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地球知识局——雾霾下的华北
NO.769-雾霾下的华北
作者：猫斯图
制图：孙绿 / 编辑：酸奶泡
今天北京城雾霾笼罩，大片区域的空气污染指数飙升到300以上，出门的市民都纷纷戴上了口罩。最直观的感受是，从昨晚开始，很多地区的能见度都已经降到了只有几百米。在雾霾最严重的地区，人们在路面上只能看到汽车的雾灯和面前人影影绰绰的背影。
仙境中的城市
其实从前几天开始，北京之外的华北地区就都已经出现了雾霾天，只是因为尚未完全影响到北京而被有意无意地忽视了。而从今天北京的雾霾天开始，大家都意识到，今年的雾霾季节又开始了。
华北的雾霾天为什么总是这么严重呢？
厉害的煤
今天北京市中心的空气污染指数峰值达到了370多。而这还远远不是整个华北的最高值，保定涿州达到了惊人的590，雾霾更加严重，可谓伸手不见五指。其余石家庄行唐、灵寿等县、唐山各地的空气污染指数也都直逼400。其余华北大部也都受到了剧烈的影响，连临海的天津市都达到了250左右，其实已经算是重度污染了。
整个华北都笼罩在一片烟云之中。不过人们一点也找不到那种诗意朦胧的感觉，唯一担心的是自己和家人的呼吸道应该怎么办。
不由生出尊敬之情
雾霾里所谓的“雾”，是指近地面空气中的水汽凝结形成的大气现象，其形成原因主要是来自于水汽本身。如果其中没有包含什么污染物的话，倒是没有什么好特别担心的。
雾霾中更让人忧惧的是“霾”。这是空气中的水汽吸附在漂浮于空气中的微小颗粒物上，以污染物为核心，以水雾为外壳的一种物质。在光照、温度和湿度的不断变化中，这种物质还会发生内部反应，进一步增加污染物的危险性。
种类丰富，变化无穷...
根据中科院大气物理所的研究，构成华北雾霾内核的空气污染物质，主要是工业污染源排放、机动车尾气和散煤燃烧。这些污染源造成如此恶劣而深远的后果，和京津冀地区和周边省份的产业结构和人口密度有很大的关系。
北京、天津、河北、河南、山西、山东 6 省市占全国面积 7.2%，却消耗了全国 33% 的煤炭（京津冀的煤电机组更是占全国的 27%），单位面积的污染物排放强度超过全国平均水平4倍。
这是2017全国能源消费占比
煤炭仍是绝对的大头
而未经处理的煤炭恰恰是一种不清洁的能源，不仅在燃烧过程中会释放粉煤灰等固体颗粒物，煤炭形成过程中含有的硫、氮等元素也会因不完全燃烧而形成二氧化硫、一氧化氮甚至一些致癌化合物，污染程度就更显得高了。
仿佛从一开始就带了“原罪”？
尤其是在监管力量难以到达的县级乃至更低级行政单位，小锅炉和散煤的使用经常处于无序的状态，清洁煤和天然气使用水平不高，从小工厂到民间自主取暖都在排放污染物，只要稍有水汽雾霾就会出现，而且裹挟着令人闻风丧胆的污染物。
卫星图上观察唐山的工业与矿业
重工业方面的情况也不乐观，京津冀地区钢产量占全国的 43%（产钢过程中使用的煤炭废气和矿渣扬尘是重要污染源）、焦炭产量占全国的 47%（一种由煤炭干馏而成的高浓度炭，生产过程中也会释放污染性颗粒物和挥发性有机物）、平板玻璃产量占全国的 33%（生产过程中产生二氧化硅颗粒）、水泥产量占全国的 19%（水泥粉末本身就是一种固体污染源）。
河北一些较大的钢铁厂
另外还有汽车尾气的影响。京津冀的机动车保有量占全国的 28%（虽然北京限行政策严格，但空气不以行政区域为影响，整个华北应视为同一板块），特别是重型车保有量占比近 30%（这与北京需要大量外地资源输入和燕山以北交通不便需要公路运输有关）。一辆重型卡车的尾气排放量可达一辆达标小轿车的数十倍，而大车的环保措施往往不力，实际污染量更大。
油的品质也是很重要的一环
若干工业和民用废气的叠加，让华北的雾霾从源头上就有了“供应”保障。（显然不是一件好事）
认真的山
有了供应源头，地形地貌的影响就很重要了。
华北平原，即以北京、天津、河北西南部和东北部构成的广大平原地区，在西北方向上紧挨着太行山-燕山一线的山地。这片山区的海拔放在中国群山里不算高，大约在数百至一千多米左右，但相对于人类在平原的活动区域来说已经是相当的高度了。
