《中 國 霧 霾 説 明 書》(上)_風聞
星球研究所-星球研究所官方账号-一群国家地理控,专注探索极致世界2020-03-25 09:31
霧霾不斷消散,又不斷重來
關於它的信息也紛繁複雜
令人疑惑連連
本文中我們用了近萬字、73張圖
試圖全面呈現它的成因及解決之道
全面呈現這場涉及每個人的
對流層保衞戰
偉大的對流層
平均厚度約10千米
幾乎所有的人類活動
都在這裏完成
這是我們一生中
無可替代的生存空間
(國際空間站拍攝的大氣層,對流層是最靠近地面的一層,圖片來源@NASA)
▼
然而
工業時代以來
我們的對流層
卻變得越發渾濁
到了2013年
全年平均35.9天裏
北京的對流層
是這樣的
(請橫屏觀看,大霾下的北京,近處可見國貿CBD,遠處是太行山,攝影師@李珩;上文數據為2013年全國平均霾日數,源自參考文獻[1])
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成都的對流層
是這樣的
(請橫屏觀看,下圖左側是被霾籠罩的四川盆地,右側是川西連綿的山地,攝影師@行影不離)
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烏魯木齊的對流層
則是這樣的
(請橫屏觀看,大霾籠罩的烏魯木齊城區,攝影師@李傑)
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也正是那一年的1月
約1/4國土上空的對流層
在一夜之間全部淪陷
自此
“霧霾”這個詞
便與近6億人息息相關
(2013年1月,我國發生有記錄以來極為嚴重的一次大規模區域性灰霾天氣,範圍覆蓋17個省級行政區,影響近6億人,下圖為當時的衞星圖像,灰色的是霾,白色是上方的雲層,製圖@陳思琦/星球研究所)
▼
時至今日
政府官員、科學家、工程師
無數人仍在致力於驅散“霧霾”
保衞我們的對流層
可是1年、2年、3年、4年、5年、6年、7年過去
它卻依然一次次捲土重來
“霧霾”
究竟因何而生?
還將持續多久?
我們該怎麼做?
有勝利的希望嗎?
要回答這種種疑問
必須從“霧霾”的本質
開始説起
01
“霧霾”的本質
“霧”和“霾”
本不應混為一談
它們是對流層中
兩種不同的天氣現象
但形成的關鍵均在於
空氣中穩定懸浮的
顆粒物
對於霧,是小水滴
對於霾,則多為幹塵粒
因此
霧常呈乳白色
相對濕度可達到90%以上
水平方向的能見度不到千米
隨着地表温度上升
便可逐漸消失
(南京玄武湖上的霧,拍攝於2020年1月,早上8點,攝影師@李毅恆)
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霾則相對灰黃
相對濕度一般不超過80%
水平能見度不到10千米
有時甚至能持續多日
難以消散
(霧和霾有時也可相互轉化,因而常被混稱為“霧霾”;下圖為廣州的霾天氣,拍攝於2017年1月,攝影師@許曉平)
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其中
直徑不超過****10微米的顆粒
人稱PM****10
它們能越過人體的重重防線
在呼吸道中沉積
也稱“可吸入顆粒物”
而直徑不到****2.5微米的顆粒
便是PM****2.5
它們更加微小
更易吸附有毒物和病原體
還能暢通無阻地深入支氣管甚至肺泡
引發呼吸道、心腦血管和肺癌等疾病
造成我國每年近100萬人因此死亡
(上文數據源自參考文獻[6];本文中的直徑均指空氣動力學等效直徑,即當粒子和密度為1g/cm3的球體有相同降落速率時,球體的直徑大小;下圖為不同粒徑顆粒物的大小對比,製圖@鄭伯容/星球研究所)
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那麼
這些顆粒物從何而來?
