理清“三圈环流”对京津冀雾霾的影响

    11月3日,北京发布空气重污染黄色预警。我们想知道,冬季京津冀等地区气象条件如何?除了气象条件之外还有哪些因素造成雾霾天气频发?如何应对这些挑战?

    在京津冀地区静稳天气条件下形成的“三圈环流”(由于山区与平原的热力差异、城市与郊区热力差异、海面与陆面的热力差异形成的山谷风环流、城市热岛环流、海陆风环流)的耦合效应,对京津冀地区污染物的扩散产生重要的影响。

    对话人:北京大学物理学院大气与海洋科学系 博士生导师 刘树华

    刘树华, 北京大学物理学院大气与海洋科学系教授、博士生导师,大气物理与大气环境学科带头人。从事大气边界层物理、陆气相互作用、区域与全球变化研究和教学工作。主持国家基础研究计划(973项目)课题、国家科技支撑项目课题、国家自然科学基金国际合作项目、国家自然科学基金面上项目、科技部全球变化专项项目等。

    雾霾天气形成的成因是什么?

    ■地理环境、天气条件和污染源分布作用。

    中国环境报:11月份北方将进入采暖季,京津冀地区的空气质量将面临严峻挑战。您认为今年冬季京津冀地区的天气条件与以往相比有何不同?

    刘树华:今年10月13日~16日,京津冀地区出现了雾霾天气。10月13日16时,北京市空气重污染应急指挥部办公室发布了空气重污染蓝色预警。同时,天津、河北、山东等地也出现了雾霾天气,相继发布了空气重污染预警,启动了应急响应。

    进入采暖季,由于采暖将向大气中释放污染物,大气边界层产生逆温作用,使得大气更加稳定,扩散能力较弱,是秋冬季更容易形成雾霾天气的主要原因。

    至于今年冬季京津冀地区的雾霾是否更为严重,是一个很复杂的问题。在污染源没有变化的情况下,主要取决于天气过程。如果天气过程(大风)比较频繁,严重雾霾天气将较少。如果天气过程(大风)较少,大气比较稳定,严重雾霾天气将较多。

    为什么今年秋季市民会感觉雾霾来得更早?这是因为10月是京津冀地区季节转换时期,天气形势静稳,大气边界层较稳定,地表水汽比较大。从气象条件分析,秋季总体风力偏小,湿度偏大,地表比较稳定,不利于雾霾的扩散。近地层污染物积累,导致过早出现严重雾霾天气。

    当前北京周边省市都在严格控制污染物排放,本地污染物排放变化不大。在当前污染源排放没有明显增加的前提下,不利于扩散的气象条件是造成雾霾的主要原因。

    中国环境报:京津冀地区雾霾天气形成的成因有哪些?

    刘树华:首先要定义雾和霾。根据气象规范定义,大气的相对湿度低于80%,颗粒物的光学效应使得大气能见度低于10公里,大气呈现灰蒙蒙的视程障碍现象称作霾。而大气相对湿度达到90%以上,即为雾。雾和霾的另一区别是,雾容易散去,而霾却不容易散去。这是因为雾天相对湿度大,受天气变化影响比较大,太阳一出来,地表增温,蒸散迅速加大,或遇到较干燥空气,雾很容易散去。所以,雾天一般日出后不久即散去,不会全天存在。但是,霾则不然。因为霾天气过程中,大气中水汽含量较少,相对湿度较低,霾由细小颗粒物组成,一般处于3000米以下大气中,如果大气边界层中存在逆温层,而水平方向风速很小,空气垂直和水平流动不畅时,霾将难以散去。

    局地雾霾天气形成有3个条件。一是天气条件。大气污染颗粒物是造成严重雾霾天气的内因,天气条件则是外因,对于扩散污染物有着重要作用。不同季节的热力条件和天气背景强迫对边界层过程及空气质量有重要的影响。

    二是地理环境条件。京津冀城市化区域濒临渤海,属于海陆交接地区。北有燕山山脉,西有太行山脉,构成复杂的山地、平原、城市和海陆地理环境。在京津冀地区静稳天气条件下形成的“三圈环流”(由于山区与平原的热力差异、城市与郊区热力差异、海面与陆面的热力差异形成的山谷风环流、城市热岛环流、海陆风环流)的耦合效应,对京津冀地区污染物的扩散产生重要的影响。

    三是污染源作用。京津冀地区周边的东南风、西南风、南风都会把污染物送到北京来。这种地理环境、天气条件、污染源分布作用,正是导致京津冀地区秋冬季严重雾霾天气频发的原因。虽然京津冀地区雾霾的产生与气象条件密切相关,但要根本解决还是要靠强化区域减排。

    中国环境报:“三圈环流”是您研究的重点方向,能否着重谈谈其对雾霾的影响?

