我家附近區域灰霾天氣與PM2.5值相關性的研究

六(2)班 孫毓遙

研究背景

前幾個月，我聽父母談論，很多人開始關注一個新詞匯：PM2.5。這是因為人們對于官方公布的空氣污染指數感到疑惑。以北京為例，雖然官方公布的北京空氣污染指數(API)依然良好，可人們通過肉眼觀測卻覺得天氣灰蒙蒙的，感覺很不“良好”。而與此同時，美國大使館公布的北京空氣質量指數卻很糟。這個事件不僅僅停留在空氣質量監測的層面，我國氣象局的官方發言人曾召開記者會表示，美國大使館公布北京空氣狀況的行為干涉了我國內政。

我自己感覺到，現在北京灰蒙蒙的天氣好像是比幾年前多了。這是為什么呢？什么是PM2.5？我的腦子里有很多的問號，我不禁想一探究竟，我想知道：

(1)灰霾天氣是由什么導致的呢？

(2)現在公布的北京每日空氣污染指數(API)能否反映灰霾天氣？

(3)灰霾天氣與PM2.5值是否有關聯？

(4)人們對灰霾天氣和PM2.5了解嗎？

我決定開始一次調查研究。

一、 研究目的

(1)觀測我家附近的天氣狀況并記錄；

(2)收集各方公布的天氣狀況和空氣狀況的監測結果；

(3)對人們對灰霾天氣和PM2.5了解情況進行問卷調查；

(4)根據觀測、分析和調查的結果，弄清楚相關問題，給出我的結論，提出我的建議。

二、 研究方法

1.研究步驟流程圖(見圖1)

圖1 研究步驟流程圖

2.查閱資料

利用百度百科、北京環保監測中心等網站查閱有關灰霾天、PM2.5、PM10和空氣污染指數的相關資料，了解灰霾天的形成原因和影響因素、對人們的危害，以及國內外對PM2.5和灰霾天的監測情況。

3.實地觀測

(1)準備器材。

照相機：CANON ZOOM LENS G11。

記錄數據表。

(2)選擇地點。

我的地點選擇主要考慮了如何能進行長期的觀測和記錄，以便于搞清楚我家附近區域灰霾天氣與PM2.5值的相關性。具體地點見圖2畫圈處。

圖2 觀測地點地圖

我選擇在家里的南面涼臺進行觀測和拍照。以下面一張照片為例：

(3)記錄數據。

每天記錄數據，包括：

● 我觀測到的天氣，濕度和能見度；

● 中央氣象臺每日發布的北京天氣狀況(包括天氣、濕度、溫度、風力、空氣污染擴散條件)；

● 北京市環保監測中心每日發布的API和每時發布的PM2.5研究性監測數據；

● 美國大使館每時發布的該使館處的PM2.5值和空氣質量指數(AQI)。

(4)拍照。

每天在選擇的地點進行拍照。

(5)選擇時間。

資料顯示，PM2.5最高濃度一般出現在凌晨到上午10時前。我選擇每日上午10時拍照，每時數據也選擇上午10時的數據。

4.問卷調查

為了了解人們對灰霾天氣和PM2.5的認識，我決定使用調查問卷的方式。我隨機調查了51人，包括老年人、中青年人、中小學生。我設計的問卷調查表如下：

“灰霾天氣”的調查問卷

調查對象：

1.您知道什么是灰霾天氣嗎？

A.很清楚 B.基本了解 C.比較模糊 D.不了解

2.您知道什么是PM2.5嗎？

A.總懸浮顆粒物B.可吸入顆粒物C.可入肺顆粒物D.不了解

3.您知道灰霾天氣的主要成因是什么嗎？

A.PM2.5B.PM10C.PM100D.不了解

4.您知道灰霾天氣有什么危害嗎？

A.影響皮膚B.危害肺部C.影響鼻腔D.不了解

5.您平時關注空氣污染指數預報嗎？

A.經常關注B.偶爾關注 C.不關注

6.您希望了解每日空氣質量嗎？

A.希望B.不希望

三、 研究結果

1.查閱資料結果

(1)什么是灰霾天?

