我家附近区域灰霾天气与PM2.5值相关性的研究

六(2)班 孙毓遥

研究背景

前几个月，我听父母谈论，很多人开始关注一个新词汇：PM2.5。这是因为人们对于官方公布的空气污染指数感到疑惑。以北京为例，虽然官方公布的北京空气污染指数(API)依然良好，可人们通过肉眼观测却觉得天气灰蒙蒙的，感觉很不“良好”。而与此同时，美国大使馆公布的北京空气质量指数却很糟。这个事件不仅仅停留在空气质量监测的层面，我国气象局的官方发言人曾召开记者会表示，美国大使馆公布北京空气状况的行为干涉了我国内政。

我自己感觉到，现在北京灰蒙蒙的天气好像是比几年前多了。这是为什么呢？什么是PM2.5？我的脑子里有很多的问号，我不禁想一探究竟，我想知道：

(1)灰霾天气是由什么导致的呢？

(2)现在公布的北京每日空气污染指数(API)能否反映灰霾天气？

(3)灰霾天气与PM2.5值是否有关联？

(4)人们对灰霾天气和PM2.5了解吗？

我决定开始一次调查研究。

一、 研究目的

(1)观测我家附近的天气状况并记录；

(2)收集各方公布的天气状况和空气状况的监测结果；

(3)对人们对灰霾天气和PM2.5了解情况进行问卷调查；

(4)根据观测、分析和调查的结果，弄清楚相关问题，给出我的结论，提出我的建议。

二、 研究方法

1.研究步骤流程图(见图1)

图1 研究步骤流程图

2.查阅资料

利用百度百科、北京环保监测中心等网站查阅有关灰霾天、PM2.5、PM10和空气污染指数的相关资料，了解灰霾天的形成原因和影响因素、对人们的危害，以及国内外对PM2.5和灰霾天的监测情况。

3.实地观测

(1)准备器材。

照相机：CANON ZOOM LENS G11。

记录数据表。

(2)选择地点。

我的地点选择主要考虑了如何能进行长期的观测和记录，以便于搞清楚我家附近区域灰霾天气与PM2.5值的相关性。具体地点见图2画圈处。

图2 观测地点地图

我选择在家里的南面凉台进行观测和拍照。以下面一张照片为例：

(3)记录数据。

每天记录数据，包括：

● 我观测到的天气，湿度和能见度；

● 中央气象台每日发布的北京天气状况(包括天气、湿度、温度、风力、空气污染扩散条件)；

● 北京市环保监测中心每日发布的API和每时发布的PM2.5研究性监测数据；

● 美国大使馆每时发布的该使馆处的PM2.5值和空气质量指数(AQI)。

(4)拍照。

每天在选择的地点进行拍照。

(5)选择时间。

资料显示，PM2.5最高浓度一般出现在凌晨到上午10时前。我选择每日上午10时拍照，每时数据也选择上午10时的数据。

4.问卷调查

为了了解人们对灰霾天气和PM2.5的认识，我决定使用调查问卷的方式。我随机调查了51人，包括老年人、中青年人、中小学生。我设计的问卷调查表如下：

“灰霾天气”的调查问卷

调查对象：

1.您知道什么是灰霾天气吗？

A.很清楚 B.基本了解 C.比较模糊 D.不了解

2.您知道什么是PM2.5吗？

A.总悬浮颗粒物B.可吸入颗粒物C.可入肺颗粒物D.不了解

3.您知道灰霾天气的主要成因是什么吗？

A.PM2.5B.PM10C.PM100D.不了解

4.您知道灰霾天气有什么危害吗？

A.影响皮肤B.危害肺部C.影响鼻腔D.不了解

5.您平时关注空气污染指数预报吗？

A.经常关注B.偶尔关注 C.不关注

6.您希望了解每日空气质量吗？

A.希望B.不希望

三、 研究结果

1.查阅资料结果

(1)什么是灰霾天?

中国气象局对于灰霾的定义是，霾是一种天气现象，是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10千米的空气普遍混浊现象，又称灰霾。美国气象学会的定义为颗粒物悬浮在空气中，散射光而降低能见度，通常由气溶胶和光化学烟雾组成。美国环保总署的定义为，大气中因大量而可见的气溶胶，这些颗粒物十分细小，单个肉眼不可见，但引起所见物的扭曲和可见范围的下降。

一般来说，灰霾指的是大气边界层乃至对流层低层整体的大气浑浊现象，能见度低于10公里。5~8公里属于中度灰霾现象，3~5公里属于重度灰霾现象，少于3公里则是严重的灰霾现象。

(2)什么时候会出现灰霾天?

