大气尘埃颗粒物

最新研究发现，全球大气尘埃——来自沙漠沙尘暴的微观空气传播颗粒等从沙漠等土地上产生的大气尘埃，对地球具有轻微的整体冷却效应，掩盖了温室气体引起的全部变暖。图源：NASA Scientific Visualization Studio该研究由加州大学洛杉矶分校发表于《自然综述-地球与环境》（Nature Reviews Earth and Environment）。研究发现，自19世纪中期以来，沙漠沙尘的数量增长了大约55%，这增加了沙尘的冷却效果。研究首次证明了大气沙漠尘埃的整体冷却效果。大气尘埃的一些影响使地球变暖，但由于尘埃的其他影响实际上抵消了变暖——例如通过将阳光散射回太空，驱散使地球变暖的高空云层，该研究计算出尘埃的整体影响是冷却的。“如果尘埃水平下降，甚至只是停止增长，变暖可能会加剧。” 研究的主要作者，加州大学洛杉矶分校大气物理学家Jasper Kok说。“我们发现沙漠尘埃增加了，并且很可能略微抵消了温室变暖，这是当前气候模型中缺失的。增加的灰尘并没有导致大量的冷却，气候模型仍然接近。但我们的研究结果表明，仅温室气体就可能导致比模型目前预测的更多的气候变暖。”Jasper Kok将这一发现比作在高速驾驶汽车时发现车辆的紧急制动器已部分接合。正如完全松开刹车可以使汽车行驶得更快一样，停止灰尘水平的增加可能会略微加速全球变暖。虽然自前工业化时代以来，大气沙漠尘埃水平总体上有所增加，但趋势并不稳定——一路上升和下降。由于有太多的自然和人为影响的变量会导致尘埃水平增加或减少，科学家无法准确预测未来几十年大气尘埃的数量将如何变化。“燃烧化石燃料产生的一些微小的空气传播颗粒也暂时有助于冷却。但是，尽管科学家们花了几十年的时间来确定这些人造气溶胶的后果，但到目前为止，沙漠尘埃的确切变暖或冷却效果仍然不清楚。研究人员面临的挑战是确定尘埃已知的变暖和变冷效应的累积效应。”“除了大气与阳光和云层的相互作用外，当尘埃落回地球时，它会通过沉淀在雪和冰上而变暗，使它们吸收更多的热量。尘埃还通过沉积铁和磷等营养物质来冷却地球。例如，当这些营养物质降落在海洋中时，它们支持浮游植物的生长，这些浮游植物从大气中吸收二氧化碳，从而引起净冷却效应。”Jasper Kok说。自1850年以来，人类活动使地球变暖了1.2摄氏度，或2.2华氏度。如果没有尘埃的增加，气候变化可能会使地球变暖多出约0.1华氏度。“随着地球接近科学家认为特别危险的2.7华氏度变暖，十分之一度都很重要。”“我们希望气候预测尽可能准确，而这种灰尘的增加可能会掩盖高达8%的温室变暖。通过增加沙漠尘埃，占大气颗粒物质量的一半以上，我们可以提高气候模型预测的准确性。这非常重要，因为更好的预测可以为如何缓解或适应气候变化的更好决策提供信息。”研究人员使用卫星和地面测量来量化空气中微观矿物颗粒的当前数量。他们确定全球有2600万吨这样的颗粒——相当于漂浮在天空中的约500万头非洲大象的重量。接下来，他们查看了地质记录，从冰芯，海洋沉积物记录和泥炭沼泽样本中收集数据，这些样本都显示了从天而降的大气尘埃层。来自世界各地的样本显示沙漠尘埃稳步增加。由于土壤干燥、风速提高和人类土地利用的变化，例如，将水用于灌溉，并将边缘沙漠地区变成牧场和农业用地，灰尘可能会增加。Jasper Kok说：“虽然由于这些类型的土地利用变化而导致的尘埃水平增加主要发生在世界上最大的沙漠的边界上，如非洲的撒哈拉沙漠和萨赫勒地区以及亚洲的戈壁沙漠，但类似的变化也发生在加利福尼亚州的欧文斯湖，现在也发生在加利福尼亚州的索尔顿海。”他强调：“虽然大气尘埃的增加在一定程度上掩盖了温室气体使气候变暖的全部潜力，但研究结果并未表明气候模型是错误的。气候模型在预测未来的气候变化方面非常有用，这一发现可以进一步提高其实用性。”

全国科学技术名词审定委员会与外语中文译写规范部际联席会议专家委员会日前联合发布：将PM2.5的中文定名为“细颗粒物”，并向社会各界推荐使用。 　　鉴于此前PM2.5没有统一的中文名称，给科学研究、知识交流和生活应用带来不便和困扰，全国科学技术名词审定委员会组织气象、环境、医学、物理、化学、语言学等不同领域的专家进行了多次研讨和审定。专家们依照科学性、单义性、系统性、简明性、国际性、习惯性等定名原则，最终形成共识，建议定名为“细颗粒物”。 　　全国科学技术名词审定委员会副主任刘青表示，定名为“细颗粒物”，体现出国际性与习惯性的特点。据悉，1994年美国环境保护署将“可吸入颗粒物”(inhalable particles，记作PM10)划分为“粗颗粒”(coarse particles)和“细颗粒”(fine particles)，“细颗粒”被记为PM2.5。我国2012年2月发布的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中，将粒径≤2.5微米的颗粒物也称为“细颗粒物”。

