摘要:本文追述了人类认识雾与霾区别的三个关键认识过程，并引入气溶胶有机碳作为基础指标提出新的评价空气污染的方法——新AQI，以及二次气溶胶（SOC or SOA)快速评价的理念，文中提出了大气气溶胶研究可能面临的多个课题。
一直以来“雾”与“霾”实际上都是气象科学中使用的两个专业属于，其定义如下：
雾是指在接近地球表面、大气中悬浮的由小水滴或冰晶组成的水汽凝结物，是一种常见的天气现象。当气温达到露点温度时(或接近露点)，空气里的水蒸气凝结生成雾。根据凝结的成因不同，雾有数种不同类型。
当气温高于冰点时，水汽凝结成液滴。当气温低于冰点时，水汽直接凝结为固态的冰晶，比如冰雾。因为露点只受气温和湿度影响，所以雾的形成主要有两个原因：一是空气中的水汽大量增加，使得露点升高至气温，从而形成雾，比如蒸汽雾和锋面雾;二是气温下降至低于露点而生成雾，比如平流雾和辐射雾。
雾和云的不同在于，云生成于大气的高层，而雾接近地表。
霾
霾，也称灰霾(烟霞)，是指原因不明的因大量烟、尘等微粒悬浮而形成的浑浊现象。霾的核心物质是空气中悬浮的灰尘颗粒，气象学上称为气溶胶颗粒。
空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子也能使大气混浊，视野模糊并导致能见度恶化，如果水平能见度小于10000米时，将这种非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍称为霾(Haze)或灰霾(Dust-haze)，香港天文台称烟霞(Haze)。一般相对湿度小于80%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾造成的，相对湿度大于90%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是雾造成的霾，相对湿度介于80-90%之间时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。霾的厚度比较厚，可达1-3公里左右。由于灰尘、硫酸、硝酸等粒子组成的霾，其散射波长较长的光比较多，因而霾看起来呈黄色或橙灰色。
以上定义源自中国气象局官网【气象科普】雾霾及其定义
从定义中可以看出，在世界范围内，还没有从环境科学的角度，给出连续量化的霾的定义，就如同中医中用“热”和“寒”的概念时，大多只能指导中草药的使用一样，这直接导致了对空气环境污染量化评价的困难，“分不清”雾与霾，直接导致社会人群的心理困惑或恐慌,也会有重大经济影响,已有的医学研究利用空白对照研究表明,恐慌心理,可以直接使健康人表现出病态反应.科学﹑量化地分清雾与霾，变成了当务之急。
就此，吸收借鉴欧、美国、日本等发达国家在环境污染中的评价方法，中国的环保部门于2012年开始使用通过检测大气中气态的一氧化碳、臭氧、氮氧化物、二氧化硫以及PM2.5、PM10颗粒物的AQI综合评价方法，并将空气质量分为六级评价。这个评价方法，使得空气环境的评价更科学合理并日趋与发达国家的监测评价体系接轨。
AQI的建立,使污染的评价从非连续的雾、霾概念,提升为更科学的连续的污染评价体系.
人类对科学认识是无止境的，这似乎源于新技术的发展以及人类对科学技术的不断探索，这个过程在环境监测评价技术上也是如此。
现有的AQI综合评价方法中遇到的挑战：
3个奇怪的试验现象：
1. 加湿器试验：环境监测中，我们清楚水分对生物的危害通常是没有的，但当我们把由加湿器产生的纯水雾通过采样系统释放给连续测试功能的PM粒子分析仪时，PM粒子分析仪会“误判”并给出认定为有害的PM粒子浓度，有的PM粒子分析仪甚至给出“严重污染”程度的PM粒子监测结果
2. 环境监测中，大雨初期，连续PM粒子监测浓度也往往出现“严重污染”的类似结果
3. 即使在气象中被认定为“雾”的天气，连续PM粒子监测浓度也往往出现“严重污染”的类似结果
连续PM粒子监测中，水分的变化干扰已经成为影响PM粒子“真实 ”表达空气污染的严重因素
AQI评价中对每个污染权重因子是“叠加”和”优化”(首要污染物)的关系，这样单个高数值因子，就会对最终结果产生巨大影响。这也就是说：PM粒子的权重数值对整个AQI评价很多情况下会产生重大影响。
看来，模拟人类感官(重量和视觉长度)的监测手段在揭示环境空气污染的真相中至少还需要更科学的手段。
针对以上的问题，提出如下简易解决方法：
2个新评价指标的构建：气溶胶有机碳指标和二次有机碳指标
人类已经认知的大气科学特性:
包围地球的大气是一种由气态物质和可悬浮粒子组成的混合物,呈现气溶胶状态,粒子与气体物质之间存在复杂的气,液,固三项物理化学平衡状态,可悬浮粒子通常是有巨大比表面积的”多孔”物质,并且这些”孔”内是吸附着气,液,固物质.