灰霾天气出现时，一般都伴随着静小风、强日照和低相对湿度。总的来说，灰霾产生的原因是因为城市扩散条件不好、冷空气不强、风速不大，这个时候城市中的各种污染物无法得到及时扩散，并在近地面积聚，若又加上天旱少雨，日照强烈，湿度较小，污染物之间就容易发生各种光化学反应，形成灰霾。在世界气象组织(WMO)的《地面观测规范》中，“haze”是其中一种天气现象，是指空气中的灰尘、硫酸盐、硝酸盐、有机碳氢化合物等气溶胶粒子造成对光线的衰减作用，使水平能见度小于 10千米。对于“haze”一词的中文翻译，香港译作“烟霞”，内地译作“霾”或“灰霾”。其实灰霾这个词还是比较形象的，就是指灰蒙蒙的天。灰霾出现时，在视野开阔的地方沿着地平线向远处望去，可以看到远处被一层烟雾笼罩着。当灰霾比较严重时，城市看起来就是雾蒙蒙的，而实际上那又不是雾。

(3)灰霾天有什么危害?

灰霾导致太阳辐射强度减弱和日照时数的减少，造成农业减产，还能进入人体，引发呼吸道疾病。据权威资料统计，我国吸烟者数量并未明显增加，可是肺癌患者在过去30年里却增加了45.6%，这与空气污染绝对有关系。钟南山院士说，灰霾天气致肺癌发生猛于尼古丁！气象科学家指出，灰霾与肺癌如影随形：出现灰霾严重的年份后，相隔7年就会出现肺癌高发期。灰霾与肺癌有了“七年之痒”。因此，人们说，灰霾是人们有时候感觉不到的、温柔的杀手，具有强烈的毒性。据了解，成年人每天大约需要15立方米的空气，有毒有害的细粒子不像沙尘那样可以被鼻腔阻隔，而是能被直接吸入肺泡并慢慢沉积，甚至会进入血液，危害其他脏器。灰霾中有一种名为气溶胶的混合物，是危害人体的元凶。气溶胶等灰霾污染颗粒可在人体内潜伏约7年再发作。由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；粒径在2.5微米以下的细颗粒物，直径相当于人类头发的1/10大小，不易被阻挡。被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。

(4)什么是PM2.5?

PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组成部分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。PM2.5粒径小，富含大量的有毒有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。PM，英文全称为particulate matter(颗粒物)。科学家用PM2.5表示每立方米空气中这种颗粒的含量，这个值越高，就代表空气污染越严重。PM2.5来源广泛、成因复杂，主要为人为排放，包括燃煤、烧秸秆、烧烤、机动车出行、餐饮油烟、建筑施工扬尘、喷涂喷漆装修等，都会为增加PM2.5作“贡献”，一些排放出的气体发生化学反应也会转化成PM2.5。PM2.5还有自然来源，包括风扬尘土、火山灰、森林火灾等。

(5)什么是PM10和PM100？

在城市空气质量日报或周报中的可吸入颗粒物和总悬浮颗粒物是人们较为熟悉的两种大气污染物。可吸入颗粒物又称为PM10，指直径大于2.5微米，等于或小于10微米，可以进入人的呼吸系统的颗粒物；总悬浮颗粒物也称为PM100，即直径小于或等于100微米的颗粒物。

(6)什么是空气污染指数？

空气污染指数(Air Pollution Index)是一种反映和评价空气质量的方法，就是将常规监测的几种空气污染物的浓度简化成为单一的概念性数值形式，并分级表征空气质量状况与空气污染的程度，其结果简明直观，使用方便，适用于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。空气污染指数是根据环境空气质量标准和各项污染物对人体健康和生态环境的影响来确定污染指数的分级及相应的污染物浓度限值。中国目前采用的空气污染指数分为五级，见表1。

表1中国空气污染指数分级表

2.观测、记录和调查

我每日记录相关数据，首先我对记录表中的数据进行解释。

(1)天气状况分为：晴、阴、雨、多云。

(2)能见度分为：好、轻度灰霾、中度灰霾、重度灰霾。因为是通过人眼观测来确定能见度，所以我只分了以上四个级别。四个级别分别用照片解释如表2：

表2能见度与照片的对应关系

(3)PM2.5研究性监测数据和空气污染指数均来源于北京市环保监测中心网站：http://www.bjmemc.com.cn/。PM2.5值的单位是微克每立方米。该数据为每时发布。

(4)中央气象台公布的北京天气状况来源于：http://www.nmc.gov.cn/publish/forecast/ABJ/beijing.html。

(5)空气质量指数分级表(见表3)。

表3空气质量指数分级表

(6)观测时间：7月5日至8月15日。

(7)表4中，有的日期没有数据发布，所以，有的栏中为“无”。

四、研究分析

1.我家附近区域灰霾天气是由什么导致的

(1) 我家附近区域灰霾天气与天气情况之间有什么联系(见图3)?

