京津冀雾霾成因与治理

□刘树华 缪育聪   2017-02-27 23:06:58

区域输送对京津冀地区雾霾的形成和维持有不可忽视的影响,大气边界层内气象要素的变化对重污染有着显著贡献,京津冀地区的污染控制和治理需要城市群的联动 进入冬季采暖期后,特别是2016年12月以来,京津冀地区已经历了三次大气重污染过程,分别是12月2-4日橙色预警,12月16-24日红色预警,12月30日-2017年1月7日橙色预警。其中,从2016年12月23日持续到2017年1月7日跨年度的重度大气污染是京津冀地区经历时间最长的重度污染过程。京津冀地区频现大范围重度雾霾,不时启动的空气重污染预警,给京津冀及周边地区人们的生活、生产及交通等带来严重影响,已经成为影响区域环境和经济发展的重要因素。

雾、霾概念及其特征

雾和霾是自然界中的两种天气现象,在形成机制及其本质上有很大区别。雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成,是近地面层空气中水汽凝结(或凝华)的产物。常呈乳白色,水平能见度一般小于1千米。雾一般有两种,一种是地表辐射冷却,大气中水汽凝结形成雾,称为辐射冷却雾;另一种是暖湿空气流经较冷区域时,大气中水汽凝结形成的雾,称为平流雾。由于液态水或冰晶组成的雾散射的光与波长关系不大,因而雾看起来呈乳白色或青白色。雾天时,如大气没有污染存在,一般不会对人体健康造成直接危害。

霾是由大量的细颗粒物均匀地漂浮在空气中,使水平能见度小于10千米的大气浑浊视程现象,这些细颗粒物主要来自于自然界和人类活动的排放。当空气中水汽较多时,某些吸湿性强的干颗粒物会吸水、变大,并最终活化成云雾的凝结核,产生更多、更小的云雾滴,使能见度进一步降低。当相对湿度较低时,光化学反应形成的半挥发性有机污染物通过气固相分配进入颗粒物相,形成二次有机气溶胶;而相对湿度升高、温度降低时,颗粒物吸湿增长,吸收可溶性无机组分和有机组分,发生液相二次过程,产生二次有机气溶胶、硫酸盐、硝酸盐等。霾由灰尘、硫酸、硝酸等细颗粒物组成,其散射波长较长,因而霾看起来常呈现黄色或橙灰色。由于霾中含有很多对人体有害的化学物质和微小颗粒,所以霾天气对人体健康会造成直接危害。

雾和霾的主要区别有以下4点:(1)出现的垂直高度不同,雾一般出现在几十米至几百米的高度,而霾天气过程高度可达3千米。(2)出现时的相对湿度不同,雾出现时相对湿度达到90%以上,而霾出现时相对湿度较低。(3)出现的时间不同,雾一般傍晚、午夜至凌晨最易出现,霾的日变化特征不明显。(4)雾容易散去,而霾却不容易散去。这是因为雾的相对湿度大,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,或遇到干燥空气,雾很容易散去。所以,雾一般在日出后不久即消散,但霾则不然。

京津冀地区污染源排放对雾霾形成的影响

局地雾霾天气形成有三个条件:一是污染源排放,二是地理环境,三是天气条件。PM2.5如今已经成为家喻户晓的名词,它是指直径小于或等于2.5微米的颗粒物,也称细颗粒物,是由直接排入空气中的微粒和空气中的气态污染物通过化学转化生成的二次微粒共同组成的。直接排入空气中的微粒主要由尘土性微粒、植物和矿物燃料燃烧产生的碳黑粒子组成。二次微粒主要由硫酸铵和硝酸铵组成,这两种微粒是由大气中的SO2和NOx(氮氧化物)转化生成的。对此,中国科学院大气物理研究所王跃思课题组利用多台雷达组网实时监测京津冀区域大气混合层高度和颗粒物后向散射演变,结合颗粒物化学成分在线解析技术,对区域大气重霾污染成因和演变特征进行了卓有成效的研究。他们给出的京津冀地区形成重霾污染的机理如图1所示。

京津冀地区重霾污染形成于周边以燃煤工业排放为主的污染物输送,而加强于本地以机动车排放为主的污染物叠加。主要有:工业污染源排放、机动车尾气排放、散煤燃烧等。其中,京津冀三地自身的排放量大是最主要的因素,对PM2.5污染的贡献率约为70%。京津冀区域国土面积虽然只占全国的2%,但单位面积SO2、NOx、烟粉尘排放量分别为全国平均水平的3倍、4倍和5倍。