按照化学常识,每摩尔的液态或固态物质,转化为气态后的体积都可以达到22.4升,如18毫升的水,气化后,体积可以达到22.4升.
也就是说,空气中的气溶胶粒子中“富集”着主要的环境污染物质.
这就是大气研究中,气溶胶成为热点和重点的主要原因.
由于有机物是环境污染的重要评价指标(在世界范围内,对于水和土壤的环境污染评价中已经被广泛认可,在中国,已经建立国家标准),环境空气中,大气气溶胶中的有机物与气态的挥发性有机物(VOCs)是直接相互转化并关联的,就是说,通过评价气溶胶中的有机物可以同时揭示挥发性有机物(VOCs)的污染程度.
二次有机气溶胶:又称二次有机碳,是直接排放如大气的一次污染物,在大气中再次发生光化学反应,形成的有机物.人类经历的空气污染教训表明:二次污染是对人类产生严重危害的物质(如伦敦雾,纽约光化学污染等).
新AQI的构建:
现行AQI也是大气科学工作者多年工作的结晶,当在这个科学评价方法中,把受水份影响的PM数值,调换为不受水份影响的气溶胶有机碳(OC or AOC)数值时,我们再看新的AQI已经不再是400-500以上,但气溶胶有机碳只是整个粒子中的一部分,按北京大学等科研单位多年的源解析研究,有机物在气溶胶粒子中的质量占比通常在30%附近徘徊.
当我们使用下表标准评价空气时,很多结果将变得更科学(数据不再”恐怖”).
空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表
说明：
(1)二氧化硫(S02)、二氧化氮(N02)和一氧化碳(CO)的1小时平均浓度限值仅用于实时报，在日报中需使用相应污染物的24小时平均浓度限值。
(2)二氧化硫(S02)1小时平均浓度值高于800μg/m3的，不再进行其空气质量分指数计算，二氧化硫(S02)空气质量分指数按24小时平均浓度计算的分指数报告。
(3)臭氧(03)8小时平均浓度值高于800μg/m3的，不再进行其空气质量分指数计算，臭氧(03)空气质量分指数按1小时平均浓度计算的分指数报告。
对AQI的所有计算公式不变.(详见HJ 633—2012),标重部分为新设数值,并去除了PM10部分
笔者使用EPA-ETV认证过的Sunset热光法气溶胶有机碳/元素碳分析仪在线连续观测(使用TSP自动采样方式,空气经仪器自配溶蚀器去除SVOC,消除测试误差,采样量8升/分钟,此数据比PM2.5采样测试方式更严格)发现:
按以上方法评价空气质量时,AOC在2014年10月期间(10月18日-10月19日)曾出现一次接近100μg/m3浓度的情况,新的AQI的数值也只在300-400区间,并且持续时间只有7个小时.