有時
它們來自自然界
森林大火、火山噴發
海浪飛濺、荒漠揚沙
都能成為顆粒物的來源
(以上自然過程被稱為天然源,下圖為內蒙古阿拉善左旗的沙塵暴天氣,攝影師@李含軍)
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但更多時候
它們來自人類社會
從烹飪油煙到工地揚塵
從汽車尾氣到工廠煙塵
形形色色、不勝枚舉
(人類生活和生產活動造成的排放被稱為人為源,也是本文主要討論的部分;下圖為鄭州熱電廠,前方是主要排放廢氣的煙囱,後方是排放水汽的冷卻塔,現已停產搬遷,攝影師@焦瀟翔)
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有時
它們一“出生”便是顆粒物
由污染源直接排放進入大氣
稱為**“一次顆粒物”**
(工地揚塵便是典型的一次顆粒物,下圖為四川廣安的一處工地,攝影師@周修建)
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但更多時候
它們“出生”時還只是氣體
在大氣中**“進化”**成為顆粒物
是為**“二次顆粒物”**
(在我國多數地區,尤其是霾污染嚴重時,二次顆粒物已成為主要影響因素;下圖為2011年甘肅中部灰霾下的火力發電廠,其排放中既有一次顆粒物,也有氣體污染物,攝影師@劉忠文)
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例如
由二氧化硫(SO2)
氧化形成的
硫酸鹽顆粒(SO42-)
是二次顆粒物
由氮氧化物(NOx)
揮發性有機物(VOCs)
在光照條件下反應形成的
硝酸鹽顆粒(NO3-)和有機物顆粒
是二次顆粒物
由氨氣(NH3)
與大氣中的硫酸、硝酸等
酸鹼中和形成的
銨鹽顆粒(NH4+)
同樣也是二次顆粒物
(正因如此,城市灰霾中的成分並不是單一的;下圖為2016年長沙灰霾中的車流,攝影師@李雲鵬)
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這些二次顆粒物的直徑
大多集中在2微米以內
可長時間存在、遠距離傳輸
是PM2.5至關重要的組分
而催生它們的
二氧化硫(SO2)
氮氧化物(NOx)
揮發性有機物(VOCs)
以及氨氣(NH3)等氣態前體物
雖不是導致“霧霾”的直接原因
卻是幕後的“始作俑者”
(PM2.5主要組分示意,注意:一次顆粒物和二次顆粒物中可能存在相同的物質成分,但來源不同,製圖@鄭伯容/星球研究所)
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但是
一次顆粒物也好
氣態前體物也罷
它們的“幕後推手”
又是誰呢?
02
增長的代價
回顧1990-2013年間
我國GDP增長達300%
創造了人類經濟史上的一個奇蹟
但與此同時
我們還創造了
**313%**的氮氧化物排放增長
**168%**的揮發性有機物排放增長
**131%**的二氧化硫排放增長
**29%**的氨氣排放增長
以及
**28%**的一次PM2.5排放增長
(1990-2013年全國主要大氣污染物排放量變化,數據源自大氣污染源排放清單,製圖@鄭伯容/星球研究所;**另:**2013年是我國霾污染形勢最為嚴峻的一年,因此下文主要選取當年的數據進行分析)
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以至於到了2013年
當74個城市率先開始PM2.5監測時
人們卻發現
僅有拉薩、舟山、海口三個城市
能夠達到空氣質量標準
而污染最為嚴重的京津冀地區
年均PM2.5濃度更是超標2倍之多
一場對流層保衞戰已然迫在眉睫
(上述“達標”指《環境空氣質量標準 GB3095-2012》中的二級標準,下文同;下圖為2013年74個城市年均PM2.5濃度,製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所)
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而此時人們首先要做的
便是追根溯源
2013年時
我國已持續多年位列
總髮電量世界第一
煤炭產量世界第一
鋼鐵產量世界第一
水泥產量世界第一
有色金屬產量世界第一
堪稱名副其實的“世界工廠”
(請橫屏觀看,河南安陽鋼鐵廠,攝影師@張孟堯)
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然而
滾滾向前的
工業
不僅消耗了全國當年
95%的煤炭和99.7%的原油
也貢獻了全國人為排放中
85%的二氧化硫
71%的氮氧化物
69%的揮發性有機物
以及60%的一次PM****2.5
(上文中的“工業”以國家統計局的統計範疇為準;下圖以二氧化硫和氮氧化物為例,各省的排放量和煤炭消費量之間有高度一致的規律,製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所)
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其中
又以電力和熱力行業
佔據了煤炭消耗的半壁江山
尤其在江蘇
