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氣象條件對霧霾形成影響多大?謎團揭曉!

allen 2019/4/11

     今年全國兩會期間,生態環境部部長李幹傑就“打好汙染防治攻堅戰”相關問題回答中外記者提問時表示,大氣重汙染成因與治理攻關項目取得了階段性成果,三大影響因素汙染排放、氣象條件和區域傳輸,基本上搞清楚了。
 
  氣象條件對大氣重汙染影響到底有多大?如何應對?中國工程院院士、中國氣象科學研究院研究員徐祥德,中國氣科院大氣成分研究所所長王亞強,國家氣候中心研究員柳豔菊等專家,最近接受了藍藍天工作室專訪。
 
  風速很小、大氣靜穩、近地麵逆溫、濕度較高等情況下,容易產生重汙染
 
  2017年4月,國務院常務會議確定由原環境保護部(現生態環境部)牽頭,科技、中科院、農業、工信、氣象、衛生、高校等多部門和單位協作,針對京津冀及周邊地區秋冬季大氣重汙染成因、重點行業和汙染物排放管控技術等難題開展集中攻關。原環境保護部隨後按照“1+X”模式成立了國家大氣汙染防治攻關聯合中心,組建了由200多家單位、近2000人組成的科技攻關隊伍。
 
  徐祥德、王亞強、柳豔菊等專家組成氣象攻關團隊,對導致大氣重汙染的氣象條件等問題,開展了深入研究。“高強度排放是導致大氣汙染的內因、主因,氣象、氣候條件是關鍵的影響外因。”在代表這一氣象攻關團隊接受藍藍天工作室專訪時,徐祥德說。
 
  徐祥德介紹,京津冀及周邊地區位於太行山東側“背風坡”和燕山南側的半封閉地形中,受青藏高原大地形“背風坡”效應所導致的下沉氣流和“弱風效應”影響,冬季京津冀及周邊地區為顯著的下沉氣流區,這不利於大氣對流擴散及汙染物清除。這個地區是我國冬季大氣汙染最重、季節差異最為顯著的區域,PM2.5濃度冬季普遍偏高,汙染最重,秋、春季次之,夏季最輕。





青藏高原大地形“背風坡”效應所導致的下沉氣流和“弱風效應”影響示意圖。
 
  研究表明,從目前統計分析結果來看,在京津冀及周邊地區,符合以下條件時容易產生本地累積型重汙染:風速小於2米/秒,對汙染物水平擴散極其不利;大氣處於靜穩狀態,垂直擴散能力較差;近地麵逆溫(一般情況下大氣溫度隨著高度增加而下降,可是在某些天氣條件下,地麵上空的大氣中會出現氣溫隨高度增加而升高的現象,氣象學上稱為“逆溫”,發生逆溫現象的大氣層稱為“逆溫層”),邊界層(近地麵空氣可以在其中上下混合交換)高度低於500米;大氣相對濕度達60%以上,導致氣態前體物向顆粒物加速轉化。
 
  具體來說,不利氣象條件主要包括以下幾個方麵:
 
  ——風速很小。靜風或小風(風速小於或等於2米/秒),風向多為東南風或偏南風,空氣流動性弱,汙染物水平擴散極其不利。
 
  ——大氣靜穩。大氣處於靜穩狀態,大氣垂直擴散能力較差。重汙染天氣期間,通常有逆溫層發展,導致大氣垂直方向靜穩度增加,大氣邊界層高度明顯降低,對汙染物垂直擴散不利。
 
  大氣邊界層高度通常為500—1500米左右,重汙染天氣期間,邊界層高度可下降到500米以下,甚至達100米以下,垂直方向擴散能力明顯減弱,有利於汙染物在低層累積、導致重汙染天氣持續。
 
  ——濕度較高。大氣相對濕度達60%以上。一方麵,相對濕度增加有利於細顆粒物的吸濕增長;另一方麵,相對濕度增加還會促使氣態前體物向顆粒物加速轉化,導致顆粒物濃度快速增加。二氧化硫、氮氧化物等氣態汙染物在大氣中發生氧化等化學反應,形成硫酸鹽、硝酸鹽等PM2.5的主要成分。
 
  大氣重汙染和不利氣象條件之間能夠形成顯著“惡性循環”
 
  “上述指標有一定的代表性,但氣象條件對於大氣汙染的影響是複雜的非線性關係,某一個單一指標和汙染的相關關係有很大的局限性,而且不同區域、不同季節其關係可能有較大的變化,研究各主要汙染相關氣象參數綜合影響更為合理。”徐祥德向藍藍天工作室指出。
 
  攻關團隊氣象專家通過對風速、風向、相對濕度等氣象條件綜合診斷,獲得了兩個最重要的指標定量描述不利氣象條件:區域氣團穩定性和水汽凝結率,進而得出了“汙染—氣象條件指數(PLAM)”。
 
