD中有61天属于 EHD ，另有16天颗粒物浓度并不超标，算是空气质量“优”和“良”的天气。而颗粒物浓度超标的天数里，有大量的天数（80天，占EHD57%）并不属于MHD 。
分析上海和广州得到的结论基本类似，只是霾日数量稍微少一点，并且MHD在EHD中的比例更低，上海为58% ，不到6成，而广州则只有约三分之一。

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北京MHD和EHD的重合率分布， MHD中有约79%属于EHD ，而EHD中只有少部分属于MHD ，占比43% 。

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上海MHD和EHD的重合率分布， MHD中有约58%属于EHD ，而EHD中只有少部分属于MHD ，占比44% 。

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广州MHD和EHD的重合率分布， MHD中有约33%属于EHD ，而EHD中只有46%日数属于MHD 。
问题来了，为什么气象概念上的霾日数与基于颗粒物PM2.5浓度给出来的天数差别这么大？
首先，在气象上霾日的识别中，剔除了大量的特殊天气。这些特殊天气包括雨日、雾日、沙尘日、雷暴日等，在这些特殊天气里其实包含了大量的污染日，即雨日、雾日、沙尘日、雷暴日都有可能是污染日。特殊天气的日数并不小，在北京，平均一年有125日特殊天气，基本占一年365天的1/3 。上海一年平均有141天特殊天气日，约占一年365天的2/5 ，而广州因为降雨日数更多，特殊天气日数达到212天，约占一年365天的3/5 。
这些特殊天气里都包含了不少的污染天，例如北京的污染天（EHD）里， 45%来自于特殊天气， 43%来自于气象霾（MHD）日，还有约12%来自于既不是特殊天气也不是气象霾天的“其他”天气。对于上海而言，污染天（EHD）的44%来自于气象霾（MHD）日， 30%来自于特殊天气，剩下26%来自于“其他”天气。广州的污染天46%来自于气象霾日， 34%来自于特殊天气，另有20%来自于“其他”天气。
特殊天气里包含着重污染天，这可以通过几个例子来说明。
1) 案例1 ，大雾与重污染齐预警
华北地区2018年11月13-15日， 2018年12月1-3日，大雾笼罩，北京市气象局连续发布大雾黄色预警。与此同时，北京市空气重污染应急指挥办公室发布重污染黄色预警，这是一个大雾+颗粒物污染的过程。如果按照气象标准，这算作雾日，是首先要被剔除掉的，不能算在气象“霾”日里。而按照环保颗粒物浓度的数据，这是典型的环境“霾”日。

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北京市气象局2018年11月13日16:30发布大雾黄色预警

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2018年11月13日8:00时，北京市空气重污染应急指挥办公室发布重污染黄色预警

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北京市2018年12月1日17:30 ，发布大雾黄色预警

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北京市于2018年12月1日0时启动空气重污染黄色预警。
2)案例2 ，雨日结伴污染天
雨日出现时，依然可以被算重污染天气。例如2016年2月12日，北京当天降雨量8毫米，降水主要出现在早上7点到夜里9点之间。当天的日平均PM2.5浓度为155微克/立方米，最大值小时值甚至飙升到225微克/立方米，按照《环境空气质量标准》，这可是五级重度污染，然而按照气象上对于霾日的判定，这一日因为下雨，是要被计入雨日的，不能被算作是个“霾”日，按照颗粒物浓度来算，这一天当然是一个典型的污染天，一个环境“霾”日。

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2016年2月12日，北京当天逐小时降雨量（蓝色）与PM2.5（灰色）及能见度（红色曲线）
3) 案例3 ，回流天气遭遇沙尘活动， PM10、PM2.5双双超标
气象霾日里也不计入沙尘天。 2018年3月27-28日，华北黄沙漫天，空气污染非常严重。 28日早晨6点起，一个小时之内， PM10的读数迅速从300微克/立方米飙升至1000微克/立方米，下一个小时最高值超过2000微克/立方米。一直到当天夜里，才逐渐恢复到沙尘过程之前的水平。与此同时，受回流天气影响，北京市空气重污染应急指挥部于2018年3月24日20时发布空气重污染橙色预警。预警措施于3月26日0时至28日24时实施，在27日-28日期间， PM2.5的数值一直在200微克/立方米上下，这是一次由沙尘过程与回流天气一起导致的沙尘+颗粒物污染共同影响的过程。按照气象标准，这一日只能记做沙尘天，而不能记做“霾”日。

