0. 引言
2020年5月25日，生态环境部部长答记者问。为何疫情防控期间排放水平降低，还会出现重污染天？回答是：重污染天出现一方面取决于排放，一方面取决于环境容量。社会活动水平降低，造成的排放降低的部分主要是交通出行、餐饮、建筑工地等，但是冬季取暖照常，钢铁化工等重工业没有停下 (当然)。1月-2月，污染物排放量和正常相比降低了30%。但是同期，京津冀地区遇到不利的气象条件，环境容量降低了50%左右。50%-30%=20%，所以重污染天气又出现了。
坦白说，这样的回答确实有利于最短的时间内让公众能理解污染天气是怎么造成的，只要上过小学会加减乘除就能懂。当然，代价是牺牲了科学性和严谨性。但是这个代价又在当下显得无关紧要。普京说过，俄罗斯只有两个盟友，陆军和海军。照此理，中国也只有两个盟友，工业和农业。除了确实无法减少工业水平外，科学本身对污染天气的研究也尚未给出非常优美的、合理的、统一的解释。
知识在表达、传播、交流中加入了政治性因素，本身是一个很常见的事情，尤其发生在与公众密切有关的应用科学领域，例如医学、气象与大气环境科学、人工智能等。从来没有人会指望纯数学和理论物理那一波人用通俗的话语解释量子力学，因为没有必要，也没有公众会每天关注理论物理。
1. 政治性：保证知识的表示能让公众社会接受
应用科学是为社会服务的，尤其是在中国大政府小国民的特殊国情下，应用科学首先需要回答的问题来自政府、社会机构和公众：你的研究有什么用处？是否在浪费纳税人的钱？
严格来讲，刻意追求科学知识的有用和实效性是封建小农经济思想残留，这一点已经被很多学者批判过。科学本来就是为了满足人的好奇心而诞生的。对知识的追求是本能，如渴骥之奔泉，力不可抑。所以文艺复兴后科学家大多出身自贵族。即使是穷如牛顿，万有引力理论问世后也马上被封爵位。理论问世后可以过好几十年才能被证明是有用的。而且，即使是一百年后都证明无用的科学研究，也是对学术共同体的发展有益处的。一个蚁群，也不可能个个是工蚁。
话虽如此，但是工商社会，时间宝贵。在市场经济和社交媒体如此发达的今天，不向公众解释科学的有用和实效性是不现实的。大气环境容量这个概念就是应此需求而诞生。
大气环境容量，是指一个地区大气对污染物的自净能力，亦即所能承纳污染物的最大能力，如果污染物的排放超过了这个能力，就会发生污染。其单位是吨/平方公里，原本是个平均量。假设北京市的环境容量是5万吨/平方公里，那么污染物的排放总量不能超过5万吨/平方公里。否则就会发生污染天气。
大气环境容量主要由气象参数计算得到，主要考虑的气象因素是风力扩散和降水清除。浮世间的一切来源于尘土，且都将最终归于尘土，真正永生的只有大地。空气中的污染物也是一样，来源于地面，漂浮于天空，最终也会沉降到大地。人类活动如工业烟囱排放或者自然过程如沙尘暴，产生的空气污染物向上散开，或者转到居民区，或者转到农村郊区，亦或者被“大风起”席卷至天空，无影无踪，亦或者被“云飞扬”倾盆雨下，重新与大地融合在一起。
大气环境容量的计算结果，可以直接用于地区减排方案。当然，方案归方案，当地政府主政官是否采纳、执法部门是否严格贯彻、企业是否真心配合那就是另外一回事了，超过了科学的范畴。如果一个城市在某一天的环境容量是100吨，留出40吨容量给自然条件的影响 (如沙尘、海盐气溶胶、森林山火等)，那么剩下的60吨留给是人为因素，如生活和工业。这其中留出40吨用于工业排放，然后将这40吨排放额度分配给各个企业。
听起来环境容量在政治和经济操作上是比较简单的。但是问题就出在环境容量的计算上。首先，大气中的化合物的生成、积累、演化、消亡，并不是线性的。根据物理学中的临界点理论可知，很多反应，到了临界点，就会“核爆”，没到临界点，就什么也没发生。临界点理论可以应用于很多领域，例如学习一门新的技能等。这就好比在你感觉饱的那一口以前，怎么吃都觉得饿一样。自然与人为因素往往交互混杂，共同起作用，哪些是人为导致的并不会那么清楚。你吃了牛排和披萨，分不清让撑着胃的是肉还是面。
环境容量这个概念实际上是对欧拉和拉格朗日理论的背叛。打个比方，就好比你做川菜不放麻椒一样。欧拉场描述和拉格朗日描述是流体力学研究的基础，而大气的流动可以看作是流体。
对于欧拉场描述，把中国区域划分为一个一个的网格点，例如边长为5公里的矩形网格。由于观测站点的设置，有些格点数据齐全(像北京城区)，而有些网格数据量较少 (如偏远的郊区)。通过外推法例如差分和插值可以推断出未知格点的数值。但是中国的行政区划并不是均匀地划分为相同大小的矩形网格的。要想计算一个城市的环境容量，必须做场平均，亦即将该区域所在的几个网格做平均。这其实是“倒行逆施”，抹平了使用欧拉法的本来作用，容易引入计算误差。
