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地球知識局——霧霾下的華北
NO.769-霧霾下的華北
作者：貓斯圖
製圖：孫綠 / 編輯：酸奶泡
今天北京城霧霾籠罩，大片區域的空氣汙染指數飆升到300以上，出門的市民都紛紛戴上了口罩。最直觀的感受是，從昨晚開始，很多地區的能見度都已經降到了只有幾百米。在霧霾最嚴重的地區，人們在路面上只能看到汽車的霧燈和麵前人影影綽綽的背影。
仙境中的城市
其實從前幾天開始，北京之外的華北地區就都已經出現了霧霾天，只是因為尚未完全影響到北京而被有意無意地忽視了。而從今天北京的霧霾天開始，大家都意識到，今年的霧霾季節又開始了。
華北的霧霾天為什麼總是這麼嚴重呢？
厲害的煤
今天北京市中心的空氣汙染指數峰值達到了370多。而這還遠遠不是整個華北的最高值，保定涿州達到了驚人的590，霧霾更加嚴重，可謂伸手不見五指。其餘石家莊行唐、靈壽等縣、唐山各地的空氣汙染指數也都直逼400。其餘華北大部也都受到了劇烈的影響，連臨海的天津市都達到了250左右，其實已經算是重度汙染了。
整個華北都籠罩在一片煙雲之中。不過人們一點也找不到那種詩意朦朧的感覺，唯一擔心的是自己和家人的呼吸道應該怎麼辦。
不由生出尊敬之情
霧霾裡所謂的“霧”，是指近地面空氣中的水汽凝結形成的大氣現象，其形成原因主要是來自於水汽本身。如果其中沒有包含什麼汙染物的話，倒是沒有什麼好特別擔心的。
霧霾中更讓人憂懼的是“霾”。這是空氣中的水汽吸附在漂浮於空氣中的微小顆粒物上，以汙染物為核心，以水霧為外殼的一種物質。在光照、溫度和溼度的不斷變化中，這種物質還會發生內部反應，進一步增加汙染物的危險性。
種類豐富，變化無窮...
根據中科院大氣物理所的研究，構成華北霧霾內核的空氣汙染物質，主要是工業汙染源排放、機動車尾氣和散煤燃燒。這些汙染源造成如此惡劣而深遠的後果，和京津冀地區和周邊省份的產業結構和人口密度有很大的關係。
北京、天津、河北、河南、山西、山東 6 省市佔全國面積 7.2%，卻消耗了全國 33% 的煤炭（京津冀的煤電機組更是佔全國的 27%），單位面積的汙染物排放強度超過全國平均水平4倍。
這是2017全國能源消費佔比
煤炭仍是絕對的大頭
而未經處理的煤炭恰恰是一種不清潔的能源，不僅在燃燒過程中會釋放粉煤灰等固體顆粒物，煤炭形成過程中含有的硫、氮等元素也會因不完全燃燒而形成二氧化硫、一氧化氮甚至一些致癌化合物，汙染程度就更顯得高了。
彷彿從一開始就帶了“原罪”？
尤其是在監管力量難以到達的縣級乃至更低級行政單位，小鍋爐和散煤的使用經常處於無序的狀態，清潔煤和天然氣使用水平不高，從小工廠到民間自主取暖都在排放汙染物，只要稍有水汽霧霾就會出現，而且裹挾著令人聞風喪膽的汙染物。
衛星圖上觀察唐山的工業與礦業
重工業方面的情況也不樂觀，京津冀地區鋼產量佔全國的 43%（產鋼過程中使用的煤炭廢氣和礦渣揚塵是重要汙染源）、焦炭產量佔全國的 47%（一種由煤炭乾餾而成的高濃度炭，生產過程中也會釋放汙染性顆粒物和揮發性有機物）、平板玻璃產量佔全國的 33%（生產過程中產生二氧化硅顆粒）、水泥產量佔全國的 19%（水泥粉末本身就是一種固體汙染源）。
河北一些較大的鋼鐵廠
另外還有汽車尾氣的影響。京津冀的機動車保有量佔全國的 28%（雖然北京限行政策嚴格，但空氣不以行政區域為影響，整個華北應視為同一板塊），特別是重型車保有量佔比近 30%（這與北京需要大量外地資源輸入和燕山以北交通不便需要公路運輸有關）。一輛重型卡車的尾氣排放量可達一輛達標小轎車的數十倍，而大車的環保措施往往不力，實際汙染量更大。
油的品質也是很重要的一環
若干工業和民用廢氣的疊加，讓華北的霧霾從源頭上就有了“供應”保障。（顯然不是一件好事）
認真的山
有了供應源頭，地形地貌的影響就很重要了。
華北平原，即以北京、天津、河北西南部和東北部構成的廣大平原地區，在西北方向上緊挨著太行山-燕山一線的山地。這片山區的海拔放在中國群山裡不算高，大約在數百至一千多米左右，但相對於人類在平原的活動區域來說已經是相當的高度了。
擴散不出去，坐等西北風
白天，山區受到太陽輻射，升溫比城市平原快，空氣溫度高而氣壓低，就會促使汙染物伴隨著城市向山區流動的空氣進入山區。如果是在西南等綠化水平高的地區，這會是用自然力量消滅汙染物的好時機。可惜華北山區到了冬天綠化水平不高（走一次從北京前往大同的高速就會深有體會），汙染物無法被吸附在植物上，反而在山區被截留。
這還不是最乾燥的季節