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2018年3月27日，北京市空气重污染应急指挥部发布空气重污染橙色预警，预警措施于3月26日0时至28日24时实施，北京市气象台28日05时35分发布沙尘蓝色预警。图片为大气物理研究所325米观测塔俯瞰照片。
因此由于气象霾的定义所限，并不能把特殊天气中的重污染天考虑在内，气象霾日数并不包含特殊天气期间的重污染，所以业内曾经有个冷段子流传：
问：怎样才能治理霾？
答：当日的水汽含量超过95%就可以了。
问：怎样才能更有效地治理霾？
答：多下雨、下雪、刮沙尘暴就可以了。
4. 气象霾日里藏了很多“优良”天
另外值得注意的是，在被算作气象霾的日子里，也有很多天数颗粒物浓度并不高，按照空气质量标准，应该算作“优”或者“量”的天气。因此即使满足气象霾，也不见得一定是污染天。这样的天数占北京总气象霾的21% ，上海气象霾的42% ，广州气象霾的67% 。
气象霾的判断基于能见度和相对湿度，作为大气光学参数的能见度受多个因子的影响，例如水汽、颗粒物浓度、颗粒物成分、NO2的含量等。根据对台湾中部地区的一项研究， PM2.5只能解释能见度约一半的方差。即使颗粒物浓度相同，大气颗粒物的成分也对能见度有不同影响。例如大气颗粒物中有一部分被称作褐碳(brown carbon），能够吸收太阳光蓝色以及紫外波段的辐射，还有一部分被称作黑碳（black carbon, BC），吸收能力更强，对太阳光谱“打包”全吸收。颗粒物成分在不同城市，城市与农村之间都有较大的差别，另外能见度也受光照条件、有无云雾遮挡视线、有无云层遮挡太阳等条件影响，并不能完全与大气中有多少颗粒物相对应。
5.公众语言中的“雾霾”
在媒体和公众传播领域， “雾霾”成了通用的语言，实际上颗粒物污染本质上既和“雾”关系不大，也和“霾”关系不大，二者合起来构成一个新词，按理说汉语言擅长用已有词汇构成新的词汇，例如“宇宙飞船”、“蹦极跳”、“信息产业”等。然而“雾霾”却算不上是个好的词汇，英语里发明了smoke+fog=smog代表雾蒙蒙的重污染天，字面含义里包含了人为活动的“烟smoke” ，而“雾霾”里则全然不见人类活动。 smog常被翻译为烟雾，指的是烟与雾混合的空气污染物。尽管国外用smog来谈论由于人类活动引起的颗粒物污染天气，但是国内的语境里“霾”成了更被广泛使用的词汇。在相关科学研究中“霾事件”、“霾日数”、“雾霾天气”、“灰霾事件”、“灰霾日”、“霾天气”、“霾过程”、“雾霾污染”、“灰霾治理”等词汇是广为应用的词汇，对应在英文文献中， haze pollution、haze pollution episode、haze episode、haze events、gray haze、haze evolution/cycles、haze days、non-haze days等词汇也被广泛使用。
对于我们目前由于大气中存在过量细颗粒物造成的天气现象，最专业的定义可能用“细颗粒物污染天”（Pollution of Particulate Matter 或者PM pollution）更为合适，但是很明显这并未流行起来，不仅“细污天”没流行起来，连“PM2.5污染”也没流行起来，不得不说， “雾霾”是个被误导了的词汇，普通老百姓叫着倒也无妨，但是气象和环境领域内的研究人员则需要对“雾霾”的概念有清醒的认识。
在气象与环境业务和研究领域，词语“霾”（haze）被广泛使用。尽管二者的标准和规范并不相同，但在一段时间里，气象和环保领域都展开对词汇“霾”的争夺，气象领域甚至要通过立法形式，把空气污染为特征的“环境霾”列入气象灾害，北京市人大常委会法制委员会通过专家咨询和调研活动，最终否决了把“霾”列入气象灾害的动议。从此以后，空气污染的预报问题由各地的环保部门来进行，气象部门只能发布“不可描述”的天气。

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气象部门提议把表示目前实际含义为空气污染的霾列入气象灾害的立法动议，最终被北京市人大否决。
总结
总结起来，气象霾日与环境霾日基本是两个完全不同的概念，并不能相互指代，其主要原因来自于：
1）气象霾日的获得首先剔除了特殊天气，特殊天气里的大量污染日数并不被包括在内。
2）能见度受多种因子影响，并不能完全表示颗粒物浓度变化引起的消光。
3）用气象概念“雾霾”来指代细颗粒物污染，并不准确，科研和管理机构应该有清醒的认识，媒体传播部门需要正确理解。
参考文献
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雾霾|雾霾不等于大气污染？二者差距巨大

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