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北方城市的秋冬之霾
北方城市的秋冬之霾
王玉轩田民
(西安高新技术产业开发区管理委员会710065西安)
摘要:
霾是人类活动中能量转换的伴生物,具有自然和社会双重属性。
通过4个不同的层面认识霾:
1从其产生看本质;2从其与空气的不同看区别;3从其浓度随时间的变化看与温度或高度之间的关系;4从其存在的空间看受雨水或城市软硬界面的影响。
从而达到既能控霾的产生,也会导引其消除的目的。
治霾如治水,既要会堵,也要懂疏,且不可偏废。
治霾须顺性,霾性属土,成土则安。
关键词:
霾;北方城市;雨水;温度;能量伴生物;城市软界面
0引言
2020年的春节令人印象深刻。
人们响应国家抗击新冠肺炎疫情号召,既不走亲访友,也不聚会聚餐,而是宅在家里;城市里没有炮声,少有行人,工厂停工、工地停产、娱乐活动也停止了,连部分公交都停运了。
在这种情况下,空气污染达到红色预警级别的西安从连续五天(1月22至26日)的严重雾霾天气中走出,随之而来的是连续四天的空气质量为良的良好天气。
城市或城市人们,会为雾霾的消失而放弃城市或城市人们的一切活动吗?
1从事物发展的三个阶段看待城市之霾
事物发展都是由三个阶段构成,即事物的产生、事物的存在和事物的消亡。
因此,认识事物也必须从这三个事物发展阶段开始。
否则,就会产生局部、片面或错误的认识。
对城市雾霾,尤其是北方城市霾的认识亦应如此。
1.1城市霾的产生
霾的本质是细微颗粒物,细微颗粒物是霾的自然属性。
细微颗粒物在空气中的宏观体现就是霾现象。
近年来,霾现象常发于秋冬季节的北方城市。
城市的霾由两部分组成。
其一是自然环境产生的,如山林大火、沙尘暴、植物花粉、火山爆发等产生的大量细颗粒物。
其二是人类活动产生的,如与能量转换有关的各类工业活动(如发电、冶金、石油、化学、纺织印染等)、各类交通活动以及人们日常生活中的采暖、烹饪、欢庆时燃放的烟花爆竹等产生的细颗粒物。
可以看出,霾产生于人类生活的各个方面。
从城市的发展史可以看出,人类生产力的进步,提高了人们改造自然的能力,也促使了城市建设的快速发展。
这一切的本质是人类利用资源尤其是利用能量资源的能力的提高,即城市区域能量转换率的提高。
它代表着人类的进步方向。
因此,人们不可能以停止城市生活或城市发展来控制霾的产生。
人们能做的只是有限度地限制一些事物的发展程度,如车辆限行、工厂停产、工地停工以及学校停课等等。
但霾依然在能量的转换中产生,就像热机循环中不得不释放的无效热能一样。
霾是人类活动中能量转换的伴生物。
就像生活垃圾的社会属性一样,人类活动的伴生物是霾的社会属性。
1.2城市霾的存在
霾是存在于城市空气中大量细颗粒物的宏观表象。
空气与霾是不同的两种事物,只有分开看,才能从宏大的表象中找到霾的真实存在。
相同质量的细微颗粒物,在不同时刻,会产生不同程度的空气霾污染。
在不同城市亦是如此。
这种现象是城市自身界面的性质决定的。
城市界面是城市自身整体界面的简称,是城市区域范围与空气的分界面的整体。
城市界面可分为硬界面和软界面两种。
硬界面包括城市的建筑群体、广场道路等硬化地面;软界面包括水体、沼泽和公园绿地等。
城市硬界面和软界面的比例,是相同污染源产生不同结果的根本原因。
1.3城市霾的消失
霾必须有去处!
