劉樹華　繆育聰

區(qū)域輸送對(duì)京津冀地區(qū)霧霾的形成和維持有不可忽視的影響，大氣邊界層內(nèi)氣象要素的變化對(duì)重污染有著顯著貢獻(xiàn)，京津冀地區(qū)的污染控制和治理需要城市群的聯(lián)動(dòng)

進(jìn)入冬季采暖期后，特別是2016年12月以來，京津冀地區(qū)已經(jīng)歷了三次大氣重污染過程，分別是12月2-4日橙色預(yù)警，12月16-24日紅色預(yù)警，12月30日-2017年1月7日橙色預(yù)警。其中，從2016年12月23日持續(xù)到2017年1月7日跨年度的重度大氣污染是京津冀地區(qū)經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)的重度污染過程。京津冀地區(qū)頻現(xiàn)大范圍重度霧霾，不時(shí)啟動(dòng)的空氣重污染預(yù)警，給京津冀及周邊地區(qū)人們的生活、生產(chǎn)及交通等帶來嚴(yán)重影響，已經(jīng)成為影響區(qū)域環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

霧、霾概念及其特征

霧和霾是自然界中的兩種天氣現(xiàn)象，在形成機(jī)制及其本質(zhì)上有很大區(qū)別。霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成，是近地面層空氣中水汽凝結(jié)（或凝華）的產(chǎn)物。常呈乳白色，水平能見度一般小于1千米。霧一般有兩種，一種是地表輻射冷卻，大氣中水汽凝結(jié)形成霧，稱為輻射冷卻霧；另一種是暖濕空氣流經(jīng)較冷區(qū)域時(shí)，大氣中水汽凝結(jié)形成的霧，稱為平流霧。由于液態(tài)水或冰晶組成的霧散射的光與波長(zhǎng)關(guān)系不大，因而霧看起來呈乳白色或青白色。霧天時(shí)，如大氣沒有污染存在，一般不會(huì)對(duì)人體健康造成直接危害。

霾是由大量的細(xì)顆粒物均勻地漂浮在空氣中，使水平能見度小于10千米的大氣渾濁視程現(xiàn)象，這些細(xì)顆粒物主要來自于自然界和人類活動(dòng)的排放。當(dāng)空氣中水汽較多時(shí)，某些吸濕性強(qiáng)的干顆粒物會(huì)吸水、變大，并最終活化成云霧的凝結(jié)核，產(chǎn)生更多、更小的云霧滴，使能見度進(jìn)一步降低。當(dāng)相對(duì)濕度較低時(shí)，光化學(xué)反應(yīng)形成的半揮發(fā)性有機(jī)污染物通過氣固相分配進(jìn)入顆粒物相，形成二次有機(jī)氣溶膠；而相對(duì)濕度升高、溫度降低時(shí)，顆粒物吸濕增長(zhǎng)，吸收可溶性無機(jī)組分和有機(jī)組分，發(fā)生液相二次過程，產(chǎn)生二次有機(jī)氣溶膠、硫酸鹽、硝酸鹽等。霾由灰塵、硫酸、硝酸等細(xì)顆粒物組成，其散射波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因而霾看起來常呈現(xiàn)黃色或橙灰色。由于霾中含有很多對(duì)人體有害的化學(xué)物質(zhì)和微小顆粒，所以霾天氣對(duì)人體健康會(huì)造成直接危害。

霧和霾的主要區(qū)別有以下4點(diǎn)：（1）出現(xiàn)的垂直高度不同，霧一般出現(xiàn)在幾十米至幾百米的高度，而霾天氣過程高度可達(dá)3千米。（2）出現(xiàn)時(shí)的相對(duì)濕度不同，霧出現(xiàn)時(shí)相對(duì)濕度達(dá)到90%以上，而霾出現(xiàn)時(shí)相對(duì)濕度較低。（3）出現(xiàn)的時(shí)間不同，霧一般傍晚、午夜至凌晨最易出現(xiàn)，霾的日變化特征不明顯。（4）霧容易散去，而霾卻不容易散去。這是因?yàn)殪F的相對(duì)濕度大，受天氣變化影響比較大，太陽一出來，地表增溫，蒸散迅速加大，或遇到干燥空氣，霧很容易散去。所以，霧一般在日出后不久即消散，但霾則不然。