图3 我家附近区域灰霾天气与天气情况统计图

图3中，横轴为“天气分类”，纵轴为“出现灰霾天气的次数”。我从观测期间的统计结果中发现， 我家附近区域灰霾天气多出现在“多云天”和“雨天”。

(2) 我家附近区域灰霾天气与空气湿度之间有什么联系(见图4)?

图4 我家附近区域灰霾天气与空气湿度情况统计图

图4中，横轴为“空气湿度分类”，纵轴为“出现灰霾天气的次数”。我从观测期间的统计结果中发现，我家附近区域灰霾天气出现在“小于等于80%”的空气湿度情况的概率大。

(3) 我家附近区域灰霾天气与风力之间有什么联系(见表5)?

表5灰霾天气与风力之间的联系

从上面的表格统计看，我家附近区域灰霾天气基本出现在“微风”情况，只有一次出现在“三级风”情况。此次特例出现在7月21日(北京特大暴雨，风力在晚间加大，白天并没有大风)，因为我的记录结果是在上午10点，所以，可总结为：我家附近区域灰霾天气均出现在“微风”情况。

(4) 我家附近区域灰霾天气与车流量之间有什么联系(见图5)?

图5 我家附近区域灰霾天气与车流量情况统计图

图5中，横轴为“星期几”，纵轴为“出现灰霾天气的次数”。这是因为，我认为“星期几”可以粗略估算车流量。由上图可以看出，周二至周六，灰霾天出现的概率高，而周日和周一灰霾天出现的概率低。我分析，周一至周五(工作日)车流量大，但可能由于PM2.5污染物的累积需要一定时间，所以，灰霾天的出现一般在车流量大之后的一天或两天，即在周二至周六出现灰霾天的概率高。周六、周日车流量相对小一些，所以周日和周一灰霾天出现的可能性小。我从观测期间的统计结果看，我家附近区域灰霾天气与车流量之间有较强的相关性。

对照我查阅的资料，灰霾天气之所以和车流量有较强的相关性，是因为机动车尾气排放已经成为部分大中城市大气污染的主要来源。由于近年来我国大中城市机动车使用量迅速增加，而且国内机动车使用的油品质量低，排放水平较高。研究表明，机动车已经成为大中城市的重要污染源，直接导致城市灰霾天气增加，汽车尾气污染型城市增多。

(5)哪些条件可以缓解灰霾天气？

从记录表中，我还发现，大风和降雨可以缓解灰霾天气。因为大风可以加速空气中污染物的扩散，而降雨可以吸附空气中的污染物，将污染物带到地面。所以我看到：每次大风或降雨(即使是小雨或阵雨)，第二天的能见度都会较前一天好转。

2.现在公布的北京每日API能否反映我家附近区域灰霾天气

(1) 北京每日API是如何计算出来的?

我从北京市环保监测中心网站上查到，北京市API的计算公式中包含三种污染物的API指数，然后，取最大的一项API作为当日API的值。三种污染物为二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物(PM10)。我观测期间，每日的主要污染物全部是“可吸入颗粒物”。

(2) API与我家附近区域灰霾天气之间相关吗?

图6中，横坐标为日期，左纵坐标为能见度，右纵坐标为API。两条曲线的起伏比较相似(除椭圆圈标注的点)，即随着API值的升高，灰霾天气的程度也会相应加重。图中有四处椭圆圈标注的点，除第二处以外，其余三处都是两条曲线的上下起伏不一致，即API值升高了，但能见度却好转了。第二处的异常原因是：API为“优”，而能见度为“重度灰霾”，所以API值不太能反映能见度。

图6 我家附近区域灰霾天气与API对比图

从图6可看出，API里虽然只包含了PM10，未包含PM2.5，但是，API与灰霾天还是有一定的关联。可以说，PM10与灰霾天有一定的关联。

但是，API在反映灰霾天方面的明显不足是：

(1)图6显示，两条曲线的起伏比较相似，但趋势不一致的地方较多；

(2)图6中，共观测了42天。API值除两天以外，其余均为“优”和“良”(共40天)。“优良”率为(40/42)×100% = 95.2%。

但是，从能见度来统计，能见度为“好”的天数为17天，“好”率为(17/42)×100% = 40.5%；如果加上“轻度灰霾”的天数，则为27天，“较好”率(能见度为“好”和“轻度灰霾”)为(27/42)×100% = 64.3%。