霾在减少消逝之前始终是霾,并一直存在,只是没被关注或测到而已。
霾的本质是细微颗粒物。
细微颗粒物就是霾。
这是霾的本质,也是霾消失的根本原则。
即让细微颗粒物失去其细微颗粒的特性,也就从本质上消除了雾霾存在的根本,从而消除城市之霾。
2城市霾的主要因素
2.1霾是城市发展的产物
城市的霾,不亲身感受,是不会有深刻记忆的;而城市的发展变化,是可以感知的。
城如西安:
从绕城高速、地铁到城北客运站,是城市交通的发展变化;从高新区、国际港务区到西咸新区,是城市经济建设的变化;从七区六县到十一区两县,是城市行政区划的变化;还有,“从1978年的95平方公里到2017年的683.09平方公里,其增长超过了6倍的”[1],是城市建成区面积的变化;然而,最重要一种变化,是挥之不去却又年年重逢的,那就是西安渐渐飘起的秋冬之霾——西安城市空气污染的变化。
霾是城市渐渐发展并渐渐产生的必然产物。
2.2PM2.5是城市空气污染的主要原因
中国环境监测总站在《2019年1月全国城市空气质量报告》[2]中,对168个城市(京津冀及周边地区54、长三角地区41、汾渭平原11、成渝地区16、长江中游城市群22、珠三角区域9,以及其他省会城市和计划单列市15,共168个城市)的空气质量进行了综合排名表,以及全部六项空气质量组成污染物的月均浓度排名表。
通过这些排名表,可以得出,在168个城市中:
1)有158个城市的空气质量综合排名的主要污染物是PM2.5,占94%;
2)有105个城市的PM2.5月均浓度达到污染水准,占62.5%;
3)有47个城市的PM10月均浓度达到污染水准,占28%;
4)有6个城市的NO2、3个城市的CO和1个城市的O3月均浓度达到污染水准,分别占3.6%、1.8%和0.6%。
可以看出,在秋冬之际,PM2.5是城市空气污染的首要污染物。
因此,城市的霾现象,可以用PM2.5的浓度值代替,也就等同于城市的空气污染浓度值。
可以想象,如果没有了PM2.5,或PM2.5浓度降得很低,不足以成为空气污染的首要污染物,那么,北方城市的秋冬季节依然是阳光灿烂,空气清新的。
因此,必须对PM2.5做进一步认识。
2.3再认识PM2.5
PM2.5是尺度不大于2.5微米的颗粒物。
霾的本质是细微颗粒物,因此PM2.5就是霾。
因此,有必要了解100μg的PM2.5由多少颗粒物组成。
这里,取PM2.5颗粒物的平均直径为1微米,土壤密度ρ为2.65g/cm3计算,
由公式:
m=Nρv=Nρ(4πR³)/3
可得:
N=3m/ρ(4πR³)=7.2×10^7(微粒)
即质量为100μg的PM2.5由七千两百万个(7.2×10^7)颗粒物组成。
可以求得这样的PM2.5颗粒物的摩尔质量为8.36×10^11g/mol,是干燥空气的摩尔质量28.9634g/mol的2.89×10^10倍。
假定空气分子与PM2.5颗粒物的密度相同,即个体质量只与个体体积大小相关。
因此,可以得出一个重要的结论:
一个PM2.5颗粒物的物理尺度是一个空气分子的物理尺度的3070倍,取整数三千倍。
就像空气分子是1毫米的芝麻,PM2.5颗粒物就是直径3米的球体。
同理,可以求得一个尺度从0.001微米到10微米颗粒物的物理尺度和质量是一个空气分子的倍数比例,即“细微颗粒物与空气分子的物理尺度和质量比例表”,见表2-1。
