雾霾系列科普之二——成因篇

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上回书,我们了解了雾霾的主要成分和本质,对气溶胶和空气污染的概念有了简单的了解。本回将为您讲述,雾霾形成的大气环境条件是什么,何时何地的雾霾最为严重。

关键词:科普;雾霾成因;空气污染源

对于人工污染源,可以从很多方面分类:

按人类生产活动内容,分为工业源、农业源、城市生活源;

按排放方式可分为连续源、间歇源、瞬时源;

按照排放的空间形式分为点源、线源、面源、体源;

按照排放位置又可以分为固定源、移动源、无组织源,或者高架源与地面源等等。

烟囱可以视为一种高架点源

影响污染物扩散的因素比较复杂,最直接的因素是风、湍流和降水,间接因素很多而且互有交叉,简单概括为如下几点:

最直接的因素:风、湍流和降水

风大家很熟悉,有风就能让污染物“随风飘逝”。那湍流是什么呢?

湍流实际上是一个流体力学概念。简单的说,湍流是流体的一种无规则运动,比如快艇之后的尾流。虽然从局部看是毫无规则的,但是从整层大气平均来看,运动又具有一定规律性。

正是由于大气湍流的存在,使得大气物质可以在竖直方向上运动,出现对流现象,导致各种丰富多彩的天气变化。污染物同样也可以通过湍流向四面八方扩散,甚至向上、向下扩散。

如果近地面的风力很小,湍流运动很弱,污染物就会在一个小区域堆积,难以扩散到远处,导致雾霾。

降水的影响显而易见。当出现降水,污染物可以直接沉降到地面,减轻污染。不过,由于雾霾中颗粒物的性质会对降水产生反作用,有时加剧降水,而有时又会让降水变弱,严重污染时,雾霾本身就会抑制降水。因此降水对雾霾的削弱作用并不一定有效。

间接因素之一:温度的垂直分布与层结稳定性

气温的垂直分布,画在坐标图上,称为“廓线”。我们所生活的对流层中,通常气温都是随高度增加而降低的,所以高山上通常比平原更凉爽。

然而,“热胀冷缩”,下层的暖空气相对于上层的冷空气而言密度更小,有上浮的趋势,上层冷空气则有下沉的趋势,于是就形成了“不稳定”。

晴朗夏日的中午,地面温度极高,地面附近的温度随高度递减得很快,局地的大气非常不稳定,下层的暖气块上浮,而上层的冷气块下沉,导致出现雷雨、冰雹等强对流天气。

而在晴朗的夜晚,或者冬季的阴天,地面快速散热冷却,而大气层冷却得较慢,这样就可能出现气温随着高度升高而升高的现象,称为“逆温”。在这种条件下,竖直方向大气极其稳定,基本没有竖直方向上的物质交换,垂直风速为0。污染物排出后无法扩散到高层,而近地面水平风速也不高,从而导致局地大气污染物富集,出现雾霾。

大气的某一层称为“层结”,大气层结的稳定与否,就称为“层结稳定性”。

左边是气温随高度的变化图,右边是对应条件下的烟型

间接因素之二:辐射与云

辐射包括太阳的照射和地面自身的热辐射。地球之所以有适宜人类生存的温度环境,辐射收支的平衡是一个关键。而云的一大作用即在于此。辐射和云对气温的垂直分布和大气稳定度有直接影响,从而影响到污染物的扩散。

云对污染物还有另外一个作用,就是降水。如果产生降水,就可以将大气中的污染物洗刷到地面,减轻污染。

间接因素之三:局地环流条件

局地环流条件不利是是很多大城市容易出现污染的关键。这里介绍几种情况,主要与城市地形有关。

山谷环流

——许多大城市兴建于山脚下,或者山谷中,地势并不开阔。污染物需要垂直输送一定距离才能离开城市,或者只能从一个方向水平输送出城,依赖于山谷风的环流。这样一来,一旦出现逆温,环流被破坏,山峦环绕的城市就会成为一个盖了锅盖的锅,什么污染物质都难以逸出。我国北京、西安、重庆等很多大城市都是这样的情况。

海陆环流

——靠山不利,靠水也不见得有利。沿海(或者大湖大河)的城市,容易遭遇“海岸型熏烟”。这是由于海陆热力性质的差异导致的。海陆风夜间为陆风,白天为海风。晚上城市冷却较快,近地面出现逆温层。清晨,在日照条件下地面逐渐升温,城市的逆温层自下而上被破坏,同时吹起海风,将城市排放的污染物向内陆扩散。逆温层破坏达到烟囱高度时,就会出现熏烟。这种熏烟可以持续数小时之久。

城乡环流

——城市本身由于存在热岛效应,也会与郊区之间产生局地的环流,也即城市风,影响污染物的扩散。近地面,风通常由郊区流向城市。在上升气流比较弱的情况下,城市产生的各种废气就难以排出,堆积在城市内部,导致污染加剧。

三种局地环流示意图,以及海岸型熏烟示意图

间接因素之四:天气形势

这是雾霾天气出现的大环境,也可以说是前面几项的综合。

统计表明,冬春季更容易出现雾霾。这一方面当然是由于冬春季较为寒冷,化石燃料燃烧较多,污染物排放本身较多;但另一方面,大气本身也更容易出现稳定的层结,导致污染物更难扩散。

当然,冬春季的气温较低,所以平均而言大气的湍流运动也比夏季弱得多,更容易出现雾霾。

THE END
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