API值与能见度反映的空气状况之间的差距较大。也就是说，虽然API值处于“优”和“良”，但我们感觉空气并不好。

所以，API不能有效反映我家附近区域灰霾天气。

3.我家附近区域灰霾天气与PM2.5值是否有关联

(1)图7是采用北京市环保监测中心公布的PM2.5研究性监测数据。

图7 我家附近区域灰霾天气与PM2.5(北京)对比图

图7中，横坐标为日期，左纵坐标为能见度，右纵坐标为PM2.5(北京)值。两组曲线的起伏非常相似。PM2.5(北京)值较低时，能见度为“好”，随着PM2.5(北京)值的升高，能见度会变为“轻度灰霾”、“中度灰霾”和“重度灰霾”。其中，椭圆圈标注的两处为异常：第一处是PM2.5(北京)值升高了，但能见度却由“中度灰霾”变为“轻度灰霾”，两组曲线的起伏相反；第二处，PM2.5(北京)值显示为“优”，但能见度为“轻度灰霾”，这是全图中唯一PM2.5(北京)值显示为“优”，但能见度不为“好”的点。由图7可总结出灰霾天气的出现与PM2.5(北京)值的相关性如下：

当PM2.5(北京)值在0~35(优)范围内时，能见度一定是“好”；

当PM2.5(北京)值在35~75(良)范围内时，能见度小可能性是“好”，大可能性是“轻度灰霾”；

当PM2.5(北京)值大于75时，就一定是灰霾天气。随着PM2.5(北京)值的升高，灰霾天气的程度也会相应加重。

(2)图8是采用美国大使馆公布的北京PM2.5数据。

图8 我家附近区域灰霾天气与PM2.5(美使馆)对比图

图8，横坐标为日期，左纵坐标为能见度，右纵坐标为PM2.5(美使馆)值。两组曲线的起伏非常相似。由上图，可总结出灰霾天气的出现与PM2.5(美使馆)值的相关性如下：

当PM2.5(美使馆)值在0~50范围内时，能见度一定是“好”；

当PM2.5(美使馆)值在50~60范围内时，能见度小可能性是“好”，大可能性是“轻度灰霾”；

当PM2.5(美使馆)值大于60时，就一定是灰霾天气。随着PM2.5(美使馆)值的升高，灰霾天气的程度也会相应加重。

所以，无论是图7，还是图8，都可以清楚看到灰霾天气与PM2.5值的相关性，即我家附近区域灰霾天气的出现与PM2.5值的升高是正相关的。

4.人们对灰霾天气和PM2.5了解吗

调查问卷统计表

从调查问卷的统计结果分析，可以得出以下结论：

(1)人们基本了解灰霾天气，但是对PM2.5的概念比较模糊。

(2)大多数人知道灰霾天气的危害，但不清楚它的主要成因。

(3)经常关注空气污染指数预报的人较少，但绝大多数人都希望了解每日空气质量。

在调查的过程中，我了解了人们为什么不经常关注空气污染指数预报，主要的原因：一是发布空气污染指数预报的渠道较少，人们不容易知道；二是空气污染指数预报只有等级，没有相关的指导意见，群众在没有深入了解的情况下，会认为该信息对自己没有指导意义，所以，他们没有关注的热情。

五、 研究结论和建议

1.PM2.5应该是造成我家附近区域灰霾天气的“真凶”

从我观测分析的结果看，无论是采用北京市环保监测中心发布的PM2.5值，还是采用美使馆发布的PM2.5值，都可以清楚看到我家附近区域灰霾天气与PM2.5值的密切关系，即PM2.5值较低时，能见度好；随着PM2.5值的升高，能见度会逐渐恶化。

从我查阅的资料看, 灰霾(能见度的降低)与单位空气体积内细小颗粒物的数量关系更为密切，所以与PM10相比，PM2.5与灰霾的相关性更大。

两者可以相互印证，PM2.5应该是造成我家附近区域灰霾天气的“真凶”！

建议：因为近几年来，灰霾天气在逐渐增加，而灰霾天气对人体健康的危害较大，所以，我们确实应该开始对PM2.5值进行监测，更全面地反映空气质量。

2.我家附近区域灰霾天气发生的条件

从我观测分析的结果看，我家附近区域灰霾天气

● 均发生在“微风”情况；

● 在“多云”和“雨天”发生的概率更高一点；

● 在“空气湿度小于等于80%”的情况下发生的概率更高；

● 在“车流量大”的情况下发生的概率更高。

建议：要改善灰霾天气，我们可以在车流量方面做一些工作。(1)提倡少开私家车，多利用公共交通工具，减少车流量；(2)政府应采取措施鼓励大家购买新能源汽车，减少尾气排放。比如：如果购买新能源汽车，可以不用摇号。