表2-1:
细微颗粒物与空气分子的物理尺度和质量比例
颗粒物尺度(微米)
0.001
0.01
0.1
1.0
10.0
是空气分子尺度(倍)
3
30
300
3×10^3
3×10^4
是空气分子质量(倍)
2.7×10^1
2.7×10^4
2.7×10^7
2.7×10^10
2.7×10^13
从表2-1可以得出,细微颗粒物与空气分子有着本质的区别,即细微颗粒物不但在物理尺度上大于或远大于空气分子;而且在质量上也远大于空气分子。
因此,细微颗粒物与空气分子是不同的两种物质。
3控制雾霾几种方法
《北京市空气重污染应急预案(2018年修订)》(京政发〔2018〕24号)[3]和《西安市重污染天气应急预案(2019年修订稿)》(市政办函〔2019〕204号)[4]是现行的城市空气重污染应急预案。
二者的本质是相通的,即依据空气质量预测结果,判定空气重污染预警级别,并依此,采取相应的措施。
在保障城市正常运行的前提下,两个城市的强制性减排措施均包括以下四个层面:
1)企业生产层面的停产限产;
2)室外工地建设层面的停工停业;
3)城市交通层面的禁行限行;
4)个人环境层面的禁放烟花爆竹和露天烧烤等。
强制性减排措施是城市空气重污染时期的必然措施,是城市为空气重污染所付出的最小代价。
因此,这一付出是值得的,也是值得我们去记忆和思考的。
一道数学题:
在一个拥有五个入水管(含三个常开),三个出水管(含一个常闭)的池塘水的出入平衡问题。
可以看出,将上文城市空气重污染时期采取的四个层面的强制性减排措施,对应于四个入水管;那么出水管所对应的相关措施,是我们应该探究并解决的难题。
“知何来,经何处,到哪去”,包含了城市空气污染的全部经过和内涵。
“知何来”,是了解空气污染的来源,是我们控制空气污染的根本。
虽然,控制霾,可以从霾的产生、存在和消亡的任一阶段采取措施,但对人们最有利的是在霾的产生阶段进行控制,这样做的效果也是最好的。
“经何处”,是空气污染存在的方式,是对人们生活空间的影响程度。
只有在这个环节,只有给我们的生活造成众多的不便,我们才会追寻它的来源,才会从“知何来”中去控制它的产生。
“到哪去”,其实,这才是我们应该关心的重点。
然而,我们却从没有关心过空气污染物尤其是霾的去处。
无疑,了解并研究霾的消失,是人类继续发展所面临的重要课题,且无法回避。
否则,只能采取强制性减排措施,去限制发展来减轻空气污染。
毋庸置疑,自然产生的细微颗粒物最终都成为了泥土。
因此,人类社会产生的细微颗粒物最终也必将成为了泥土,且绝无例外。
4雨水的除霾效果与衡量标准
2020年02月27日,一场雨后,西安的空气从重污染一下转变成了优良,使人欣慰。
由西安市人民体育场实时空气质量指数图可知,见图4-1,在当日11时,空气质量指数AQI达30,为优秀。
同时表明,在48小时的记录中,由PM2.5引起的空气质量指数AQI的变化范围为21--266。
图4-1:
西安市人民体育场实时空气质量指数(2020年02月27日)[5]
雨水是细微颗粒物消失的途径和载体,细微颗粒物消失的本质是回归泥土。
因此,有必要了解一毫米有效降雨可以减少多少细微颗粒物?