对于拉格朗日描述，以流体微元，也就是微小的气块为主角，它们的位置和状态是随着时间不断变动的，流经各个网格点。由此不难推断出，流经一个地区的气体单元是不断变化的，每个时刻覆盖在一个城市的气团性质都不一样 (密度、热量、动能、水汽含量等)，那么用固定的环境容量计算方法来给出大气对污染物的容纳量，无异于管中窥豹、张冠李戴了。管中窥豹者，一个城市上空的大气只是一个大的气团的其中一部分，这一整个的气团可能跨度几百到几千公里；张冠李戴者，计算得到的某一城市的环境容量对应着的大气，可能是来自于另外一个城市的气团。
由此可见，公众如果过于相信科学，那就是迷信，与信仰宗教无异。理论是规矩，是方的，而现实是圆的。圆和方之间总是有空隙的。道就是规矩，既有所能，就必有所不能。
2. 科学性：保证知识的表示能让学术共同体接受
科研人员的在研究中做的99%的事情都不会让我们接近答案，而是让我们更好地理解问题。科学永远是个过程，而不是结果。我们不可能得到真相，只能无限接近。
自然科学的三大基本特征是可解释、可预言、可证伪。亦即所有的理论都会被证明是错的，但是能解释和预测现实。哪怕是一个高中生，也能指出数值天气预报方程中的缺陷和不合理性，但是这并不妨碍你用手机看明天的天气预报。
学术共同体有它自己的基因，拥有一套继承、淘汰、发扬机制。和动物界的狮王、狼王、猴王争霸赛一样，任何一个籍籍无名的学者也能对最权威的大佬的理论提出质疑，前提条件是你能用形式逻辑，用假设-方法-结果三段论，反驳某个之前的理论，并提出自己的新的理论。驳论和立论是西方教育体系中逻辑辩证课程的重要内容，也是必修课程之一。
大气环境容量这个概念在学术共同体中的地位可能不太重要。原因其实很简单，很少有驳斥它或大力完善发扬它的研究。研究人员基本上把它作为成型的应用技术，直接套用到政府环保部门的执法中。
学术共同体真正关心的、争吵不休的是变量之间的因果效应。例如温室气体的排放到底能让全球平均气温上升多少度？全球变暖趋势中人类到底占多大作用？甚至全球变暖本身这个说法是否成立？改变某一个地区的地表能让农业减产多少、对大气层的影响？等等等等。不同的学者给出的结果是不一样的。
回到大气环境容量这个概念上。对于大气中的物质变化，其绝对不是在一个像“水箱”一样的封闭的系统中。由于物质的产生和释放是同时发生在这个世界上的几乎所有的角落，而我们拥有仪器观测的地方是有限的。在“仪器”看不见的地方，其实是黑箱，但是我们能用现有的理论模型和已有的数据推测出黑箱中已经、正在、将要发生什么。
在一个开放系统中，单个物质是热力和动力传输的、衰减的、熵增的。也就是说，排放到大气中的污染物，本来就趋向于扩散、消亡、分子间距离增大的。所谓的污染物累积，只不过是因为暂时性的物质在空间上的分布不均匀罢了。 空间上的分布不均匀，有两个含义，一个是水平方向上，例如城市和农村之间，另一个是垂直方向上，例如地面和高山。需要注意的是，农村的空气并不一定比城市“干净”，例如畜牧区和焚烧活动附近；地面的空气也不一定比高处的空气“脏”，例如高楼大厦附近。
物质暂时性的空间分布不均匀，也就是聚集在某一个地区地面的附近空气中，那么引起的现象就是能见度下降的空气污染现象。这种污染天气可以看作是一种熵减现象。根据热力学第二定律，如果是想让熵减，变无序为有序，需要做功，需要吸收能量。做功过程，其实发生在污染天气前面的清洁蓝天，在晴空阳光照射下，大量气体转化为超细颗粒物，这些颗粒物又作为载体继续吸纳污染物。
3. 科学与政治之间的博弈与调和
虽说矛盾的两面是对立且统一的，但是还是要原谅我起了个这么大而空的小标题。
天气系统是典型的浅薄系统。当缺乏外界的强迫力驱动一个粘滞性较大的浅薄系统时，就会出现稳定性的层级结构，也就是边界层。在边界层内，外界强迫力输入的能量小于地表的摩擦所耗散的能量，此时各类振荡都是阻尼振荡，像荡秋千一样，气块受到扰动后很快恢复原位。亦即，科学上，污染天气是因为缺少外界强迫而导致的稳定层结构，政治上，缺少外界的逼迫和对外扩张掠夺资源，也必然导致社会阶层固化，总而言之两个字：内卷。
政治上的外界强迫就不赘述了， 具体请搜索2016-2020年间，中国新一代改革开放总工程师、“懂王”特朗普同志的英雄事迹。以下重点讲述驱动空气污染的外界强迫力。
