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总理基金专项研究取得阶段性成果
气象条件对雾-霾形成影响谜团揭晓

来源:365bet体育在线网址   发布时间:2019年04月18日08:00
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  核心阅读:

  ·揭示大气污染和不利气象条件双向反馈机制和京津冀重污染过程机理

  ·建立“污染-气象条件指数”,对影响雾-霾的不利气象条件进行定量描述

  ·全球变暖背景下,京津冀地区静稳天数在冬季明显增多

  365bet体育在线网址记者 崔国辉

  2017年3月,国务院总理李克强提出设立雾-霾研究专项。国务院常务会议当年4月确定,组织由200多家单位、近2000人组成的科技攻关队伍针对京津冀及周边地区秋冬季大气重污染成因等难题开展集中攻关。

  两年时间过去了,由365bet体育在线网址中国气象科学研究院牵头组织的专家团队围绕京津冀秋冬季重污染形成的物理过程机制、气象条件对重污染形成的贡献等进行集中研究,取得了阶段性研究成果,成功揭示了大气污染和不利气象条件的双向反馈机制,解释了在京津冀秋冬季一段时间污染排放没有显著变化情况下,出现持续重污染的重要原因,同时揭示了京津冀重污染过程机理,建立了京津冀大气污染过程气象综合影响模型。

  气象条件是关键外因:污染-气象条件指数提供定量描述

  “高强度排放是导致大气污染的内因、主因,气象、气候条件是关键的影响外因。”中国工程院院士、中国气象科学研究院研究员徐祥德说,“风速很小、大气静稳、近地面逆温、湿度较高等情况下,容易产生重污染。”

  徐祥德介绍,京津冀及周边地区位于太行山东侧“背风坡”和燕山南侧的半封闭地形中,受青藏高原大地形“背风坡”效应所导致的下沉气流和“弱风效应”影响,冬季京津冀及周边地区为显著的下沉气流区,这不利于大气对流扩散及污染物清除。

  从目前的分析结果来看,在京津冀及周边地区,风速低于2米/秒、大气相对湿度大于60%,近地面逆温、混合层高度低于500米时,极容易形成本地累积型重污染天气。根据专家评估,同样的污染排放,在不利气象条件下,可将大气污染程度拉高10%,个别城市可能还会达到15%。

  具体来说,风速小对于污染物水平扩散极其不利;重污染天气期间,通常有逆温层发展,导致大气垂直方向静稳度增加,大气边界层高度明显降低,对污染物垂直扩散不利;相对湿度增加有利于细颗粒物的吸湿增长,还会促使气态前体物向颗粒物加速转化,导致颗粒物浓度快速增加。

  攻关团队通过对风速、风向、相对湿度等气象条件综合诊断,进一步获得了定量描述不利气象条件最重要的两个指标——区域气团稳定性和水汽凝结率,进而得出了“污染-气象条件指数(PLAM)”。在空气质量较好的时候,污染-气象条件指数通常在40以下,在我国大气污染重点地区,污染-气象条件指数若大于80,大气水平能见度低于10公里的几率通常很高,其与PM10和PM2.5浓度总体呈线性关系。污染-气象条件指数为80可视为一个重要的阈值。

  PM2.5“爆发性增长”的背后:大气污染和不利气象条件存在“双向反馈”

  气象条件影响着大气污染,而大气污染也会反过来对气象条件产生重要影响。中国气象科学研究院研究员张小曳表示,大气污染持续累积会显著改变边界层气象条件,比如逆温加重、大气相对湿度增加、湍流强度降低等,促使污染物在更小范围、更接近地面的大气中集聚、形成。

  “重污染和不利气象条件之间形成显著的双向反馈机制:大气污染累积到一定程度后,会导致气象条件进一步转差,而进一步转差的气象条件存在反馈作用,可导致PM2.5在数小时或十几个小时内出现浓度至少翻倍的‘爆发性增长’现象。”张小曳说,这一机制是我国污染严重区域在冬季出现持续性PM2.5重污染过程的重要原因。