为体现降雨过程对细微颗粒物影响,将降雨量按先后顺序,以每份0.05毫米标准分成若干份,标记为n,n=降雨量/0.05。
假设,所有细微颗粒物(可溶性和不溶性)碰上水滴就将被束缚在水滴上(水滴的表面或内部),且水滴的平均半径R为一毫米。
那么,在一平方米内,降0.05毫米的雨量(N=11936.62个雨滴),且每一滴雨水的路径都不重复,则这些雨点所经过的面积S为:
S=N*π*R²=37500(平方毫米)=0.0375(平方米)
也就是说,每增加一份0.05毫米的降雨量,空气中的细微颗粒物将减少0.0375,即减少到原值的0.9625倍,令K=0.9625。
因此,空气中的细微颗粒物随降雨的浓度比例系数b为:
b=K^n。
求得,当n=18.135时,即连续18.135个0.05毫米,总计0.90675毫米的有效降雨,将使空气中细微颗粒物浓度减少一半。
这里,我们称有效降雨0.90675毫米,取近似值1.0毫米,为空气中细微颗粒物浓度随降雨减半的雨量,简称“霾减半雨量”。
有效降雨是除霾的重要手段。
1.0毫米的“霾减半雨量”是衡量降雨除霾效果的尺度。
5霾的浓度与温度的关系
细微颗粒物与空气分子是两种不同的物质,应该有不同的表象。
5.1霾有明确的自身边界
中科院物理所对北京霾层厚度的激光监测图,如图5-1。
图5-1:
中科院物理所对北京霾层厚度的激光监测[6]
图5-1表明:
有一条非常明确界线,将城市的上空分成了两部分:
一是界线下方厚度随时间变化着的霾;一是界线上方被霾隔开的城市的空间。
因此,霾是一个与空气有着明显分界面的不同的两种事物。
同时,大量的霾在自身确定的界面内存在。
故此,陆地表面可以由下至上分为四个层面,即陆地层面、水层面、霾层面和空气层面。
当霾层面的厚度和浓度不影响人们的日常生活时,霾的层面可以忽略,即回到从前的地面、水面和空气的认知层面;而当其影响人们的日常生活时,人们就应该把霾层面拿出来单独对待,并加以研究。
那么,是什么原因,导致观测结果中霾厚度的变化?
5.2霾的厚度与温度
我们知道,地面日温度变化以当地十四时为最高日温度,凌晨五时温度最低。
考虑到城市空气温度的均衡性、稳定性和一致性,因此地面最高日温度的十四时,不应是空气平均能量最高的时刻。
因此,将图5-1所示的,中科院物理所随时间监测的霾厚度变化结果,即“17日霾层厚度从450m升至900m,19时至次日凌晨6时,从900m逐渐降低至550m”[7],与“2016年12月17日,中科院大气物理所所在地北京朝阳区的天气为:
有霾,气温:
-4℃到7℃,微风,日出:
07:
47,日落:
18:
02。
”[8]所体现的,11度温差随时间的变化曲线,进行形态比较。
可以得到二者随时间的变化是一致的。
即温度随时间变化是霾厚度随时间变化的原因。
5.3空气质量指数与温度
在开放的城市大气环境中,找一个不受风雨等影响的相对稳定的区域,用于观察温度的日常变化对区域霾浓度的影响情况。
因此,假定观察区域中,霾的细微颗粒物粒子总量不变,即观察区域处于平衡状态(例如在无风、车辆稀少的城中心区域)。
随着时间的推移,空气的温度缓慢、均匀地变化,并引起空气霾的浓度亦随之变化。
当PM2.5是空气的主要污染物时,空气质量指数对应于细微颗粒物浓度,在面积不变时,高度就代表体积。
因此,在霾总量M稳定的空气状态下,霾的浓度Q随霾的高度H升高而降低。
即:
Q=M/H(5-1)
2020年04月07日,西安实时空气质量指数图,见图5-2。
可以看出:
从4月6日的20时,空气质量指数由59经9个小时增至94;再经12个小时,降至53。
当日天气预报温度变化为9-23度。
图5-2:
西安实时空气质量指数(2020.04.07.17)[9]
将图5-2显示的西安实时空气质量指数,与当日气温的实时变化曲线对比。
我们可以得出:
在稳定的空气状态下,霾的浓度Q随空气温度T升高而降低。
即:
Q=aM/T,a为调节系数。
(5-2)
比较空气质量指数分别随温度和高度变化的关系,即(5-1)式和(5-2)式,可以得出:
H=T/a(5-3)
将图5-1与图5-2的变化与各自的温度变化关联,按指数关系处理霾的高度随温度的变化,并求得霾层高度与温度对应表,见表5-1。
并由表5-1,得霾层高度随温度变化图,见图5-3。
表5-1霾层高度与温度对应表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
温度(℃)
-20
-15
-10
-5
-4
0
5
7
高度(m)
164
225
308
423
450
578
793
900
序号
9
10
11
12
13
14
15
00
温度(℃)
9
10
15
20
23
25
30
高度(m)
1020
1062
1304
1601
1810
1963
2412
图5-3霾层高度随温度变化
可以表明:
1)空气质量指数(亦即霾浓度)随温度升高而降低;
2)空气质量指数(亦即霾浓度)亦随霾的高度升高而降低;
3)霾的高度随温度升高而升高。
6霾与城市的界面变化
“昆明四季如春,西安春如四季”,一句四月份的网络语言,说出了南北方城市的不同。
见过“大河上下,顿失滔滔”的黄河,没听过“冰锁长江”的景象。
以西安气候逐月变化,见图6-1,看北方城市的气候变化。
图6-1:
西安气候(气温与降水量)逐月变化图[10]
秋冬之际,南北方城市的显著区别,是城市软、硬界面占比的变化。
就像在水面打乒乓球或网球,城市软界面对细微颗粒物,具有强大的束缚能力。
这一点是城市硬界面所不具备的。
图6-1表明,随着北方城市低温、少雨的秋冬季节的来临。
城市的绿植、湿地、水体也随之减少,必然导致了城市硬界面占比的提高。
这些变化,不但减少了细微颗粒物的消失途径,而且增加了其在空中的停留时间,更容易导致城市空气的霾污染。
而南方城市则无此变化(或变化甚微)。
北方城市,“若无大水,则无大城”,此言不虚。
7结论
城市发展是人类进步的必然,但发展必须遵从自然。
“物质流良性循环”和“城市发展的地域性限制”,是城市发展绕不开的两种自然约束。
否则,就会出现城市的《空气重污染应急预案》所体现的强制性减排措施,用来改正。
综上所述,有一下几点认识与大家共享:
1)霾是人类活动中能量转换的伴生物,人们不可能以停止城市生活或城市发展来控制霾的产生。
这是霾的社会属性决定的。
2)霾的本质是细微颗粒物,霾与空气是不同的两种物质,一个PM2.5颗粒物的平均物理尺度是一个空气分子的物理尺度的三千倍。
3)霾有明确的自身边界,将陆地以上空间由下至上分为四个空间层面,即陆地层、水层、霾层和空气层。
4)霾的浓度有随温度(或霾的高度)升高而降低的性质;这也是城市春夏比秋冬季霾污染轻的重要原因。
5)降雨是除霾的重要手段,回归泥土是霾消失的本质;1.0毫米的“霾减半雨量”是衡量降雨效果的尺度。
6)城市软界面是城市环境自身调节的主体,对霾具有强大的束缚能力;降低软界面占比,必然降低城市自身的调节能力。
这是北方城市秋冬季节霾污染加重的主因。
7)城市发展是城市硬界面增加的主要途径,是导致城市软硬界面比例失调的根本原因,若不节制,将导致新的城市危机。
参考文献:
[1]高乐 黄晓巍。
波澜壮阔40载给你一个新西安。
西安晚报[2018年12月07日] 版次:
<04>专版
[2]中国环境监测总站 > 监测报告 > 空气质量状况报告 > 正文(
[3]北京市住房和城乡建设委员会(
[4]西安市人民政府首页/ 公开/ 政策法规/ 市政办函/ 正文(
[5]西安市人民体育场 AQI:
(https:
//aqicn.org/city/china/xian/shirenmintiyuchang/cn/)
[6][7]知乎,首页,空气质量,雾霾,雾霾层的高度是多少?
厚度呢?
(
[8]天气预报15天查询 , 北京天气预报15天,12月17日朝阳天气查询
(
[9]PM2.5及空气质量指数(AQI)实时查询,首页,西安(
[10]新浪天气,首页,西安(
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