先说稳定的层结结构。下图中的典型稳定层结的演变，基本上只出现在人口聚集地，例如华北平原、淮河平原、两湖平原、成都盆地、重庆盆地、杭州沿河平原等。无降水、地势平坦、人类活动密集是边界层出现的必要条件。在冷涡频繁出现的东北和低压气旋台风经常光顾的广东等地，这种边界层结构是较少出现的。山东和辽宁半岛沿海地区由于有海陆风环流的存在，边界层结构的变化更加复杂。
前面提到，熵增趋势下，空气污染物总是趋向于扩散的。夜晚，垂直方向上湍流扩散作用为主，其作用较弱，无法让污染物扩散至较高的高度。结果就是让各种烟尘从排放源区扩散至地面附近空气各个角落，反而会提高了监测站的仪器读数。白天，由于地面加热，上下层空气之间趋向于热量分布均匀，对流扩散占据了主导了作用，对流混合作用较强，能让污染物扩散至较高的高度。
但是无论是对流混合还是湍流扩散，都是内部的菜鸡互啄。当外部的一个大尺度的气流运动铺天盖地席卷而来时，一切边界层结构都将烟消云散。
真正决定边界层结构生死的是其上方的引导气流。当引导气流较强时，上层高空气流“胁迫”地面的空气进行水平运动，将动能下传输送至地面空气，发生的是空气污染物的远距离平流输送，由拉格朗日对流体的描述可知，除了局地的污染物浓度会骤降以外，在输送中也会衰减。此时垂直方向的扩散作用可以忽略。
外部强迫的大尺度气流运动分为经向和纬向。经向引导气流是大家日常比较熟悉的，例如携带冷空气频繁南下的极地涡旋。影响中国地区的纬向引导气流主要是西风波动。西风波动是一种行星长波，波长常大于1000公里，最长时与地球半径相当，影响时间可达1-2周。行星波的形成取决于行星涡度梯度。
行星涡度效应：地转涡度随着纬度的变化在改变相对涡度中的作用，在正压无辐散大气中，亦即无力管项，气块的绝对涡度守恒。绝对涡度是相对涡度和地转涡度之和。地转涡度随着纬度的增加而增加。假设在北半球有一自西向东的空气微团，在起始位置有气旋性相对涡度。由于某种原因，微团得到向北的扰动速度，在向北运动的过程中，地转涡度将不断增大，为了维持绝对涡度守恒，相对涡度将不断减少，到达某一纬度时，相对涡度将减少至零。按照惯性空气微团再向北运动，地转涡度将继续增大，为了保持绝对涡度守恒，相对涡度将成为负值，到达某纬度时，反气旋涡度达到最大，向北的扰动速度为零，此后，空气微团向南移动，如此周而复始。大气因此形成波动，是为大气长波。
除了行星长波外，还有重力波。其影响时间较短，为数个小时。波动的本质是许多很小的气块微元表现出的集体现象。大气是密度连续变化的介质，上下振荡的气块除了能将波动沿着水平传递，同时也会挤压位于上下的气体，造成垂直行进的波动。任何能将气团上下推移的过程都有助于重力内波的形成。例如海啸、龙卷风、地震和火山爆发、经过山脉的气流、对流、锋面、气旋、台风等，都会造成空气团的上下移动。
污染天气，也就是在稳定层结大气中，空气微团如果受到上空引导气流传递的扰动，而偏离原来的位置，在重力作用下会产生重力内波。重力波将携带动量和能量传递给近地面的空气，类似于大齿轮带动小齿轮。而它的能量大小取决于它的振幅平方乘上周围空气的平均密度。振幅是比较难测量的物理量。
当经过一个地区上空的纬向长波的波动相位是波谷时，上方形成了一个气旋，导致气流上升，污染物扩散。反之如果是波峰，上方反气旋导致下沉气流，下沉空气的绝热增温和地表的辐射冷却产生了逆温层，结果就是污染物累积。
由于物质基本上集中在5000米高度以下的大气中，实际工作中常用500 hPa (5000米高度) 或者 700 hPa (3000米高度)以上的气流作为引导气流。1000-500 hPa (约0-5000米) 之间的气柱厚度(米)直接取决于气柱平均密度和温度。而地面污染物浓度实际上是近地面空气的物质密度。气柱的密度和近地面物质的密度虽然有差别，但是相关的。
着实感觉头两个大。各个物理量之间均相互关联，难说波动导致了气块变化还是气块变化导致了波动。有点像鸡和蛋之间的相互转化。
语言会影响我们认识和改造这个世界的方式。正确的知识表达方式会改善方案实施效果。至少在目前，大气环境容量的表达上，还是不能同时让各方 (学术共同体、政府官员、执法部门、普通公众)满意。下一步我们应该探索怎样调和应用科学研究结果发布时的科学性和政治性的矛盾，寻求最好的知识表示和传播方式。如果将来有一天，明星绯闻对公众的吸引力，完全淹没了科学知识在公众中的传播，乃至于科学完全丧失了威信力，那么我们每一片雪花都应为此雪崩而负责和悔恨。
数千字，凌乱不成文。聊做备忘吧！