  研究表明,在空氣質量較好的時候,汙染—氣象條件指數的值通常在40以下,在我國大氣汙染重點地區,汙染—氣象條件指數值若大於80,通常大氣水平能見度低於10公裏的幾率就很高,其與PM10和PM2.5濃度總體呈線性關係。汙染—氣象條件指數為80可視為一個重要的閾值。




2018年1月,藍藍天工作室在山西太原采訪時拍攝的一家企業排放情況的照片。
 
  研究還表明,在空氣汙染過程中,汙染累積到一定程度後還會導致氣象條件進一步轉差,重汙染和不利氣象條件之間形成顯著的“雙向反饋”效應。
 
  什麽是“雙向反饋”?氣象專家告訴藍藍天工作室,這可以理解為一種“惡性循環”。
 
  對北京2013年以來所有持續超過3天的重汙染事件的分析表明,北京的大氣汙染形成後通常分為兩個階段,一是前期南風輸送汙染階段,二是汙染累積階段,當PM2.5濃度累積到一定程度(通常大於100微克/立方米),大氣汙染會通過輻射效應促進逆溫形成和邊界層低層相對濕度增加,使邊界層內氣象條件進一步轉差,轉差的氣象條件導致數小時到十幾小時PM2.5濃度至少增加一倍以上的“爆發性增長”。
 
  氣候變暖趨勢導致京津冀地區冬季靜穩天數明顯增多
 
  研究結果顯示,在京津冀及周邊地區,有利於霧霾天氣形成的氣象條件在增多,而這背後隱藏的一個重要因素是:以全球氣候變暖為主要特征的氣候變化。
 
  今年初,多家權威機構確認,2015年至2018年是100多年前有氣溫記錄以來最熱的4年,其中2018年是史上第四熱年。世界氣象組織2月6日發布報告指出,無論在陸地還是海洋,過去四年的變暖程度都非同尋常。“這是持續長期氣候變化的一個明顯跡象,而持續長期氣候變化與創紀錄的大氣溫室氣體濃度相關。”
 
  專家普遍認為,人類活動導致的二氧化碳和其他溫室氣體排放增加是全球變暖的主因,而這又導致熱浪、颶風等極端天氣事件日益頻繁。
 
  “聯合攻關研究表明,人類活動引起的全球變暖趨勢導致我國北方地區,特別是京津冀地區靜穩天數在冬季明顯增多,氣候變暖對北方霧霾的形成起著重要作用。”徐祥德表示。
 
  1961—2018年冬季,京津冀地區冬季日平均氣溫總體趨勢是線性升高的,增長率為每10年增加0.39℃,明顯高於全球及全國同期的增溫率(分別為每10年增加0.13℃及0.22℃),是我國變暖明顯的區域之一。研究結果表明,北京地區1960年以來年平均氣溫增溫速率,約為每10年增加0.36℃。
 
  徐祥德指出,20世紀60年代以來,特別是1990年以後,冬季京津冀及周邊地區平均風速總體呈下降趨勢,小風日數一直處於明顯偏多的階段。來自貝加爾湖、經西北方向影響京津冀及周邊地區的冷空氣氣團強度及其風速,存在年代際及年際的減弱趨勢,表明該區域風速下降與氣候變暖密切相關,而非僅城鎮化因素起主導作用。另外,1960年以來,年代際變化趨勢表明京津冀地區冬季大氣低層邊界層層結趨於穩定,靜穩天數明顯增多,不利於該地區汙染物垂直擴散。這些均可被認為主要與年代際氣候變暖有關。因此,氣候變暖影響不僅製約著全球經濟社會的發展,而且給京津冀區域大氣環境治理帶來了更為嚴峻的挑戰。
 
  “氣候變暖和人類溫室氣體排放有關,緩解氣候變暖的步伐還是要靠減排。我國近年來通過調整能源結構等措施積極應對氣候變化,減少二氧化碳等溫室氣體排放。通常在減排溫室氣體的過程中,會同時減排大氣汙染物,對緩解長遠的氣候變暖和當前區域大氣環境汙染都有益處。”徐祥德說。
 
  提高空氣質量預報能力,是應對空氣重汙染過程、減輕汙染的重要舉措。
 
  徐祥德認為:“在一個時段內排放量相對固定的情況下,氣象條件是重汙染事件是否發生的關鍵因素,幾天之內就有可能從藍天白雲轉變為汙染物‘爆表’。下一步要加強大氣汙染成因和氣象影響關聯性的深入研究,為重汙染天氣的精準預報預測提供應用理論與技術支撐。”
 
  徐祥德還建議,要進一步實施跨部門、跨學科聯合攻關,加強對不同地形與氣象條件背景下排放源布局影響與區域輸送“貢獻”等問題的研究,為精準施策防治大氣汙染、打贏藍天保衛戰提供科學依據。
來源:人民日報中央廚房 劉毅、孫秀豔、寇江澤



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