3.大风和降雨多数情况下可以降低PM2.5值，减少灰霾天气的出现

我观测到：每次大风或降雨(即使是小雨或阵雨)，第二天的能见度都会较前一天好转。因为大风可以加速空气中污染物的扩散，而降雨可以吸附空气中的污染物，将污染物带到地面。所以，大风和降雨多数情况下可以降低PM2.5值，减少灰霾天气的出现。

4.API不足以反映我家附近区域灰霾天气

API包括了三种污染物：二氧化硫、二氧化氮和PM10。因为API中不包含PM2.5，所以，尽管API与灰霾天气有一定关联，但并不足以反映我家附近区域灰霾天气，即API还处于“优”、“良”范围，但有可能已经是灰霾天气了。

建议： API应借鉴AQI做进一步改进，以使API能更准确反映空气质量。

5.公众对灰霾天气和PM2.5的认识模糊，但是大家都很关心空气质量

建议：(1)我们在发布类似空气污染指数时，也应对空气状况以及空气状况对人们的影响做浅显的说明和指导。让大家看得懂空气污染指数，知道该怎样做。这样，空气污染指数就具有更强的实用意义了。(2)在民众间加强相关知识的普及，使民众明白空气污染指数对自己有很大的指导意义，并有热情去关注。

六、创新之处

本次调查研究的创新之处在于：

(1)我分析研究的方法比较新颖。我使用分类统计图分析了“我家附近区域灰霾天气发生的条件”；使用曲线对比图分析了“北京每日API能否反映我家附近区域灰霾天气”和“我家附近区域灰霾天气与PM2.5值是否有关联”。类似的分析方法，我在查阅资料时还没有看到。而且，我认为这些分析方法比较科学，得出的结论也比较令人信服。

(2)我研究的内容比较详细、全面。比如，分析“我家附近区域灰霾天气发生的条件”时，我对“天气”、“风力”、“空气湿度”和“车流量”几个条件都进行了分析。分析“我家附近区域灰霾天气与PM2.5值是否有关联”时，我采用了两个渠道发布的PM2.5值。

七、展望

(1)我的大部分研究还需要更为长期的观测统计。因为PM2.5值变化比较大，所以，要得到科学、可信的结论，应该长期观测。特别是“灰霾天气与天气之间的联系”、“灰霾天气与空气湿度之间的联系”，这些可能与季节有关。“灰霾天气与车流量之间的联系”也只有更长期的统计，才能看到重复的规律。

(2)随着政府和公众对灰霾天气和PM2.5的重视，我觉得人们在这方面的认识会逐步加深。虽然这次我做的问卷调查显示，大家对灰霾天气和PM2.5的了解还不够，但经过一定时间，人们的了解会更多，也会知道怎样力所能及地改善灰霾天气。到时，我还会再进行问卷调查，分析一下公众在这方面的意识是否增强了。

参考资料

● http://www.edu.cn/2009climate_9024/20120305/t20120305_748083.shtml

● http://www.bjmemc.com.cn/

● http://www.nmc.gov.cn/publish/forecast/ABJ/beijing.html

● http://paper.people.com.cn/rmrbhwb/html/2010-09/25/content_631512.htm

● http://www.weather.com.cn/static/html/article/20090312/26898.shtml

● http://baike.baidu.com/view/3046204.htm

● http://wenku.baidu.com/view/08c1e72e915f804d2b16c10f.html

● http://www.airnow.gov/

致 谢

完成了我的课题研究，我首先要感谢辅导老师和我的妈妈，我在选题、确定方案和综合分析时，都得到了她们的悉心指导。我假期外出期间，妈妈和外公还帮助我记录了十来天的数据。最后，我要谢谢配合我问卷调查的爷爷奶奶、叔叔阿姨和同学们。

点评

孙毓遥的选题视角新颖，以目前最为人们所关注的雾霾现象为题，连续多天进行实地考察，测量分析，形成自己的发现，又结合权威数据进行补充说明，因此形成的结论客观合理，有理有据。整体行文规范、研究思路具有逻辑性，对于相关研究能做到这些，在小学阶段并不多见。

该课题获得2012年“小小诺贝尔奖”提名奖、2013年北京市科技创新大赛一等奖。