中國氣象局對于灰霾的定義是，霾是一種天氣現象，是大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10千米的空氣普遍混濁現象，又稱灰霾。美國氣象學會的定義為顆粒物懸浮在空氣中，散射光而降低能見度，通常由氣溶膠和光化學煙霧組成。美國環保總署的定義為，大氣中因大量而可見的氣溶膠，這些顆粒物十分細小，單個肉眼不可見，但引起所見物的扭曲和可見范圍的下降。

一般來說，灰霾指的是大氣邊界層乃至對流層低層整體的大氣渾濁現象，能見度低于10公里。5~8公里屬于中度灰霾現象，3~5公里屬于重度灰霾現象，少于3公里則是嚴重的灰霾現象。

(2)什么時候會出現灰霾天?

灰霾天氣出現時，一般都伴隨著靜小風、強日照和低相對濕度。總的來說，灰霾產生的原因是因為城市擴散條件不好、冷空氣不強、風速不大，這個時候城市中的各種污染物無法得到及時擴散，并在近地面積聚，若又加上天旱少雨，日照強烈，濕度較小，污染物之間就容易發生各種光化學反應，形成灰霾。在世界氣象組織(WMO)的《地面觀測規范》中，“haze”是其中一種天氣現象，是指空氣中的灰塵、硫酸鹽、硝酸鹽、有機碳氫化合物等氣溶膠粒子造成對光線的衰減作用，使水平能見度小于 10千米。對于“haze”一詞的中文翻譯，香港譯作“煙霞”，內地譯作“霾”或“灰霾”。其實灰霾這個詞還是比較形象的，就是指灰蒙蒙的天。灰霾出現時，在視野開闊的地方沿著地平線向遠處望去，可以看到遠處被一層煙霧籠罩著。當灰霾比較嚴重時，城市看起來就是霧蒙蒙的，而實際上那又不是霧。

(3)灰霾天有什么危害?

灰霾導致太陽輻射強度減弱和日照時數的減少，造成農業減產，還能進入人體，引發呼吸道疾病。據權威資料統計，我國吸煙者數量并未明顯增加，可是肺癌患者在過去30年里卻增加了45.6%，這與空氣污染絕對有關系。鐘南山院士說，灰霾天氣致肺癌發生猛于尼古丁！氣象科學家指出，灰霾與肺癌如影隨形：出現灰霾嚴重的年份后，相隔7年就會出現肺癌高發期。灰霾與肺癌有了“七年之癢”。因此，人們說，灰霾是人們有時候感覺不到的、溫柔的殺手，具有強烈的毒性。據了解，成年人每天大約需要15立方米的空氣，有毒有害的細粒子不像沙塵那樣可以被鼻腔阻隔，而是能被直接吸入肺泡并慢慢沉積，甚至會進入血液，危害其他臟器。灰霾中有一種名為氣溶膠的混合物，是危害人體的元兇。氣溶膠等灰霾污染顆粒可在人體內潛伏約7年再發作。由細顆粒物造成的灰霾天氣對人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。粒徑10微米以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5微米至10微米之間的顆粒物，能夠進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小；粒徑在2.5微米以下的細顆粒物，直徑相當于人類頭發的1/10大小，不易被阻擋。被吸入人體后會直接進入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。

(4)什么是PM2.5?