煤炭供給着近1億人的電力需求
火力發電量也長年位列全國第一
山東則緊隨其後
甚至在2015年時一舉超越江蘇
躋身全國火力發電量第一大省
(2014年底,重載鐵路瓦日鐵路落成,煤炭運輸能力達2億噸/年,為山東新增了巨大的煤炭來源;下圖為相隔不遠的兩座火電廠,拍攝於山東,攝影師@陳劍峯)
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在內蒙古
則生產着全國最多的原煤
運行着全球規模最龐大的坑口電廠
(內蒙古托克托火力發電廠,裝機容量達672萬千瓦,位列世界之首,攝影師@陳劍峯)
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這三個火電大省(區)中
僅電力和熱力這一行業
就貢獻了全省超過40%的
二氧化硫和氮氧化物
而在內蒙古、黑龍江、遼寧等
冬季氣候寒冷的供熱大省(區)中
電力和熱力行業
則貢獻了全省30%-45%的
一次顆粒物
其影響之顯著可見一斑
(上文數據源自參考文獻[2];下圖為瀋陽市中的熱電廠,攝影師@呂威)
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另一個耗煤巨頭則是
鋼鐵行業
中國
是一個不折不扣的鋼鐵大國
無論是遼闊的西北大地
(請橫屏觀看,厚重的雲層下,嘉峪關關城及後方的酒泉鋼鐵集團廠區,拍攝於2016年4月,攝影師@郭中民)
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還是繁榮的東部地區
鋼鐵廠可謂遍地開花
(請橫屏觀看,江蘇南鋼集團廠區,拍攝於2017年7月,攝影師@李毅恆)
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而河北省
更堪稱中流砥柱
其2013年時便已
年產粗鋼近1.9億噸
是第二名江蘇省的2倍之多
即便放諸世界也“傲視羣雄”
(世界粗鋼產量排名,製圖@鄭伯容/星球研究所)
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但與此同時
其污染排放同樣“一枝獨秀”
幾乎是第二名省份的2-3倍
可貢獻全省36%和14%的
二氧化硫和氮氧化物
以及47%的一次顆粒物
(河北唐山的一片鋼鐵廠羣,拍攝於2020年1月,攝影師@行影不離)
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不過
縱使鋼鐵行業體量龐大
但煤炭消耗量也只屈居第三
位列第二的是
石化化工行業
其產品包括
汽油、柴油、焦炭、農藥、塗料
化肥、化纖、輪胎、塑料等等
幾乎覆蓋現代人生活的方方面面
更重要的是
它不僅消耗了全國17%的煤炭
更消耗了全國97.5%的原油
而在這些產品的
生產、加工、運輸、使用等
整個上中下游產業鏈中
一年可向對流層貢獻
揮發性有機物1500多萬噸
(上文揮發性有機物數據源自參考文獻[3],不包括機動車燃油使用;下圖為中國石油遼寧遼陽化纖廠,攝影師@雁海;另:文中的石化化工行業是指“石油加工、煉焦和核燃料加工業”以及“化學原料和化學制品製造業”)
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在形形色色的工業行業中
絕大多數煤炭
都將進入集中式的電廠、工廠
然而還有數億噸的煤炭
它們未經加工、煤質較差
且燃燒分散、缺乏廢氣處理
常用於中小型工業窯爐
以及人們日常的
生活
這便是**“散煤”**
據估算1噸散煤的燃燒排放
可達1噸電煤的
10-15倍之多
(請橫屏觀看,內蒙古錫林浩特一座煙囱林立的村鎮,前方是大量居民房屋,後方為一座火電廠,拍攝於2009年2月,攝影師@邱會寧;另:此處的“生活”指民用部門排放)
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尤其在
內蒙古、山西、河北、黑龍江等
北方農村地區
冬季常以散煤燃燒採暖
成為最難以監控的污染源
也令當地冬季的空氣質量
雪上加霜
(以石家莊為例,採暖季和非採暖季空氣質量有明顯差距,製圖@鄭伯容/星球研究所)
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此外人們生活中的
另一大污染物來源
便是農村中的生物質燃燒
比如秸稈焚燒
2011年5月末
正值江南一帶冬小麥收割的季節
杭州、南京、上海、寧波、蘇州
一眾長三角地區城市
大霾
人們發現
在超標達5倍的PM2.5中
秸稈焚燒產生的有機碳
貢獻可高達48%-86%
(秸稈焚燒場景,攝影師@姚金輝)
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類似的情景
同樣在東北平原上演
2015年11月初
瀋陽、長春、哈爾濱
大霾
周邊共計836個秸稈焚燒點
令三座城市的PM2.5日均濃度
最大超標達24倍
(吉林省通榆縣農田中燃燒的秸稈,拍攝於2016年3月,攝影師@邱會寧)
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而除工廠、農村
這些相對固定的排放源外
交通
帶來的排放
更是隨時隨地都在發生
道路之上
