本刊記者 胡 敬

徐祥德：天氣有時會給驅霾“幫倒忙”

本刊記者 胡 敬

專家簡介：

徐祥德，中國工程院院士，中國氣象科學研究院研究員。浙江余姚人，1942年出生。長期從事天氣動力，大氣環(huán)流和動力氣候研究，是多項國家重大科學試驗首席科學家或執(zhí)行人，推進黃河防汛、農業(yè)防災、城市環(huán)境觀測與高原大氣科學試驗等技術工程建設，發(fā)展了高原新一代監(jiān)測預警工程、技術系統(tǒng)等。

近年生活在北京或周邊城市群的人們，常常留戀藍天白云的年代，甚至還自嘲對霾天氣“司空見慣”而淡忘了長久藍天白云的日子。近年人們似乎已有了與霾天氣“拉鋸戰(zhàn)”的經(jīng)歷，而“人努力，天幫忙”也正是人們在應對霾天氣挑戰(zhàn)實踐中的一種重要體驗。但是“天”幫忙都是“正效應”么？我國著名氣象學專家徐祥德院士不這么認為。

地形會幫倒忙嗎？

我國大地形呈西高東低三階梯特征，在西風帶氣流大背景下，青藏高原和黃土高原的“屏障”作用導致東部平原處于“背風坡”東側的“弱風區(qū)”和“下卷氣流”，類似“避風港”，導致此地區(qū)大氣污染的排放物難以擴散；另外，一旦周邊大氣污染物被輸送到這個區(qū)域，亦易在局地滯留。

北京地處太行山脈、燕山山脈東南側，華北大平原北部，可以說北京三面環(huán)繞著山地，向南呈喇叭口形平原谷地特征。經(jīng)統(tǒng)計大樣本重污染事件，并通過衛(wèi)星遙感與地面觀測分析，可發(fā)現(xiàn)北京與周邊城市群地區(qū)氣溶膠相關影響域呈近似南—北向喇叭形“大三角”狀分布。分析研究也表明北京為“大三角”狀影響域頂端，恰好與向南開口的喇叭形平原谷地中的城市群人口分布稠密區(qū)相吻合。近年在異常的靜穩(wěn)型天氣背景下，北京及周邊南部省區(qū)PM2.5質量濃度高值分布往往呈南—北向喇叭形“大三角”狀氣溶膠相關影響域特征，而北京及周邊的特殊大地形地理條件和城市群污染物區(qū)域輸送也對此地區(qū)霾天氣頻發(fā)事件有著特殊的“貢獻”。

城市大氣污染過程的“大鍋蓋”效應

在大氣污染十分嚴重的城市上空，由于邊界層“下冷上暖”逆溫層的穩(wěn)定出現(xiàn)，整個城市似乎被一個空中“大鍋蓋”所籠罩。其學名稱為“空氣穹窿”，它會抑制區(qū)域對流和擴散運動，使局地邊界層內污染物不斷積聚。值得注意的是，這個“大鍋蓋”還會擴展，甚至漫延到城市群上空，加之城市間大氣污染輸送的交互影響，“大鍋蓋”效應給城市大氣環(huán)境的調控帶來極高的難度，并將付出極高的代價。例如2001年，北京市曾有過大氣污染調控的例子?！坝浀媚菚r候已過了采暖期，城市實施了工廠停工、城區(qū)汽車限行，但是根據(jù)我們當時大氣環(huán)境現(xiàn)場科學試驗觀測結果，發(fā)現(xiàn)北京城市空氣中的二氧化硫和氮氧化物等濃度反而比采暖期還高?！毙煜榈抡f。

為什么會出現(xiàn)這種情況？原因似乎是天氣在幫倒忙。當年，徐祥德所帶領的“973”團隊正在開展城市范圍南—北剖面探空試驗，利用風廓線儀、系留氣艇等新型手段垂直探測現(xiàn)場大氣邊界層。大氣溫度垂直探測數(shù)據(jù)分析表明，北京城市上空有一個逆溫層“大鍋蓋”，城區(qū)逆溫蓋高，郊區(qū)逆溫蓋低。這個描述正是城市空氣穹窿的特點。通過數(shù)值模式和流場診斷、衛(wèi)星遙感產(chǎn)品綜合分析計算，依據(jù)實況分析，他們發(fā)現(xiàn)此階段來自南面城市群污染物可通過偏南氣流源源不斷地輸送“援兵”，聚積到北京城區(qū)“大鍋蓋”下方。這就是那時調控未能奏效的原因之一。

污染源源頭的“蛛絲馬跡”

為了追尋城市大氣重污染過程周邊污染源源頭，徐祥德團隊借助衛(wèi)星遙感，以及數(shù)值模式、軌跡追蹤等技術進行綜合判識來鎖定其中的“蛛絲馬跡”。

他們借助衛(wèi)星遙感與地面觀測氣溶膠數(shù)據(jù)綜合分析，追蹤河北等跨區(qū)域輸送路徑，例如：石家莊等地自南向北延伸至北京一條帶狀較清晰的衛(wèi)星遙感氣溶膠軌跡，尤如一條大氣污染物遠距離輸送的通道；若將多個北京重污染過程樣本低層風場進行合成分析，亦可發(fā)現(xiàn)來自河北等跨省區(qū)域延伸至北京的大氣低層風場匯合氣流的輻合帶。令人驚訝的是，這條大氣低層氣流輻合帶與變分分析的衛(wèi)星遙感氣溶膠軌跡路徑相吻合。這進一步印證了有關跨區(qū)域大氣污染輸送通道及其衛(wèi)星遙感氣溶膠軌跡路徑判識的客觀性。