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組成部分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。PM2.5粒徑小，富含大量的有毒有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。PM，英文全稱為particulate matter(顆粒物)。科學家用PM2.5表示每立方米空氣中這種顆粒的含量，這個值越高，就代表空氣污染越嚴重。PM2.5來源廣泛、成因復雜，主要為人為排放，包括燃煤、燒秸稈、燒烤、機動車出行、餐飲油煙、建筑施工揚塵、噴涂噴漆裝修等，都會為增加PM2.5作“貢獻”，一些排放出的氣體發生化學反應也會轉化成PM2.5。PM2.5還有自然來源，包括風揚塵土、火山灰、森林火災等。

(5)什么是PM10和PM100？

在城市空氣質量日報或周報中的可吸入顆粒物和總懸浮顆粒物是人們較為熟悉的兩種大氣污染物。可吸入顆粒物又稱為PM10，指直徑大于2.5微米，等于或小于10微米，可以進入人的呼吸系統的顆粒物；總懸浮顆粒物也稱為PM100，即直徑小于或等于100微米的顆粒物。

(6)什么是空氣污染指數？

空氣污染指數(Air Pollution Index)是一種反映和評價空氣質量的方法，就是將常規監測的幾種空氣污染物的濃度簡化成為單一的概念性數值形式，并分級表征空氣質量狀況與空氣污染的程度，其結果簡明直觀，使用方便，適用于表示城市的短期空氣質量狀況和變化趨勢。空氣污染指數是根據環境空氣質量標準和各項污染物對人體健康和生態環境的影響來確定污染指數的分級及相應的污染物濃度限值。中國目前采用的空氣污染指數分為五級，見表1。

表1中國空氣污染指數分級表

2.觀測、記錄和調查

我每日記錄相關數據，首先我對記錄表中的數據進行解釋。

(1)天氣狀況分為：晴、陰、雨、多云。

(2)能見度分為：好、輕度灰霾、中度灰霾、重度灰霾。因為是通過人眼觀測來確定能見度，所以我只分了以上四個級別。四個級別分別用照片解釋如表2：

表2能見度與照片的對應關系

(3)PM2.5研究性監測數據和空氣污染指數均來源于北京市環保監測中心網站：http://www.bjmemc.com.cn/。PM2.5值的單位是微克每立方米。該數據為每時發布。

(4)中央氣象臺公布的北京天氣狀況來源于：http://www.nmc.gov.cn/publish/forecast/ABJ/beijing.html。

(5)空氣質量指數分級表(見表3)。

表3空氣質量指數分級表

(6)觀測時間：7月5日至8月15日。

(7)表4中，有的日期沒有數據發布，所以，有的欄中為“無”。

四、研究分析

1.我家附近區域灰霾天氣是由什么導致的

(1) 我家附近區域灰霾天氣與天氣情況之間有什么聯系(見圖3)?

圖3 我家附近區域灰霾天氣與天氣情況統計圖

圖3中，橫軸為“天氣分類”，縱軸為“出現灰霾天氣的次數”。我從觀測期間的統計結果中發現， 我家附近區域灰霾天氣多出現在“多云天”和“雨天”。

(2) 我家附近區域灰霾天氣與空氣濕度之間有什么聯系(見圖4)?

圖4 我家附近區域灰霾天氣與空氣濕度情況統計圖

圖4中，橫軸為“空氣濕度分類”，縱軸為“出現灰霾天氣的次數”。我從觀測期間的統計結果中發現，我家附近區域灰霾天氣出現在“小于等于80%”的空氣濕度情況的概率大。

(3) 我家附近區域灰霾天氣與風力之間有什么聯系(見表5)?

表5灰霾天氣與風力之間的聯系

從上面的表格統計看，我家附近區域灰霾天氣基本出現在“微風”情況，只有一次出現在“三級風”情況。此次特例出現在7月21日(北京特大暴雨，風力在晚間加大，白天并沒有大風)，因為我的記錄結果是在上午10點，所以，可總結為：我家附近區域灰霾天氣均出現在“微風”情況。

(4) 我家附近區域灰霾天氣與車流量之間有什么聯系(見圖5)?