小型客車的數量最為龐大
是有機物、一氧化碳的主要來源
而重型貨車的數量雖僅佔2%
卻排放了46%的氮氧化物
和58%的一次顆粒物
(2013年時,不同類型機動車保有量和污染物排放量的對比,製圖@鄭伯容/星球研究所)
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尤其在一些
工廠密佈、港口集中的地區
往往更是貨車密集
其氮氧化物和有機物的排放
可高達全國平均水平的4-5倍
(排長隊進入港口的貨車,拍攝於浙江寧波,圖片來源@VCG)
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機動車外
農田間的農業機械
城市中的工程機械
以及在內河、海洋中穿行的船舶等
又多使用質量較差的燃油
污染物排放更為嚴重
(上海黃浦江的貨船,拍攝於2017年11月,攝影師@呂威)
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時至今日
全國機動車保有量仍與日俱增
尤其在北上廣深等大型城市
機動車排放正逐漸超越工業
成為當地PM2.5的首要貢獻者
(北京東四環晚高峯車流,攝影師@丁俊豪)
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最後
在這個
農業
規模同樣龐大的國家裏
種植業中的化肥施用
養殖業中的動物排泄
則貢獻了人為源中
超過90%的氨氣排放
(各省份中種植業和養殖業的氨排放量,製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所)
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一年中
全國約有3200萬噸氮肥進入農田
其中12.2%的氮
將轉化為氨氣(NH3)逸出土壤
而以華北平原為代表的北方地區
由於土壤鹼性更強
揮發率則可能超過20%
(上文氮肥數據包括單質肥和複合肥折純量,源自參考文獻[3];下圖為山東聊城,村民們為蘋果樹施肥,拍攝於2018年11月,圖片來源@VCG)
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同時
動物排泄物中的尿素
將在微生物作用下轉化為氨氣
因而養豬業集中的四川、河南
蛋禽養殖集中的山東、河南、河北
以及毛用羊養殖集中的內蒙古、新疆
氨排放量紛紛名列前茅
(羊羣和揚起的塵埃,拍攝於新疆伊寧市郊區,攝影師@賴宇寧)
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至此
工業、生活、交通、農業
支撐這個國家運轉的各個部門
都在源源不斷地向我們的對流層中
貢獻着各類污染物
(2013年各污染物的主要貢獻來源示意,向左滑動可查看2017年數據;**注意:**下圖是全國範圍數據,各局部地區情況會存在差異,製圖@鄭伯容/星球研究所)
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正所謂
(引自《洛杉磯霧霾啓示錄》)
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人類文明製造煙霧的能力,
絕非消除煙霧的能力所能望其項背。
“霧霾”的源頭
也絕非是
一兩根煙囱、三四輛汽車
而是整個飛速前進中的社會
03
最後一根稻草
大量的顆粒物
已成為對流層中
日益沉重的負擔
此時
只需“最後一根稻草”
一場大霾便在所難免
這根“稻草”就是氣象條件
例如垂直方向上的
逆温層
理論上
對流層的空氣温度
將隨着垂直高度的增加而降低
即**“下暖上冷”**
但當逆温層產生時
這個規律卻截然相反
即**“下冷上暖”**
(逆温層示意,製圖@鄭伯容/星球研究所)
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由於下層空氣温度較低
因而密度更大、難以上升流動
如同一個穹頂
扣在城市之上
(杭州上空的“穹頂”,拍攝於2019年1月,攝影師@肖奕叁)
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無法穿過逆温層的污染物
只能在其下方積聚、擴散
且逆温層高度越低
擴散空間越小
污染也越嚴重
一旦濕度增加
大霾便頃刻籠罩
(被霾籠罩的晉中盆地,高於逆温層的排放才有較大的擴散的空間,拍攝於2015年11月,攝影師@李珩)
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而逆温層形成的原因
可謂多種多樣
例如
在晴朗的夜晚
地表温度迅速降低
令下方貼近地面的空氣温度
逐漸低於高空氣温
便形成“輻射逆温”
秋冬季節夜晚漫長
輻射逆温尤為強烈
令大江南北“霧霾”頻發
(廣州秋冬季的霾天氣,拍攝於2019年11月,攝影師@劉興)
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一般情況下
隨着日出後地面升温
輻射逆温便逐漸消失
然而在嚴寒的北方
白天地表散失的熱量
仍遠高於太陽輻射
則形成晝夜持續的逆温層