京津冀地區(qū)污染源排放對(duì)霧霾形成的影響

局地霧霾天氣形成有三個(gè)條件：一是污染源排放，二是地理環(huán)境，三是天氣條件。PM2.5如今已經(jīng)成為家喻戶曉的名詞，它是指直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱細(xì)顆粒物，是由直接排入空氣中的微粒和空氣中的氣態(tài)污染物通過化學(xué)轉(zhuǎn)化生成的二次微粒共同組成的。直接排入空氣中的微粒主要由塵土性微粒、植物和礦物燃料燃燒產(chǎn)生的碳黑粒子組成。二次微粒主要由硫酸銨和硝酸銨組成，這兩種微粒是由大氣中的SO2和NOx（氮氧化物）轉(zhuǎn)化生成的。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所王躍思課題組利用多臺(tái)雷達(dá)組網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)京津冀區(qū)域大氣混合層高度和顆粒物后向散射演變，結(jié)合顆粒物化學(xué)成分在線解析技術(shù)，對(duì)區(qū)域大氣重霾污染成因和演變特征進(jìn)行了卓有成效的研究。他們給出的京津冀地區(qū)形成重霾污染的機(jī)理如圖1所示。

京津冀地區(qū)重霾污染形成于周邊以燃煤工業(yè)排放為主的污染物輸送，而加強(qiáng)于本地以機(jī)動(dòng)車排放為主的污染物疊加。主要有：工業(yè)污染源排放、機(jī)動(dòng)車尾氣排放、散煤燃燒等。其中，京津冀三地自身的排放量大是最主要的因素，對(duì)PM2.5污染的貢獻(xiàn)率約為70%。京津冀區(qū)域國(guó)土面積雖然只占全國(guó)的2%，但單位面積SO2、NOx、煙粉塵排放量分別為全國(guó)平均水平的3倍、4倍和5倍。

北京、天津、河北、河南、山西、山東6省市占全國(guó)面積7.2%，卻消耗了全國(guó)33%的煤炭，排放強(qiáng)度是全國(guó)平均水平的4倍左右。其中，京津冀地區(qū)鋼產(chǎn)量占全國(guó)的43%、焦炭產(chǎn)量占全國(guó)的47%、電解鋁產(chǎn)量占全國(guó)的38%、平板玻璃產(chǎn)量占全國(guó)的33%、水泥產(chǎn)量占全國(guó)的19%。此外，京津冀區(qū)域還有大量排放揮發(fā)性有機(jī)物的化工產(chǎn)業(yè)。京津冀的煤電機(jī)組占全國(guó)的27%，機(jī)動(dòng)車保有量占全國(guó)的28%，特別是重型車保有量占比近30%。冬季采暖期間京津冀本地污染物排放強(qiáng)度大，是重污染天氣高發(fā)的根本原因，一旦氣象條件不利，就可能形成重污染。

京津冀地理環(huán)境對(duì)霧霾的影響

大氣污染顆粒物是造成嚴(yán)重霧霾天氣的內(nèi)因，天氣條件則是外因。京津冀地區(qū)的地理環(huán)境為北、西方向高，東、南方向低，地形為簸箕形狀，京津冀地區(qū)地理環(huán)境和地形條件不利于污染物的擴(kuò)散。這種復(fù)雜的地理環(huán)境作用形成的海陸風(fēng)環(huán)流、山谷風(fēng)環(huán)流對(duì)區(qū)域污染物的擴(kuò)散和大氣環(huán)境容量具有重要影響（見圖2）。

首先，一定程度上靠風(fēng)把污染物吹走，天氣起到了重要作用。

其次，京津冀城市化區(qū)域西臨太行山山脈，北靠燕山山脈，東臨渤海，構(gòu)成復(fù)雜的山地、平原、城市和海陸地理環(huán)境。白天京津冀地區(qū)的污染物受山谷風(fēng)和城市熱島環(huán)流的影響較大，山區(qū)受太陽輻射，溫度遠(yuǎn)高于平原地區(qū)，而形成山谷風(fēng)大氣環(huán)流，污染物就會(huì)輸送到山區(qū)。晚上山區(qū)冷卻降溫，京津冀地區(qū)由于城市熱島作用，空氣比山區(qū)冷卻得慢，導(dǎo)致溫度高、氣壓低，在山谷風(fēng)大氣環(huán)流作用下，白天送到山區(qū)的污染物晚上又送回到京津冀區(qū)域。

再次，京津冀地區(qū)還存在海陸風(fēng)。秋季，京津冀地區(qū)地表熱力較強(qiáng)，存在海風(fēng)和陸風(fēng)的轉(zhuǎn)換。白天，地表加熱比海面快，陸地溫度比海面高，導(dǎo)致陸地空氣上升，大氣壓力減小，形成海風(fēng)。晚上陸地冷卻比海面快，導(dǎo)致陸地溫度比海面低，海面空氣上升而陸地空氣下沉，形成陸風(fēng)。白天污染物從海上送回來，晚上又送到海上，形成循環(huán)污染（見圖3）。