圖5 我家附近區域灰霾天氣與車流量情況統計圖

圖5中，橫軸為“星期幾”，縱軸為“出現灰霾天氣的次數”。這是因為，我認為“星期幾”可以粗略估算車流量。由上圖可以看出，周二至周六，灰霾天出現的概率高，而周日和周一灰霾天出現的概率低。我分析，周一至周五(工作日)車流量大，但可能由于PM2.5污染物的累積需要一定時間，所以，灰霾天的出現一般在車流量大之后的一天或兩天，即在周二至周六出現灰霾天的概率高。周六、周日車流量相對小一些，所以周日和周一灰霾天出現的可能性小。我從觀測期間的統計結果看，我家附近區域灰霾天氣與車流量之間有較強的相關性。

對照我查閱的資料，灰霾天氣之所以和車流量有較強的相關性，是因為機動車尾氣排放已經成為部分大中城市大氣污染的主要來源。由于近年來我國大中城市機動車使用量迅速增加，而且國內機動車使用的油品質量低，排放水平較高。研究表明，機動車已經成為大中城市的重要污染源，直接導致城市灰霾天氣增加，汽車尾氣污染型城市增多。

(5)哪些條件可以緩解灰霾天氣？

從記錄表中，我還發現，大風和降雨可以緩解灰霾天氣。因為大風可以加速空氣中污染物的擴散，而降雨可以吸附空氣中的污染物，將污染物帶到地面。所以我看到：每次大風或降雨(即使是小雨或陣雨)，第二天的能見度都會較前一天好轉。

2.現在公布的北京每日API能否反映我家附近區域灰霾天氣

(1) 北京每日API是如何計算出來的?

我從北京市環保監測中心網站上查到，北京市API的計算公式中包含三種污染物的API指數，然后，取最大的一項API作為當日API的值。三種污染物為二氧化硫、二氧化氮和可吸入顆粒物(PM10)。我觀測期間，每日的主要污染物全部是“可吸入顆粒物”。

(2) API與我家附近區域灰霾天氣之間相關嗎?

圖6中，橫坐標為日期，左縱坐標為能見度，右縱坐標為API。兩條曲線的起伏比較相似(除橢圓圈標注的點)，即隨著API值的升高，灰霾天氣的程度也會相應加重。圖中有四處橢圓圈標注的點，除第二處以外，其余三處都是兩條曲線的上下起伏不一致，即API值升高了，但能見度卻好轉了。第二處的異常原因是：API為“優”，而能見度為“重度灰霾”，所以API值不太能反映能見度。

圖6 我家附近區域灰霾天氣與API對比圖

從圖6可看出，API里雖然只包含了PM10，未包含PM2.5，但是，API與灰霾天還是有一定的關聯。可以說，PM10與灰霾天有一定的關聯。

但是，API在反映灰霾天方面的明顯不足是：

(1)圖6顯示，兩條曲線的起伏比較相似，但趨勢不一致的地方較多；

(2)圖6中，共觀測了42天。API值除兩天以外，其余均為“優”和“良”(共40天)。“優良”率為(40/42)×100% = 95.2%。

但是，從能見度來統計，能見度為“好”的天數為17天，“好”率為(17/42)×100% = 40.5%；如果加上“輕度灰霾”的天數，則為27天，“較好”率(能見度為“好”和“輕度灰霾”)為(27/42)×100% = 64.3%。

API值與能見度反映的空氣狀況之間的差距較大。也就是說，雖然API值處于“優”和“良”，但我們感覺空氣并不好。

所以，API不能有效反映我家附近區域灰霾天氣。

3.我家附近區域灰霾天氣與PM2.5值是否有關聯

(1)圖7是采用北京市環保監測中心公布的PM2.5研究性監測數據。

圖7 我家附近區域灰霾天氣與PM2.5(北京)對比圖

圖7中，橫坐標為日期，左縱坐標為能見度，右縱坐標為PM2.5(北京)值。兩組曲線的起伏非常相似。PM2.5(北京)值較低時，能見度為“好”，隨著PM2.5(北京)值的升高，能見度會變為“輕度灰霾”、“中度灰霾”和“重度灰霾”。其中，橢圓圈標注的兩處為異常：第一處是PM2.5(北京)值升高了，但能見度卻由“中度灰霾”變為“輕度灰霾”，兩組曲線的起伏相反；第二處，PM2.5(北京)值顯示為“優”，但能見度為“輕度灰霾”，這是全圖中唯一PM2.5(北京)值顯示為“優”，但能見度不為“好”的點。由圖7可總結出灰霾天氣的出現與PM2.5(北京)值的相關性如下：