(請橫屏觀看,被霾籠罩的烏魯木齊,拍攝於2013年11月,中午12點,當日遭遇降温,最高温為2℃,攝影師@李傑)
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除此之外
在山間谷地
冷空氣沿山坡一路流入山谷
將山谷中的熱空氣擠到高空
可產生逆温層
(即地形逆温;下圖為東北地區山谷中縈繞着朦朧的“霧氣”,攝影師@王澤東)
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在山脈腳下
氣流翻越高山後逐漸下沉
空氣團上部的升温幅度高於下部
也可產生逆温層
(即下沉逆温;下圖為山脈腳下的雲南芒市,3-5月常出現逆温現象,攝影師@楊清舜)
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而在近海地帶
暖空氣直接平流至冷空氣上方
冷暖交界處可產生平流霧
同樣可產生逆温層
(即平流逆温;下圖為大氣分層的青島,冷暖交界處可見平流霧,攝影師@張霄)
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由於逆温層的存在
污染物在垂直方向上的擴散
已然希望渺茫
人們只能指望水平方向上的
風
打破靜穩天氣
驅散“霧霾”
然而
由於氣候變化等因素
我國冬季風逐年減弱
年平均風速逐年減小
這無疑是火上澆油
(京津冀地區地面年平均風速變化,“距平”是指該點數值與平均值的差,製圖@鄭伯容/星球研究所)
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甚至在
地形
的影響下
風還成為了“幫兇”
甘肅蘭州、河北蔚縣
山西大同、太原、臨汾等城市
坐落在羣山包圍之中
夜晚氣流從山坡吹往谷地
形成山風
白天則從谷地吹向山坡
形成穀風
(山谷風形成原理示意,製圖@鄭伯容/星球研究所)
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交替變換的山谷風
令污染物在山間來回往復、難以擴散
也令山谷中的城市常常籠罩在
一片朦朧之中
(位於太行山脈間的河北蔚縣,攝影師@李珩)
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陝西西安
則地處秦嶺以北的關中平原
風中的污染物
遭遇南部山脈的阻擋
在山前大量聚集、滯留
因而在這裏
東北風下的霾日數佔比可達31.2%
相較之下靜風時的霾日數
則僅佔17.7%
(上文數據源自參考文獻[7];下圖為霾下的關中平原,近處為銅川市,遠處為秦嶺,西安則位於中間,攝影師@李珩)
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而在京津冀地區
一方面
燕山、太行山
盤踞在北側和西側
來自平原的東南風
與來自西北的山風
在山脈前短兵相接、僵持不下
形成一條沿山脈走向的“風向輻合帶”
也是一條污染物的匯聚帶
(京津冀地區的風向輻合帶示意,製圖@陳思琦&鄭伯容/星球研究所)
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另一方面
匯聚帶沿線的城市
如同串聯的熱島
隨着熱空氣上升
將周邊的冷空氣向城市抽吸
加劇了郊區工廠排放的污染物
向城市匯聚
(從近到遠依次是河北燕郊的工廠、北京城和太行山,攝影師@餘明)
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而第三方面
“熱島效應”下
冷空氣往往從低空匯入城市
導致垂直方向上“下冷上暖”
產生逆温
三管齊下
令匯聚帶沿線的城市
唐山、保定、石家莊、邢台、邯鄲等
相繼成為“霧霾”重災區
(河北是我國霾污染最嚴重的省份之一,下圖為霾中的河北保定,攝影師@韓陽)
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直至一陣猛烈的西北風到來
穩定的氣象條件終於被打破
城市上空的陰霾也終於消散
然而正所謂
“甲之蜜糖,乙之砒霜”
隨着冷空氣一路南下
氣流中裹挾的污染物
也隨之跨越千里
進入南方地區
根據2014-2015年的數據
在京津冀、長三角等地
這樣的跨區域傳輸
對城市中PM2.5的貢獻
可達20%-35%
而本地排放則佔65%-80%
(上文數據源自參考文獻[3];下圖為上海,其區域傳輸的貢獻可達到26%,尤其是4-5月,常受到北方沙塵的影響,攝影師@張殿文)
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不僅如此
抵達南方的冷空氣
還可能形成冷鋒插入暖空氣下方
因而在鋒面處形成逆温層
進一步阻礙污染物擴散
催生“霧霾”
(鋒面逆温形成示意,製圖@鄭伯容/星球研究所)
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總而言之
顆粒物造就了“霧霾”
氣象條件催生了“霧霾”
地形條件加劇了“霧霾”
我們似乎已找到了它的源頭
只待對症下藥
但不幸的是
我們無法控制自然界的排放
無法左右大氣環流
更無法改變山川地貌
這就意味着
在這場對流層保衞戰中
除了與人為排放的污染物死磕到底
我們別無選擇