·建立“污染-氣象條件指數(shù)”，對影響霧-霾的不利氣象條件進行定量描述

·全球變暖背景下，京津冀地區(qū)靜穩(wěn)天數(shù)在冬季明顯增多

2017年3月，國務(wù)院總理李克強提出設(shè)立霧-霾研究專項。國務(wù)院常務(wù)會議當(dāng)年4月確定，組織由200多家單位、近2000人組成的科技攻關(guān)隊伍針對京津冀及周邊地區(qū)秋冬季大氣重污染成因等難題開展集中攻關(guān)。

兩年時間過去了，由中國氣象局中國氣象科學(xué)研究院牽頭組織的專家團隊圍繞京津冀秋冬季重污染形成的物理過程機制、氣象條件對重污染形成的貢獻等進行集中研究，取得了階段性研究成果，成功揭示了大氣污染和不利氣象條件的雙向反饋機制，解釋了在京津冀秋冬季一段時間污染排放沒有顯著變化情況下，出現(xiàn)持續(xù)重污染的重要原因，同時揭示了京津冀重污染過程機理，建立了京津冀大氣污染過程氣象綜合影響模型。

氣象條件是關(guān)鍵外因：污染-氣象條件指數(shù)提供定量描述

“高強度排放是導(dǎo)致大氣污染的內(nèi)因、主因，氣象、氣候條件是關(guān)鍵的影響外因。”中國工程院院士、中國氣象科學(xué)研究院研究員徐祥德說，“風(fēng)速很小、大氣靜穩(wěn)、近地面逆溫、濕度較高等情況下，容易產(chǎn)生重污染。”

徐祥德介紹，京津冀及周邊地區(qū)位于太行山東側(cè)“背風(fēng)坡”和燕山南側(cè)的半封閉地形中，受青藏高原大地形“背風(fēng)坡”效應(yīng)所導(dǎo)致的下沉氣流和“弱風(fēng)效應(yīng)”影響，冬季京津冀及周邊地區(qū)為顯著的下沉氣流區(qū)，這不利于大氣對流擴散及污染物清除。

從目前的分析結(jié)果來看，在京津冀及周邊地區(qū)，風(fēng)速低于2米/秒、大氣相對濕度大于60%，近地面逆溫、混合層高度低于500米時，極容易形成本地累積型重污染天氣。根據(jù)專家評估，同樣的污染排放，在不利氣象條件下，可將大氣污染程度拉高10%，個別城市可能還會達到15%。

具體來說，風(fēng)速小對于污染物水平擴散極其不利；重污染天氣期間，通常有逆溫層發(fā)展，導(dǎo)致大氣垂直方向靜穩(wěn)度增加，大氣邊界層高度明顯降低，對污染物垂直擴散不利；相對濕度增加有利于細顆粒物的吸濕增長，還會促使氣態(tài)前體物向顆粒物加速轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致顆粒物濃度快速增加。

攻關(guān)團隊通過對風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度等氣象條件綜合診斷，進一步獲得了定量描述不利氣象條件最重要的兩個指標(biāo)——區(qū)域氣團穩(wěn)定性和水汽凝結(jié)率，進而得出了“污染-氣象條件指數(shù)（PLAM）”。在空氣質(zhì)量較好的時候，污染-氣象條件指數(shù)通常在40以下，在我國大氣污染重點地區(qū)，污染-氣象條件指數(shù)若大于80，大氣水平能見度低于10公里的幾率通常很高，其與PM10和PM2.5濃度總體呈線性關(guān)系。污染-氣象條件指數(shù)為80可視為一個重要的閾值。

PM2.5“爆發(fā)性增長”的背后：大氣污染和不利氣象條件存在“雙向反饋”

氣象條件影響著大氣污染，而大氣污染也會反過來對氣象條件產(chǎn)生重要影響。中國氣象科學(xué)研究院研究員張小曳表示，大氣污染持續(xù)累積會顯著改變邊界層氣象條件，比如逆溫加重、大氣相對濕度增加、湍流強度降低等，促使污染物在更小范圍、更接近地面的大氣中集聚、形成。

“重污染和不利氣象條件之間形成顯著的雙向反饋機制：大氣污染累積到一定程度后，會導(dǎo)致氣象條件進一步轉(zhuǎn)差，而進一步轉(zhuǎn)差的氣象條件存在反饋作用，可導(dǎo)致PM2.5在數(shù)小時或十幾個小時內(nèi)出現(xiàn)濃度至少翻倍的‘爆發(fā)性增長’現(xiàn)象。”張小曳說，這一機制是我國污染嚴(yán)重區(qū)域在冬季出現(xiàn)持續(xù)性PM2.5重污染過程的重要原因。