针对各地环境空气质量评估考核过程中均未将沙尘天气过程期间数据剔除，环境保护部于2017年1月4日印发《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》（以下简称《规定》）。依据《规定》，全国地级及以上城市环境空气质量评估、考核和排名过程中剔除沙尘天气过程的影响。规定中提出“各地环保部门如遇沙尘天气过程，当天将沙尘天气过程影响时段、影响范围和其他佐证材料报送中国环境监测总站。这些数据也将作为评价、考核和排名的重要依据。”《规定》中的佐证材料包括卫星环境应用中心遥感监测结果、全国沙尘暴监测网监测数据以及气象部门发布的沙尘信息等。在沙尘天气的扣除条件和筛选方法上，中国环境监测总站工程师王帅说：“当沙尘天气过程中沙尘源区城市PM10小时浓度持续两个小时超600μg/m3，或持续1个小时超过1000μg/m3，可以剔除沙尘天气过程影响区域范围内源区城市及下游城市颗粒物监测数据。”近年来，地基遥感的主动探测手段，如激光雷达不仅能够有效判识雾霾的空间分布，对沙尘天气发生的过程、时间、沙团输入的高度、强度等特征，都可以进行有效监测。1、什么是大气颗粒物激光雷达呢？大气颗粒物激光雷达像“探针”一样，通过不断地向大气中发射激光束，扫描大气中的信息，通过与颗粒物和气态分子相互作用后产生散射光来获取不同高度处污染物的浓度分布信息，类似医学上的“CT”技术，不同的是，激光雷达获取的是污染物的空间垂直分布。 2、激光雷达提供什么数据呢？① 消光系数：反映污染程度，消光系数值越高，代表球形粒子污染程度越严重。② 退偏振度：反映沙尘的不规则程度，沙尘的退偏振度约0.2-0.4。③ 颗粒物质量浓度空间分布：给出不同高度处PM10和PM2.5质量浓度。④ 能见度：给出垂直、水平能见度视程。⑤ 外源性污染物强度：外源传输的输送通量和局地污染的占比。3、如何从激光雷达结果上读取沙尘信息呢？我们来分析三个案例。案例分析一：L地经历的一次严重的沙尘过程（数据来源：L地站点）① 沙尘爆发前：雷达图像监测显示，9日白天污染程度较轻，近地面有一定的尘漂浮。② 沙尘爆发期：夜间22时，近地面的退偏振度突然增大，消光系数也有伴随增大的现象，L地区的粗颗粒程度明显增加，近地面的PM10由250μg/m3升至1500μg/m3，沙尘天气加剧。③ 沙尘消散：沙尘天气持续至10日夜间22时，沙团中的粗颗粒明显沉降，退偏振度和消光系数明显减弱，污染物浓度下降，特别是PM10浓度，回落到750μg/m3，经历11日的持续沉降和过境，沙尘天气的影响基本消除，PM10浓度回落到250μg/m3。 案例分析二：过境沙团和沉降沙团的过程监控（数据来源：W地站点）颗粒物激光雷达在判识外源性沙尘的另一个重要依据，是其出现的高度与近地面的污染物分布无明显的重合。下图是激光雷达捕获到的一次多层沙团过境和与地面复合的结果。近地面的结果发现，PM浓度高值与沙团2沉降融合有密切关系。沙尘输入过程的激光雷达监测结果（W地）① 沙团1： 出现在6日16时，高度4.2km处，沉降过程中沙团的下沿距地面约2.1km，尚未进入大气边界层内，属于过境沙团，对近地面的影响较小。② 沙团2：出现在7日20时前后，高度5km处，沙团强度大，沉降速率大，沙团在8日7时沉降至大气边界层内，与近地面污染物复合，属于沉降沙团。③ 沙团3：在沙团2未沉降结束时，高空3km处发生第3次的污染团的输送。此沙团向地面迁移过程中，在1.2km处与地面污染物有明显分界，未发生融合，属过境沙团。④ 沙团4：出现在8日20时高空3.6~4.5km范围内出现第4次的沙团输入。此沙团下沿最低高度至3km，既未与第3次的沙团混合，也没有能进入边界层内与近地面的污染物混合，推测第3次和第4次输送的污染团与第1次的污染团类似，属于过境沙团，对近地面的影响较小。详细可参阅【伍德侠, 宫正宇, 潘本锋,等. 颗粒物激光雷达在大气复合污染立体监测中的应用[J]. 中国环境监测, 2015(5).】案例分析三：沙尘传输的激光雷达组网观测基于单站点的雷达可以实现对沙团的时间、高度和强度特征进行分析，基于多台雷达组成的雷达网络，可以对沙团的传输路径、时间相位以及沉降的特征进行监控，并及时预警。2016年3～5日中央气象台的沙尘落区预报如下图所示。为有效捕获此次沙尘污染传输，我司利用激光雷达组网平台，对布设在北京、无锡、上海、福州、武汉和郑州等地的大气颗粒物监测激光雷达数据进行快速解析，实时结果如下图所示，沙尘到达北京、郑州和武汉等地的时间、高度、强度和沙尘团轮廓的演化有很大的不同和较强的关联性。 中央气象台的沙尘落区预报激光雷达组网点位布设沙尘传输的激光雷达组网观测结果致谢：衷心感谢中国环境监测总站、河南省环境监测中心、上海市环境监测中心、福建省环境监测中心站、兰州市环境监测站、武汉市环境监测中心、福州市环境监测中心站、无锡新吴区环境监测站的大力支持。