    刘树华:先谈谈山谷风和城市热岛环流的影响。白天山区温度偏高,密度稀薄,大气压低,温度会上升。山区白天受太阳辐射,导致温度远高于同高度的平原地区,形成山谷风大气环流,污染物就会输送到山区。晚上山区冷却降温,京津冀地区由于城市热岛作用,空气比山区冷却得慢,导致温度高,气压低。在山谷风大气环流作用下,白天送到山区的污染物晚上又送回来,送到京津冀区域。在缺乏有利天气条件的情况下,将形成严重雾霾天气。

    再谈谈海陆风的影响。京津冀地区秋季地表热力较强,存在海风和陆风的转换。白天,太阳辐射地表加热比海面快,导致陆地温度比海面高,导致陆地空气上升,大气压力减小,形成海风;晚上地表长波辐射,陆地冷却比海面快,导致陆地温度比海面低,海面空气上升而陆地空气下沉,形成陆风。白天污染物从海上送回来,晚上又送到海上,形成循环污染。当海风发展时,有可能会将已经被迁移到海面上的污染物重新带回陆地,造成污染加剧。污染物在京津冀地区也形成了环流。

    中国环境报:是否可以通过地理环境改变或城市规划等人为手段来破解“三圈环流”对雾霾产生的影响?对此,您有何建议?

    刘树华: 在形成区域大气污染的过程中,地理环境很难人为改变,甚至是不可能的。可通过城市规划,增加城市区域大气通风量,增强大气流动性和扩散,提高空气质量。例如,沿海或沿湖城市建筑、街道尽量与海岸线垂直,避免与海岸线平行;山谷城市建筑、街道尽量与山谷风方向平行等。

    科学研究对解决雾霾问题有何帮助?

    ■有助于理清大气污染的演变机制,为大气污染的预报和防治提供重要的科学依据。

    中国环境报:您认为怎么才能运用当前的科学研究来更好地解决雾霾问题?

    刘树华:我主要是研究大气环流对污染物扩散的影响,以及“三圈环流”对京津冀地区污染物输送的作用,也就是机理问题,即形成污染大气过程的成因机制,从科学角度解释这个问题。另外,关于对京津冀地区雾霾成分分析的研究也很重要。要分析污染物成分谱,建立成分谱库,追踪污染源解析,从污染源头研究雾霾形成机制非常重要。

    我们的研究也受到政府的重视。为贯彻落实《关于加快推进生态文明建设的意见》、《大气污染防治行动计划》等相关部署,科技部会同环境保护部等13个部门及北京等5个地方科技主管部门,制定了国家重点研发计划《大气污染成因与控制技术研究》重点专项实施方案,组织开展监测预报预警技术、雾霾和光化学烟雾形成机制、污染源全过程控制技术、大气污染对人群健康的影响、空气质量改善管理支持技术和大气污染联防联控技术示范等6项重点任务科研攻关,为大气污染防治和发展节能环保产业提供科技支撑。

    今年正式启动了国家重点研发计划“大气污染成因与控制技术研究”试点专项,这也是接下来要做的一项重要工作,包括以下4个方面的研究。

    一是严重雾霾天气形成机理研究。其中包括雾霾重度污染源的解析研究(模拟、监测);雾霾重度污染的天气和气候学成因研究;雾霾重污染的大气边界层特征研究;雾霾重度污染过程与大气边界层相互作用研究;雾霾重污染的物理和化学成因研究;雾霾重度污染的天气和气候的反馈作用研究;稳定大气边界层辐射增温效应对严重雾霾形成机制研究。

    二是霾污染源的解析、霾污染物成分的解析。污染源来源解析方法及其模型、污染源来源采样方法(采样布点代表性、高度、周期、频率、季节等)、污染源成分谱构建解析方法等;采用FSAM模型(Flux Source Area Model),以其物理机制明确、源区确定直观清晰而被广泛用于污染源通量源区研究。

    三是大气污染与大气边界层相互作用和反馈机制研究。边界层过程与气溶胶辐射效应存在反馈机制。通过直接影响边界层的稳定度,影响气溶胶浓度(增强)。通过影响局地环流(谷风环流),间接影响近地面气溶胶浓度。

    四是严重雾霾天气的观测研究。希望构建激光雷达和地面污染物观测网络,用来定量预报、评价大气污染物浓度分布特征、实时追踪污染物来源,提前预警重污染天气过程、解析成因机制。

    这些科学问题的研究,将有助于理清大气污染的演变机制,为大气污染的预报和防治提供重要的科学依据。

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  • 京津冀,雾霾天气,三圈环流
( 网站编辑:钱坤 )
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