當PM2.5(北京)值在0~35(優)范圍內時，能見度一定是“好”；

當PM2.5(北京)值在35~75(良)范圍內時，能見度小可能性是“好”，大可能性是“輕度灰霾”；

當PM2.5(北京)值大于75時，就一定是灰霾天氣。隨著PM2.5(北京)值的升高，灰霾天氣的程度也會相應加重。

(2)圖8是采用美國大使館公布的北京PM2.5數據。

圖8 我家附近區域灰霾天氣與PM2.5(美使館)對比圖

圖8，橫坐標為日期，左縱坐標為能見度，右縱坐標為PM2.5(美使館)值。兩組曲線的起伏非常相似。由上圖，可總結出灰霾天氣的出現與PM2.5(美使館)值的相關性如下：

當PM2.5(美使館)值在0~50范圍內時，能見度一定是“好”；

當PM2.5(美使館)值在50~60范圍內時，能見度小可能性是“好”，大可能性是“輕度灰霾”；

當PM2.5(美使館)值大于60時，就一定是灰霾天氣。隨著PM2.5(美使館)值的升高，灰霾天氣的程度也會相應加重。

所以，無論是圖7，還是圖8，都可以清楚看到灰霾天氣與PM2.5值的相關性，即我家附近區域灰霾天氣的出現與PM2.5值的升高是正相關的。

4.人們對灰霾天氣和PM2.5了解嗎

調查問卷統計表

從調查問卷的統計結果分析，可以得出以下結論：

(1)人們基本了解灰霾天氣，但是對PM2.5的概念比較模糊。

(2)大多數人知道灰霾天氣的危害，但不清楚它的主要成因。

(3)經常關注空氣污染指數預報的人較少，但絕大多數人都希望了解每日空氣質量。

在調查的過程中，我了解了人們為什么不經常關注空氣污染指數預報，主要的原因：一是發布空氣污染指數預報的渠道較少，人們不容易知道；二是空氣污染指數預報只有等級，沒有相關的指導意見，群眾在沒有深入了解的情況下，會認為該信息對自己沒有指導意義，所以，他們沒有關注的熱情。

五、 研究結論和建議

1.PM2.5應該是造成我家附近區域灰霾天氣的“真兇”

從我觀測分析的結果看，無論是采用北京市環保監測中心發布的PM2.5值，還是采用美使館發布的PM2.5值，都可以清楚看到我家附近區域灰霾天氣與PM2.5值的密切關系，即PM2.5值較低時，能見度好；隨著PM2.5值的升高，能見度會逐漸惡化。

從我查閱的資料看, 灰霾(能見度的降低)與單位空氣體積內細小顆粒物的數量關系更為密切，所以與PM10相比，PM2.5與灰霾的相關性更大。

兩者可以相互印證，PM2.5應該是造成我家附近區域灰霾天氣的“真兇”！

建議：因為近幾年來，灰霾天氣在逐漸增加，而灰霾天氣對人體健康的危害較大，所以，我們確實應該開始對PM2.5值進行監測，更全面地反映空氣質量。

2.我家附近區域灰霾天氣發生的條件

從我觀測分析的結果看，我家附近區域灰霾天氣

● 均發生在“微風”情況；

● 在“多云”和“雨天”發生的概率更高一點；

● 在“空氣濕度小于等于80%”的情況下發生的概率更高；

● 在“車流量大”的情況下發生的概率更高。

建議：要改善灰霾天氣，我們可以在車流量方面做一些工作。(1)提倡少開私家車，多利用公共交通工具，減少車流量；(2)政府應采取措施鼓勵大家購買新能源汽車，減少尾氣排放。比如：如果購買新能源汽車，可以不用搖號。