  以2018年11月14日京津冀地区一次严重的大气污染过程为例,在污染物排放量大的内因条件下,京津冀地区近地面形成了以区域气团稳定、水汽向颗粒物上凝结率高为特征的停滞-静稳不利气象条件;边界层高度由通常的约1500米下降到约900米;从东南面海上来的水汽导致地面接收的辐射进一步下降,稳定边界层结构更加明显。“随着PM2.5浓度累积到在区域许多站点超过100微克/立方米的阈值,触发了不利气象条件与累积的PM2.5污染之间相互促进的‘双向反馈机制’。”张小曳表示,“在近地面累积的PM2.5污染将更多太阳辐射反散射回空间,使到达地面的辐射显著降低、逆温出现、湍流强度降低、边界层高度进一步下降到污染形成初期的1/3,PM2.5浓度进一步上升。”

  攻关团队对北京2013年以来所有持续超过3天的重污染事件的分析表明,北京的大气污染形成后通常分为两个阶段,一是前期南风输送污染阶段,二是污染累积阶段,当PM2.5浓度累积到一定程度(通常大于100微克/立方米),大气污染会通过辐射效应促进逆温形成和边界层低层相对湿度增加,使边界层内气象条件进一步转差。“当污染物集中在低层大气中,出现霾时,气溶胶的总效应是‘冷却效应’,即低层降温幅度高于上层降温,而这又会使逆温加重,促进大气层结更加稳定。”张小曳表示,“逆温形成污染,污染加剧逆温,由此形成恶性循环。”

  目前,相关研究成果已在中国雾-霾数值预报系统中应用,在中央气象台初步建立化学天气数值预报系统,充分考虑污染对气象要素预报的影响;初步研发了在可定量分辨天气气候和排放相对影响程度的污染过程评估系统。

  未来的严峻挑战:全球变暖背景下更易出现不利气象条件

  “以全球变暖为主要特征的气候变化会使大气层结更加稳定,这是国际上已形成的共识。” 张小曳进一步解释称,在全球变暖的气候变化背景下,影响大气污染的天气条件总体看来是不利的,容易导致雾-霾加重。

  联合攻关研究表明,人类活动引起的全球变暖趋势导致我国北方地区,特别是京津冀地区静稳天数在冬季明显增多,气候变暖对北方雾-霾的形成起着重要作用。

  1961年至2018年冬季,京津冀地区冬季日平均气温总体趋势呈线性升高,增长率为每十年增加0.39℃,明显高于全球及全国同期的增温率(分别为每十年增加0.13℃及0.22℃),是我国变暖明显的区域之一。研究结果表明,北京地区1960年以来平均气温每十年约增加0.36℃。

  徐祥德指出,20世纪60年代以来,特别是1990年以后,冬季京津冀及周边地区平均风速总体呈下降趋势,小风日数一直处于明显偏多的阶段。来自贝加尔湖、经西北方向影响京津冀及周边地区的冷空气气团强度及其风速,存在年代际及年际的减弱趋势,表明该区域风速下降与气候变暖密切相关,而非仅城镇化因素起主导作用。

  另外,1960年以来,年代际变化趋势表明京津冀地区冬季大气低层边界层层结趋于稳定,静稳天数明显增多,不利于该地区污染物垂直扩散。这些均可被认为主要与年代际气候变暖有关。因此,气候变暖将给京津冀区域大气环境治理带来更为严峻的挑战。

  “气候变暖和人类温室气体排放有关,缓解气候变暖的步伐还是要靠减排。我国近年来通过调整能源结构等措施积极应对气候变化,减少温室气体排放。通常在减排温室气体的过程中,会同时减排大气污染物,不论是从长远角度缓解气候变暖还是当前治理区域大气环境污染,都有裨益。”徐祥德说。

  (来源:《365bet体育在线网址》2019年4月18日一版 责任编辑:张林)

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