徐祥德：天氣有時會給驅霾“幫倒忙”

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行人，推進黃河防汛、農業防災、城市環境觀測與高原大氣科學試驗等技術工程建設，發展了高原新一代監測預警工程、技術系統等。

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”的經歷，而“人努力，天幫忙”也正是人們在應對霾天氣挑戰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”和“下卷氣流”，類似“避風港”，導致此地區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，可以說北京三面環繞著山地，向南呈喇叭口形平原谷地特征。經統計大樣本重污染事件，并通過衛星遙感與地面觀測分析，可發現北京與周邊城市群地區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相吻合。近年在異常的靜穩型天氣背景下，北京及周邊南部省區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域輸送也對此地區霾天氣頻發事件有著特殊的“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”逆溫層的穩定出現，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。“記得那時候已過了采暖期，城市實施了工廠停工、城區汽車限行，但是根據我們當時大氣環境現場科學試驗觀測結果，發現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。”徐祥德說。

為什么會出現這種情況？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場大氣邊界層。大氣溫度垂直探測數據分析表明，北京城市上空有一個逆溫層“大鍋蓋”，城區逆溫蓋高，郊區逆溫蓋低。這個描述正是城市空氣穹窿的特點。通過數值模式和流場診斷、衛星遙感產品綜合分析計算，依據實況分析，他們發現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“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，徐祥德團隊借助衛星遙感，以及數值模式、軌跡追蹤等技術進行綜合判識來鎖定其中的“蛛絲馬跡”。

他們借助衛星遙感與地面觀測氣溶膠數據綜合分析，追蹤河北等跨區域輸送路徑，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，亦可發現來自河北等跨省區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星遙感氣溶膠軌跡路徑相吻合。這進一步印證了有關跨區域大氣污染輸送通道及其衛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劃，可能會事與愿違

在靜穩天氣因素影響背景下，區域內排放和外來輸送的污染物持續“聚集”，就形成了區域性大氣重污染。值得注意的是，雖然霾頻發現象與天氣、氣候，以及季節變化存在顯著的相關關系，但是城市過度發展，人口膨脹的超負荷狀況等都是大氣環境惡化的主要影響因素，尤其是超大城市已經臨近環境承載力底線。如近十年長三角、珠三角與京津冀經濟發達區域霾天氣的季節特征已變得越來越不顯著，這意味著在某些經濟發達區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劃與評估，盲目地把城市的工廠搬遷到郊區或周邊區域，可能會使環境調控事與愿違。且不說郊區或周邊區域污染物會在一定天氣背景下重新“回流”至城區，城市熱島現象也不容忽視。現代城市發展過程中，熱島現象加劇，一方面促進城區熱島環流的形成，另一方面會加強城區的上升氣流，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象。事實證明，若不實施大氣污染區域聯防聯控，以及城市群發展科學規劃與區域環境調控，城市局地環境未必能“獨善其身”。

霾天氣頻發與“氣候調節”有關聯嗎？

中國區域霾日數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，中國區域大氣污染排放程度加大，但中國東部霾日頻數年際變化卻表現出波動式“平穩”緩升特征，那時霾天氣也的確尚未引起公眾的關注。

大量分析研究發現，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“不穩定”狀態及其污染物擴散。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“上暖下冷”的“穩定”狀態。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天氣的影響，這些氣候調節與天氣不利因素共同作用導致了近年霾天氣頻發的年代際異常現象。

污染源影響評估將是區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，強調在發展經濟同時要更加重視環境保護，特別對超大城市及其經濟發達區域面臨嚴重的城市化環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、氣候的關聯性。“我們希望能夠逐步實現跨部門資料和科研—業務觀測網數據的共享工程，進一步認識區域大地形、氣候調節、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數據分析，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；探索區域大氣污染過程大地形，氣候特征、天氣系統的影響，研究在不同的天氣氣候的背景下區域大氣污染源的影響程度及其影響域，為區域聯防聯控提供科學依據與應對新技術。

“之前我們的研究，用氣象現代手段和技術途徑在大氣環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，我們會繼續深入研究這些問題。”徐祥德說。