以2018年11月14日京津冀地區(qū)一次嚴(yán)重的大氣污染過程為例，在污染物排放量大的內(nèi)因條件下，京津冀地區(qū)近地面形成了以區(qū)域氣團穩(wěn)定、水汽向顆粒物上凝結(jié)率高為特征的停滯-靜穩(wěn)不利氣象條件；邊界層高度由通常的約1500米下降到約900米；從東南面海上來的水汽導(dǎo)致地面接收的輻射進一步下降，穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)更加明顯。“隨著PM2.5濃度累積到在區(qū)域許多站點超過100微克/立方米的閾值，觸發(fā)了不利氣象條件與累積的PM2.5污染之間相互促進的‘雙向反饋機制’。”張小曳表示，“在近地面累積的PM2.5污染將更多太陽輻射反散射回空間，使到達地面的輻射顯著降低、逆溫出現(xiàn)、湍流強度降低、邊界層高度進一步下降到污染形成初期的1/3，PM2.5濃度進一步上升。”

攻關(guān)團隊對北京2013年以來所有持續(xù)超過3天的重污染事件的分析表明，北京的大氣污染形成后通常分為兩個階段，一是前期南風(fēng)輸送污染階段，二是污染累積階段，當(dāng)PM2.5濃度累積到一定程度（通常大于100微克/立方米），大氣污染會通過輻射效應(yīng)促進逆溫形成和邊界層低層相對濕度增加，使邊界層內(nèi)氣象條件進一步轉(zhuǎn)差。“當(dāng)污染物集中在低層大氣中，出現(xiàn)霾時，氣溶膠的總效應(yīng)是‘冷卻效應(yīng)’，即低層降溫幅度高于上層降溫，而這又會使逆溫加重，促進大氣層結(jié)更加穩(wěn)定。”張小曳表示，“逆溫形成污染，污染加劇逆溫，由此形成惡性循環(huán)。”

目前，相關(guān)研究成果已在中國霧-霾數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)中應(yīng)用，在中央氣象臺初步建立化學(xué)天氣數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，充分考慮污染對氣象要素預(yù)報的影響；初步研發(fā)了在可定量分辨天氣氣候和排放相對影響程度的污染過程評估系統(tǒng)。

未來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：全球變暖背景下更易出現(xiàn)不利氣象條件

“以全球變暖為主要特征的氣候變化會使大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，這是國際上已形成的共識。” 張小曳進一步解釋稱，在全球變暖的氣候變化背景下，影響大氣污染的天氣條件總體看來是不利的，容易導(dǎo)致霧-霾加重。

聯(lián)合攻關(guān)研究表明，人類活動引起的全球變暖趨勢導(dǎo)致我國北方地區(qū)，特別是京津冀地區(qū)靜穩(wěn)天數(shù)在冬季明顯增多，氣候變暖對北方霧-霾的形成起著重要作用。

1961年至2018年冬季，京津冀地區(qū)冬季日平均氣溫總體趨勢呈線性升高，增長率為每十年增加0.39℃，明顯高于全球及全國同期的增溫率（分別為每十年增加0.13℃及0.22℃），是我國變暖明顯的區(qū)域之一。研究結(jié)果表明，北京地區(qū)1960年以來平均氣溫每十年約增加0.36℃。

徐祥德指出，20世紀(jì)60年代以來，特別是1990年以后，冬季京津冀及周邊地區(qū)平均風(fēng)速總體呈下降趨勢，小風(fēng)日數(shù)一直處于明顯偏多的階段。來自貝加爾湖、經(jīng)西北方向影響京津冀及周邊地區(qū)的冷空氣氣團強度及其風(fēng)速，存在年代際及年際的減弱趨勢，表明該區(qū)域風(fēng)速下降與氣候變暖密切相關(guān)，而非僅城鎮(zhèn)化因素起主導(dǎo)作用。

另外，1960年以來，年代際變化趨勢表明京津冀地區(qū)冬季大氣低層邊界層層結(jié)趨于穩(wěn)定，靜穩(wěn)天數(shù)明顯增多，不利于該地區(qū)污染物垂直擴散。這些均可被認(rèn)為主要與年代際氣候變暖有關(guān)。因此，氣候變暖將給京津冀區(qū)域大氣環(huán)境治理帶來更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

“氣候變暖和人類溫室氣體排放有關(guān)，緩解氣候變暖的步伐還是要靠減排。我國近年來通過調(diào)整能源結(jié)構(gòu)等措施積極應(yīng)對氣候變化，減少溫室氣體排放。通常在減排溫室氣體的過程中，會同時減排大氣污染物，不論是從長遠角度緩解氣候變暖還是當(dāng)前治理區(qū)域大氣環(huán)境污染，都有裨益。”徐祥德說。