3.大風和降雨多數情況下可以降低PM2.5值，減少灰霾天氣的出現

我觀測到：每次大風或降雨(即使是小雨或陣雨)，第二天的能見度都會較前一天好轉。因為大風可以加速空氣中污染物的擴散，而降雨可以吸附空氣中的污染物，將污染物帶到地面。所以，大風和降雨多數情況下可以降低PM2.5值，減少灰霾天氣的出現。

4.API不足以反映我家附近區域灰霾天氣

API包括了三種污染物：二氧化硫、二氧化氮和PM10。因為API中不包含PM2.5，所以，盡管API與灰霾天氣有一定關聯，但并不足以反映我家附近區域灰霾天氣，即API還處于“優”、“良”范圍，但有可能已經是灰霾天氣了。

建議： API應借鑒AQI做進一步改進，以使API能更準確反映空氣質量。

5.公眾對灰霾天氣和PM2.5的認識模糊，但是大家都很關心空氣質量

建議：(1)我們在發布類似空氣污染指數時，也應對空氣狀況以及空氣狀況對人們的影響做淺顯的說明和指導。讓大家看得懂空氣污染指數，知道該怎樣做。這樣，空氣污染指數就具有更強的實用意義了。(2)在民眾間加強相關知識的普及，使民眾明白空氣污染指數對自己有很大的指導意義，并有熱情去關注。

六、創新之處

本次調查研究的創新之處在于：

(1)我分析研究的方法比較新穎。我使用分類統計圖分析了“我家附近區域灰霾天氣發生的條件”；使用曲線對比圖分析了“北京每日API能否反映我家附近區域灰霾天氣”和“我家附近區域灰霾天氣與PM2.5值是否有關聯”。類似的分析方法，我在查閱資料時還沒有看到。而且，我認為這些分析方法比較科學，得出的結論也比較令人信服。

(2)我研究的內容比較詳細、全面。比如，分析“我家附近區域灰霾天氣發生的條件”時，我對“天氣”、“風力”、“空氣濕度”和“車流量”幾個條件都進行了分析。分析“我家附近區域灰霾天氣與PM2.5值是否有關聯”時，我采用了兩個渠道發布的PM2.5值。

七、展望

(1)我的大部分研究還需要更為長期的觀測統計。因為PM2.5值變化比較大，所以，要得到科學、可信的結論，應該長期觀測。特別是“灰霾天氣與天氣之間的聯系”、“灰霾天氣與空氣濕度之間的聯系”，這些可能與季節有關。“灰霾天氣與車流量之間的聯系”也只有更長期的統計，才能看到重復的規律。

(2)隨著政府和公眾對灰霾天氣和PM2.5的重視，我覺得人們在這方面的認識會逐步加深。雖然這次我做的問卷調查顯示，大家對灰霾天氣和PM2.5的了解還不夠，但經過一定時間，人們的了解會更多，也會知道怎樣力所能及地改善灰霾天氣。到時，我還會再進行問卷調查，分析一下公眾在這方面的意識是否增強了。

參考資料

● 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 謝

完成了我的課題研究，我首先要感謝輔導老師和我的媽媽，我在選題、確定方案和綜合分析時，都得到了她們的悉心指導。我假期外出期間，媽媽和外公還幫助我記錄了十來天的數據。最后，我要謝謝配合我問卷調查的爺爺奶奶、叔叔阿姨和同學們。

點評

孫毓遙的選題視角新穎，以目前最為人們所關注的霧霾現象為題，連續多天進行實地考察，測量分析，形成自己的發現，又結合權威數據進行補充說明，因此形成的結論客觀合理，有理有據。整體行文規范、研究思路具有邏輯性，對于相關研究能做到這些，在小學階段并不多見。

該課題獲得2012年“小小諾貝爾獎”提名獎、2013年北京市科技創新大賽一等獎。