图一 重污染时的小时有机碳变化图(10月18-19日)
图二 10月9日到28日有机碳小时变化图
图三 气溶胶有机碳日均数据
数据的分析：
从图一的数据可以看出：10月18日出现的峰值数据有一个小时的气溶胶有机碳在90-100微克/立方米，而在80-90微克/立方米的气溶胶有机碳数据有6个小时，这或许提示我们：连续监测气溶胶的小时数据是揭示大气污染的真实状况的一个重要手段。
图二的小时气溶胶有机碳数据则清晰揭示了从10月9日-10月28日污染的波动情况。
从图三的日均曲线可以看出:2014年10月8日至28日,在所监测的点位区域,发生过3次污染加重的过程.但按本文的新AQI评价,20天中,只有3天超过200的数值,低于200的AQI天数可以达到17个,占总数的85%;而在150新AQI数值以内的天数也可以达到70%.图三的日均气溶胶有机碳数据则清晰揭示了整个时间断3个污染的峰值特性。
另一个实验现象更耐人寻味:即使在室外空气18-19日的污染状态,这个时候的气溶胶有机物污染数值也只与良好天气仪器所在实验室室内的气溶胶有机物污染数值接近(见图四)
图四 室内与室外气溶胶有机碳日均数据的比较
二次气溶胶有机碳(SOC)直接监测模型:
具有很高的化学活性,这些物质浓度升高后,在光照条件下,会与有机物发生光化学反应,生成二次气溶胶有机碳, 很低浓度的二次气溶胶有机碳就会对生物造成急性毒性反映(伦敦雾,纽约空气污染事件等),由于存在AQI中的气体指标与二次气溶胶有机碳的这种化学关联关系,预警性的重大空气污染事件有必要直接使用SOC指标的小时数据作为快捷空气质量总体状况评价手段.
由于没有急性空气污染大事件(伦敦雾,纽约污染)时的SOC原始数据,制定对应的限值还需要环境人工模拟和大量的医学科研工作的进一步研究,才可以得出准确的结论.
已获得的数据,揭示的是:SOC与OC通常线性相关,但偶发的高活性物质是否会使SOC急剧超量变化,有待进一步研究.但日常限制标准SOC与OC的倍量关系应当是客观存在的.
图五 18-19日强污染时,二次气溶胶的小时变化
图六 10月9日至28日二次气溶胶的小时曲线
图七 10月9日至28日二次气溶胶的日均波动曲线
数据分析：
从以上三个图谱及数据可以看出：重污染时SOC数据也是在小时区间内发生很大变化的，小时级的数据监测可以精准研判污染的程度;而日均的数据可以使污染的趋势更容易被解读。
订立怎样的SOC等级作为快速评判污染发生的程度也是亟待有更多科技工作者加入的研究工作。SOC是基于气溶胶碳数据的估算值，估算方法的科学性也会随着人类认识的提高而更能客观表达真实的污染状态，但基础的化学知识或许已经告诉我们：一次污染物(POC)的浓度增加以及自由基浓度的增加,光和温度条件的加强，都会使二次气溶胶(SOC or SOA)的浓度提高。
思考:
从OC,SOC的观测数据,可以看出:这两个重要污染物质是会发生小时时间内的数值的大幅波动的,这可能源于空气污染物来源的多样性、复杂性,以及二次污染的复杂性、污染源的千变万化、二次污染的复杂化学变化,使“由果”推“因”的研究存在广阔的空间。但这些研究的学术价值可能比环境监测的应用价值更大。欧美等发达国家几十年的空气气溶胶研究产生了很多我们可以直接借鉴的成果,也附带了大量的教训。去粗取精,特别是战略方向上的科学研判,会使我们国家真正“实现少花钱,多办事”.
中国真正重视环境空气的历史也不到短短的十年,这十年,我们的政府、空气环境工作者及全民都参与其中。从监测技术上看,政府的三期工程把我国的监测水平提高到了同发达国家同步的状态，但这些有巨大惠民利益的工作或许只是一个科技国家的起步，更精准的监测或许可以使我们国家的环境治理工作像激光制导武器那样精准切除污染源。
声明内容:
由于本文作者的知识水平和实验条件缺乏,本文中缺少大量验证性的科学工作,这或许会直接导致科学严谨性问题,但这不会影响作者参与环境治理的热情,及于国内同仁交流的目的，让我们国家的空气质量监测事业，从与国际同步发展到世界领先，掌握在国际空气环境评价技术上的话语权,“使美国大使馆PM2.5”这样的故事没有机会重演.
本文中的任何假设和观点都可以被相关科技工作者无须声明地使用.
由于本文不计划在学术文献中发表,本文中已经引用的文献和数据不再一一列出。在此,对被作者引用过文献、数据、观点等劳动成果的科学工作者们,请一一自动对号入座,作者一并表示感谢!
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