缺乏科學評估的城市規(guī)劃，可能會事與愿違

在靜穩(wěn)天氣因素影響背景下，區(qū)域內排放和外來輸送的污染物持續(xù)“聚集”，就形成了區(qū)域性大氣重污染。值得注意的是，雖然霾頻發(fā)現(xiàn)象與天氣、氣候，以及季節(jié)變化存在顯著的相關關系，但是城市過度發(fā)展，人口膨脹的超負荷狀況等都是大氣環(huán)境惡化的主要影響因素，尤其是超大城市已經(jīng)臨近環(huán)境承載力底線。如近十年長三角、珠三角與京津冀經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域霾天氣的季節(jié)特征已變得越來越不顯著，這意味著在某些經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域大氣污染的調控任務將更加艱巨。

徐祥德認為，若缺乏科學合理的城市規(guī)劃與評估，盲目地把城市的工廠搬遷到郊區(qū)或周邊區(qū)域，可能會使環(huán)境調控事與愿違。且不說郊區(qū)或周邊區(qū)域污染物會在一定天氣背景下重新“回流”至城區(qū)，城市熱島現(xiàn)象也不容忽視?，F(xiàn)代城市發(fā)展過程中，熱島現(xiàn)象加劇，一方面促進城區(qū)熱島環(huán)流的形成，另一方面會加強城區(qū)的上升氣流，吸引城市周邊氣流的匯合，同時高樓林立建筑群的“阻風”效應，造成了局地污染加重現(xiàn)象。事實證明，若不實施大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，以及城市群發(fā)展科學規(guī)劃與區(qū)域環(huán)境調控，城市局地環(huán)境未必能“獨善其身”。

霾天氣頻發(fā)與“氣候調節(jié)”有關聯(lián)嗎？

中國區(qū)域霾日數(shù)年際變化主要依賴于大氣污染排放程度。值得注意的是，雖然上世紀八、九十年代，中國區(qū)域大氣污染排放程度加大，但中國東部霾日頻數(shù)年際變化卻表現(xiàn)出波動式“平穩(wěn)”緩升特征，那時霾天氣也的確尚未引起公眾的關注。

大量分析研究發(fā)現(xiàn)，原因在于此階段中國東部熱力結構年代際特征具有特殊性，其對流層大氣結構特征有利于中國東部大氣對流“不穩(wěn)定”狀態(tài)及其污染物擴散。而近十年期間在對流層中此種大氣熱力結構發(fā)生了年代際“變異”，由大氣溫度距平“上冷下暖”的垂直結構“逆轉”成了總體上呈“逆溫蓋”特征——即大氣溫度距平呈現(xiàn)“上暖下冷”的“穩(wěn)定”狀態(tài)。這種對流層大氣結構特征“逆轉”恰與近十年大氣污染排放程度加劇過程同步進行。此類相對高層的對流層“逆溫蓋”（大氣溫度距平）的氣候背景再疊加上階段性大氣低層邊界層的逆溫層及其靜穩(wěn)天氣的影響，這些氣候調節(jié)與天氣不利因素共同作用導致了近年霾天氣頻發(fā)的年代際異?，F(xiàn)象。

污染源影響評估將是區(qū)域大氣污染調控關鍵之一

目前，各級政府制定了很多政策法規(guī)，強調在發(fā)展經(jīng)濟同時要更加重視環(huán)境保護，特別對超大城市及其經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域面臨嚴重的城市化環(huán)境問題給予了極大關注。

徐祥德指出，要實施大氣污染調控，首先要深化認知霾形成的大氣化學、物理過程，尤其大氣污染的復合機理，但同時也需認識霾與天氣、氣候的關聯(lián)性?！拔覀兿Ｍ軌蛑鸩綄崿F(xiàn)跨部門資料和科研—業(yè)務觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)的共享工程，進一步認識區(qū)域大地形、氣候調節(jié)、天氣影響因素與霾天氣過程的相關機理。”徐祥德所說的“氣象相關機理”指的是：通過天基—地基—空基一體化的綜合探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，將氣象模式和大氣化學模式結合起來研究污染源影響評估新技術；探索區(qū)域大氣污染過程大地形，氣候特征、天氣系統(tǒng)的影響，研究在不同的天氣氣候的背景下區(qū)域大氣污染源的影響程度及其影響域，為區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控提供科學依據(jù)與應對新技術。

“之前我們的研究，用氣象現(xiàn)代手段和技術途徑在大氣環(huán)境領域做了一些應用研究的事。事實上，工作還做得十分有限，氣象與大氣環(huán)境相結合的研究也僅僅是個開端，還有更多復雜的交叉學科問題需要去探索。今后，我們會繼續(xù)深入研究這些問題。”徐祥德說。