北京、天津、河北、河南、山西、山东6省市占全国面积7.2%,却消耗了全国33%的煤炭,排放强度是全国平均水平的4倍左右。其中,京津冀地区钢产量占全国的43%、焦炭产量占全国的47%、电解铝产量占全国的38%、平板玻璃产量占全国的33%、水泥产量占全国的19%。此外,京津冀区域还有大量排放挥发性有机物的化工产业。京津冀的煤电机组占全国的27%,机动车保有量占全国的28%,特别是重型车保有量占比近30%。冬季采暖期间京津冀本地污染物排放强度大,是重污染天气高发的根本原因,一旦气象条件不利,就可能形成重污染。

京津冀地理环境对雾霾的影响

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。京津冀地区的地理环境为北、西方向高,东、南方向低,地形为簸箕形状,京津冀地区地理环境和地形条件不利于污染物的扩散。这种复杂的地理环境作用形成的海陆风环流、山谷风环流对区域污染物的扩散和大气环境容量具有重要影响(见图2)。

首先,一定程度上靠风把污染物吹走,天气起到了重要作用。

其次,京津冀城市化区域西临太行山山脉,北靠燕山山脉,东临渤海,构成复杂的山地、平原、城市和海陆地理环境。白天京津冀地区的污染物受山谷风和城市热岛环流的影响较大,山区受太阳辐射,温度远高于平原地区,而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到京津冀区域。

再次,京津冀地区还存在海陆风。秋季,京津冀地区地表热力较强,存在海风和陆风的转换。白天,地表加热比海面快,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(见图3)。

此外,除了天气和地理环境条件作用外,还有一个污染源作用——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。

京津冀气象条件对雾霾形成的影响

污染物排放和静稳天气(小风和静风)是雾霾形成和维持的重要因素,这是人为因素和自然因素共同作用的结果。国家气候中心的检测结果显示,自2016年11月以来,京津冀地区冷空气过程次数减少,强度总体偏弱,平均风速减小,小风和静风日数较常年同期偏多,导致近期京津冀地区风流扩散能力减弱,大气环境容量降低,霾天气过程多发。这是因为:(1)京津冀城市群发展,阻挡和摩擦作用使水平风速明显减弱,小风和静风现象增多,不利于大气中悬浮的细颗粒物扩散稀释,从而积累形成雾霾天气。

(2)逆温层加剧雾霾天气的形成。逆温是一种典型的大气层结稳定现象,这种现象在秋冬季尤其常见。当出现“逆温层”时,它就像在大气层中盖了一个锅盖,阻碍空气的垂直对流运动,导致污染物的垂直扩散受到抑制。逆温层形成大气污染,大气污染加剧逆温层的发展,形成恶性循环,污染物越积越多,必须要有一个天气过程带来的冷空气,才能破坏这种循环。

(3)区域大气环境容量是在国家大气环境等级指标控制下的区域大气环境可容纳的大气污染物的总量。它反映了区域大气对污染物的通风扩散、降水清洗能力等综合指标。区域大气环境容量低,表示该区域大气对污染物的扩散能力、自净能力弱,大气边界层高度低。与常年同期相比,京津冀地区2016年11月以来,大气环境容量偏低6%,大气自净能力偏低15%,静稳天气日数占比达63%。

(4)空气中悬浮细颗粒物的增温效应。大气中的悬浮细颗粒物吸收太阳辐射,加热大气边界层温度,增加大气边界层的稳定度,不利于大气污染物的扩散。加剧大气中污染物的积累,增强雾霾天气的形成过程。

治理京津冀地区雾霾的关键

区域雾霾污染天气的发生,主要是由工业、燃煤、机动车等的排放和不利的气象条件等因素造成的。持续的雾霾污染天气主要与静稳天气系统、大气垂直结构、水平输送密切相关。京津冀地区的雾霾污染与大气环流及周边省市的污染源排放有直接关系,地区雾霾治理必须与周边区域协同,这才是解决京津冀地区雾霾污染问题的关键所在。从中长期而言,治理雾霾,需要摸清京津冀区域及周边省市各类污染源对京津冀地区雾霾污染形成的贡献,大力优化能源结构、产业结构。从短期而言,制定各类不利气象条件下的协同应急减排方案,是有效控制京津冀雾霾污染的有力措施。

京津冀周边省市的区域传输对京津冀PM2.5污染的贡献率约占30%,其中影响最大的是山东、河南两省的污染排放。治理京津冀区域大气污染,有必要对京津冀及周边地区进行污染源排放的联防联控。虽然京津冀地区雾霾的治理,天气条件很重要,但不能全靠风来吹,想要根本解决还是要靠区域减排,关键是要减少污染源的排放。

(作者分别为北京大学物理学院大气科学系教授、中国气象科学研究院助理研究员)

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