到了晚上，山區海拔高，降溫快，形成高氣壓區；反觀城市地區則因為熱島效應，熱量流失慢，維持著一個高溫環境，氣壓低。汙染物於是又伴隨著氣流向城市空間反向流動。這種空氣的流動叫做山谷風大氣環流，在靠近山區的城市都會出現。但帶著大氣汙染物在城市和山區之間來回滾動、反覆汙染的山谷大氣環流，是華北所特有的。
四川表示不服
另外，還有很多人認為華北有以天津為代表的臨海區，霧霾理應能擴散到海上，減輕城市汙染負擔。但汙染物擴散到海上的一個前提條件是有足夠強力，且影響高度與城市縱向空間吻合的大風。長三角的汙染水平比華北低的原因，就是因為從河南到上海一馬平川，氣流可以強到吹散汙染物。而華北就不行。
比如幾乎被包圍起來的門頭溝
剛才提到的太行-燕山一線的這條山脈線和別處的山脈不太一樣，最大的特點在於綿長而連續。這裡曾經是中央王朝拱衛京師，防止北方少數民族南下的防線，也同樣能夠阻礙大氣流動的腳步。
中國秋冬季節盛行西北風，經蒙古高原向東南南下的氣流，在太行山-燕山一線會被阻擋和抬升，從數百米的高空掠過。而華北諸多城市，尤其是北京、保定、石家莊、唐山這幾座重點城市，都是背靠大山立足的，氣流在城市範圍內還來不及下降到人類活動區域就繼續南下了，對集中在城市中的霧霾較難起到吹散的作用。
山腳下的昌平
反倒是由於海洋和陸地之間的升溫速度不同而自然形成的氣流，白天是從海洋吹向陸地，而晚上則是從陸地吹回海洋，和山谷風環流的作用效果差不多，都是把汙染物循環輸送回城市空間，很難向外擴散出去。
所以霧霾太大的時候適合去張家口避避？
不動的氣
除了地形造成的大氣流動不暢以外，華北城市自身導致的氣流影響也在起到推波助瀾的作用。
根據北京大學劉樹華等引用國家氣候中心的研究成果，自2016年11月以來，京津冀地區冷空氣過境次數減少，強度總體偏弱，平均風速減小，小風和靜風日數較常年同期偏多，形成了所謂的靜穩天氣，不利於空氣中汙染物的擴散。
一閉眼一睜眼怎麼就不一樣了...
形成這種靜穩天氣的原因有很多，每一條都和華北地區的城市發展水平有關係。
首先，是京津冀城市群快速發展，大量建築物拔地而起。雖然這些建築最高也不過數百米高，無法影響大氣對流層高空的氣流流動，但是對於建築高度以下的人類活動區域風力是有影響的。過多的高樓會與過境的大風形成阻礙和摩擦，使風速明顯降低。再加上西北部山地的阻攔，大氣汙染物就更加難以擴散了。
越來越大的北京
數十年後華北北端將完全城市化？....
秋冬季節的華北平原還容易形成氣象上的逆溫現象。
正常情況下，海拔越高的地方氣溫就越低，靠近地面的空氣最為溫暖，密度較低，傾向於向上擴散，和上層的冷空氣形成對流。但在秋冬季節，冷空氣過境後，由於地面的輻射冷卻作用，近地的空氣出現了反常的低溫，密度較高，無法和上層的空氣進行交換。而霧霾就伴隨著這些冷空氣長期停留在近地面，籠罩著人類的生活區域，讓汙染對人類造成的傷害被反覆放大。
這個煙是不是有點怪
在這兩種宏觀的氣象現象背後，還有一種汙染自我強化的微氣候現象也在京津冀城市圈形成了，也就是大氣懸浮顆粒物的形成的大氣穩定區域。
懸浮顆粒物顏色較深，能夠大量吸收來自陽光的輻射能並升溫，在城市汙染區域形成一個穩定的邊界層。就像是農業大棚一樣，罩住下層的空氣和汙染物，加劇其堆積，強化霧霾的穩定度。
要打破這些大氣自主形成的汙染物封閉層，一場降水會是很好的方法。然而華北似乎最缺的就是降水了，去年一個漫長的冬天全國普降大雪，北京也成功被繞過。（後來被證明下了一點點……）
啊，需要一場雪
降水的兩大必要條件是暖溼氣流和乾冷空氣，兩者相交匯的地方，暖溼氣流裡的水汽就會被冷空氣冷凝成水珠，進而產生降水。有一種氣流單方面控制局面，就不會產生降水。近年來，中國北方入冬以後經常快速被烏拉爾山、北太平洋形成的高壓帶冷空氣控制，來自黃渤海洋麵上的水汽無法北上，也就導致了降雨降雪的稀缺。
再加上城市熱島效應在城市上空形成了一個金鐘罩，阻擋了雲團（其實就是暖溼氣流的招牌）靠近城市，就把降水全擠到周邊地區去了。所以在北京缺降水的這些年裡，張家口和延慶的居民倒是沒有怎麼抱怨這事。
不要緊張，是華氏度
從工業和取暖排放的汙染物，到華北特殊的準盆地地形，再到糟糕的大氣情況，所有因素共同結合，導致了華北令人心碎的霧霾。
大家還是出行少開車，家庭早早改裝天然氣，再求個雨看看有沒有效果吧。但是首先，一定要買一副好口罩。
霧霾天在家裡避霾
是誰養活了你
參考文獻
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END