此外，除了天氣和地理環(huán)境條件作用外，還有一個(gè)污染源作用——京津冀地區(qū)周邊的東南風(fēng)、西南風(fēng)、南風(fēng)都會(huì)把污染物送到北京來。這種地理環(huán)境、天氣條件、污染源分布作用，正是導(dǎo)致京津冀地區(qū)秋冬季嚴(yán)重霧霾天氣頻發(fā)的原因。

京津冀氣象條件對(duì)霧霾形成的影響

污染物排放和靜穩(wěn)天氣（小風(fēng)和靜風(fēng)）是霧霾形成和維持的重要因素，這是人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果。國(guó)家氣候中心的檢測(cè)結(jié)果顯示，自2016年11月以來，京津冀地區(qū)冷空氣過程次數(shù)減少，強(qiáng)度總體偏弱，平均風(fēng)速減小，小風(fēng)和靜風(fēng)日數(shù)較常年同期偏多，導(dǎo)致近期京津冀地區(qū)風(fēng)流擴(kuò)散能力減弱，大氣環(huán)境容量降低，霾天氣過程多發(fā)。這是因?yàn)椋海?）京津冀城市群發(fā)展，阻擋和摩擦作用使水平風(fēng)速明顯減弱，小風(fēng)和靜風(fēng)現(xiàn)象增多，不利于大氣中懸浮的細(xì)顆粒物擴(kuò)散稀釋，從而積累形成霧霾天氣。

（2）逆溫層加劇霧霾天氣的形成。逆溫是一種典型的大氣層結(jié)穩(wěn)定現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在秋冬季尤其常見。當(dāng)出現(xiàn)“逆溫層”時(shí)，它就像在大氣層中蓋了一個(gè)鍋蓋，阻礙空氣的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致污染物的垂直擴(kuò)散受到抑制。逆溫層形成大氣污染，大氣污染加劇逆溫層的發(fā)展，形成惡性循環(huán)，污染物越積越多，必須要有一個(gè)天氣過程帶來的冷空氣，才能破壞這種循環(huán)。

（3）區(qū)域大氣環(huán)境容量是在國(guó)家大氣環(huán)境等級(jí)指標(biāo)控制下的區(qū)域大氣環(huán)境可容納的大氣污染物的總量。它反映了區(qū)域大氣對(duì)污染物的通風(fēng)擴(kuò)散、降水清洗能力等綜合指標(biāo)。區(qū)域大氣環(huán)境容量低，表示該區(qū)域大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散能力、自凈能力弱，大氣邊界層高度低。與常年同期相比，京津冀地區(qū)2016年11月以來，大氣環(huán)境容量偏低6%，大氣自凈能力偏低15%，靜穩(wěn)天氣日數(shù)占比達(dá)63%。

（4）空氣中懸浮細(xì)顆粒物的增溫效應(yīng)。大氣中的懸浮細(xì)顆粒物吸收太陽輻射，加熱大氣邊界層溫度，增加大氣邊界層的穩(wěn)定度，不利于大氣污染物的擴(kuò)散。加劇大氣中污染物的積累，增強(qiáng)霧霾天氣的形成過程。

治理京津冀地區(qū)霧霾的關(guān)鍵

區(qū)域霧霾污染天氣的發(fā)生，主要是由工業(yè)、燃煤、機(jī)動(dòng)車等的排放和不利的氣象條件等因素造成的。持續(xù)的霧霾污染天氣主要與靜穩(wěn)天氣系統(tǒng)、大氣垂直結(jié)構(gòu)、水平輸送密切相關(guān)。京津冀地區(qū)的霧霾污染與大氣環(huán)流及周邊省市的污染源排放有直接關(guān)系，地區(qū)霧霾治理必須與周邊區(qū)域協(xié)同，這才是解決京津冀地區(qū)霧霾污染問題的關(guān)鍵所在。從中長(zhǎng)期而言，治理霧霾，需要摸清京津冀區(qū)域及周邊省市各類污染源對(duì)京津冀地區(qū)霧霾污染形成的貢獻(xiàn)，大力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。從短期而言，制定各類不利氣象條件下的協(xié)同應(yīng)急減排方案，是有效控制京津冀霧霾污染的有力措施。

京津冀周邊省市的區(qū)域傳輸對(duì)京津冀PM2.5污染的貢獻(xiàn)率約占30%，其中影響最大的是山東、河南兩省的污染排放。治理京津冀區(qū)域大氣污染，有必要對(duì)京津冀及周邊地區(qū)進(jìn)行污染源排放的聯(lián)防聯(lián)控。雖然京津冀地區(qū)霧霾的治理，天氣條件很重要，但不能全靠風(fēng)來吹，想要根本解決還是要靠區(qū)域減排，關(guān)鍵是要減少污染源的排放。

（作者分別為北京大學(xué)物理學(xué)院大氣科學(xué)系教授、中國(guó)氣象科學(xué)研究院助理研究員）