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揭示北方重点城市空气污染的气象成因与健康影响——
气象科技助力大气污染成因研究与防治

发布时间:2024年01月29日 来源:中国气象报社

专家顾问:中国科学院大气物理研究所研究员 辛金元

我国大气污染问题的系统研究始于20世纪70年代的重工业城市甘肃兰州。兰州地处典型的河谷盆地,受冬季无风、重化工产业布局影响,这里“率先”出现了光化学污染问题。随着改革开放经济快速发展与城市化、工业化进程的加快,我国中东部地区的污染问题也逐步凸显,尤其是2013年我国东部地区出现大范围持续性霾污染,威胁到人民健康和环境安全。空气污染与大气污染物过量排放及大气污染扩散气象条件关系密切。对此,相关科技工作者不断强化探测与数值模拟手段,以科技助力大气污染成因探究及其防治,助力国家打赢蓝天保卫战。

兰州为何首度出现重度光化学污染?

20世纪70年代,兰州地区出现了一种新的污染现象,被称为“黑雨”或“光化学烟雾”。这种污染由汽车尾气和工业废气排放引起,与不利的气象条件相互作用,导致空气质量急剧下降。它是由汽车尾气中的氮氧化物和挥发性有机物在阳光下反应形成的一种二次污染物。这种烟雾对人体健康和生态环境都有很大的危害。在兰州地区,有一段时间光化学烟雾污染持续数天,导致许多人出现眼睛刺痛、呼吸困难等症状,引起公众和政府的关注。

“除了光化学反应因素外,当地特殊的日间稳定边界层现象是污染频繁出现的重要大气物理学诱因。”成都信息工程大学环境气象与健康研究院教授王式功在兰州大学任教期间研究发现,日间谷风环流使上层大气增温,下层温度低,形成温度随高度递增的逆温现象,从而抑制白天混合层发展与污染垂直扩散,导致污染频发。

除了光化学污染外,兰州当时还是一个典型的沙尘污染型城市,研究团队发现并提出了我国北方春季沙尘型重污染和冬季静稳型重污染的空气重污染分型。通过创建以污染天气型和气象参数为基础的空气污染预报理论与方法,团队成功预测了沙尘路径与源地的分布情况。兰州大气污染研究开创了空气污染研究的先河,为我国其他地区大气污染成因研究与防治提供了借鉴与参考。

追寻霾污染成因,助力打赢蓝天保卫战

不同于兰州的特殊地理条件,我国东部的霾污染呈现显著的区域性大范围高浓度分布特征。依托中国科学院大气物理研究所325米气象铁塔、地基雷达等,中国科学院大气物理研究所研究员辛金元带领团队构建了北京超大城市大气边界层热力、动力与物质垂直结构高分辨率探测技术体系,系统提出了气溶胶(PM2.5、PM10)在边界层中的“火炉效应”“穹顶效应”和“阳伞效应”的形成机制。研究揭示出高浓度气溶胶显著加热边界层上部大气、冷却地表,伴随出现接地或脱地逆温,形成日间稳定边界层,抑制大气污染扩散,并进一步提出了大气污染管控的气溶胶-边界层反馈阈值理论。

“我们构建了城市大气边界层理化结构立体观测系统,发现北京地区冬季PM2.5边界层反馈阈值约为50微克/立方米。当PM2.5浓度低于50微克/立方米时,气溶胶对边界层的反馈作用弱,大气对流发展旺盛;但当PM2.5浓度高于这个阈值时,气溶胶通过与辐射相互作用能够使大气快速稳定,从而造成污染急剧恶化。”辛金元介绍说,南风输送和局地排放过程的污染物与边界层相互反馈是霾污染爆发的重要原因,必须努力将颗粒物浓度降低至边界层反馈阈值之下,激活大气对流自净能力,才能快速提升空气质量水平,提高大气能见度。京津冀持续严格的大气污染管控措施激活了区域大气自净能力,实现了“北京蓝”。

大气污染对公众健康的影响不容忽视

辛金元研究团队于2007年率先在国内开展大气污染健康影响研究,发现PM2.5和PM10对呼吸系统和循环系统疾病人群有显著的危害风险。其中,PM2.5的健康危险度要远大于PM10,这主要是由于细颗粒物PM2.5可以进入人体肺部,引发一系列呼吸系统和循环系统疾病。而气态污染物对心脑血管疾病人群,特别是老年人危害风险更大。不同气象因素对易感人群的影响程度也存在很大差异,研究发现气温在24℃-25℃、相对湿度约为60%时,污染物危害风险最小;而高温与低温均会放大PM2.5的危害风险;低温低湿的冬春交替季节是高危阶段,PM2.5的危害风险是秋季的5.6倍。同时,大气污染短期应急管控与长效防治措施,如京津冀1万平方公里禁煤区设立,均显著提升了区域空气质量,降低了健康危害风险。

然而,2022年岁末至2023年年初,我国多地大气污染呈反弹趋势,空气质量改善成效还不稳固,大气污染防治依然是一项长期、复杂、艰巨的任务。研究利用天气气候资源,建立区域污染协同管控机制,消除重污染天气,仍然是我国现阶段大气污染防治的主攻方向。(王敏珍、张莹、郑山、冯鑫媛、李沛、马永敬等对本文有贡献)

(作者:周权 责任编辑:张林

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