扩散不出去，坐等西北风
白天，山区受到太阳辐射，升温比城市平原快，空气温度高而气压低，就会促使污染物伴随着城市向山区流动的空气进入山区。如果是在西南等绿化水平高的地区，这会是用自然力量消灭污染物的好时机。可惜华北山区到了冬天绿化水平不高（走一次从北京前往大同的高速就会深有体会），污染物无法被吸附在植物上，反而在山区被截留。
这还不是最干燥的季节
到了晚上，山区海拔高，降温快，形成高气压区；反观城市地区则因为热岛效应，热量流失慢，维持着一个高温环境，气压低。污染物于是又伴随着气流向城市空间反向流动。这种空气的流动叫做山谷风大气环流，在靠近山区的城市都会出现。但带着大气污染物在城市和山区之间来回滚动、反复污染的山谷大气环流，是华北所特有的。
四川表示不服
另外，还有很多人认为华北有以天津为代表的临海区，雾霾理应能扩散到海上，减轻城市污染负担。但污染物扩散到海上的一个前提条件是有足够强力，且影响高度与城市纵向空间吻合的大风。长三角的污染水平比华北低的原因，就是因为从河南到上海一马平川，气流可以强到吹散污染物。而华北就不行。
比如几乎被包围起来的门头沟
刚才提到的太行-燕山一线的这条山脉线和别处的山脉不太一样，最大的特点在于绵长而连续。这里曾经是中央王朝拱卫京师，防止北方少数民族南下的防线，也同样能够阻碍大气流动的脚步。
中国秋冬季节盛行西北风，经蒙古高原向东南南下的气流，在太行山-燕山一线会被阻挡和抬升，从数百米的高空掠过。而华北诸多城市，尤其是北京、保定、石家庄、唐山这几座重点城市，都是背靠大山立足的，气流在城市范围内还来不及下降到人类活动区域就继续南下了，对集中在城市中的雾霾较难起到吹散的作用。
山脚下的昌平
反倒是由于海洋和陆地之间的升温速度不同而自然形成的气流，白天是从海洋吹向陆地，而晚上则是从陆地吹回海洋，和山谷风环流的作用效果差不多，都是把污染物循环输送回城市空间，很难向外扩散出去。
所以雾霾太大的时候适合去张家口避避？
不动的气
除了地形造成的大气流动不畅以外，华北城市自身导致的气流影响也在起到推波助澜的作用。
根据北京大学刘树华等引用国家气候中心的研究成果，自2016年11月以来，京津冀地区冷空气过境次数减少，强度总体偏弱，平均风速减小，小风和静风日数较常年同期偏多，形成了所谓的静稳天气，不利于空气中污染物的扩散。
一闭眼一睁眼怎么就不一样了...
形成这种静稳天气的原因有很多，每一条都和华北地区的城市发展水平有关系。
首先，是京津冀城市群快速发展，大量建筑物拔地而起。虽然这些建筑最高也不过数百米高，无法影响大气对流层高空的气流流动，但是对于建筑高度以下的人类活动区域风力是有影响的。过多的高楼会与过境的大风形成阻碍和摩擦，使风速明显降低。再加上西北部山地的阻拦，大气污染物就更加难以扩散了。
越来越大的北京
数十年后华北北端将完全城市化？....
秋冬季节的华北平原还容易形成气象上的逆温现象。
正常情况下，海拔越高的地方气温就越低，靠近地面的空气最为温暖，密度较低，倾向于向上扩散，和上层的冷空气形成对流。但在秋冬季节，冷空气过境后，由于地面的辐射冷却作用，近地的空气出现了反常的低温，密度较高，无法和上层的空气进行交换。而雾霾就伴随着这些冷空气长期停留在近地面，笼罩着人类的生活区域，让污染对人类造成的伤害被反复放大。
这个烟是不是有点怪
在这两种宏观的气象现象背后，还有一种污染自我强化的微气候现象也在京津冀城市圈形成了，也就是大气悬浮颗粒物的形成的大气稳定区域。
悬浮颗粒物颜色较深，能够大量吸收来自阳光的辐射能并升温，在城市污染区域形成一个稳定的边界层。就像是农业大棚一样，罩住下层的空气和污染物，加剧其堆积，强化雾霾的稳定度。
要打破这些大气自主形成的污染物封闭层，一场降水会是很好的方法。然而华北似乎最缺的就是降水了，去年一个漫长的冬天全国普降大雪，北京也成功被绕过。（后来被证明下了一点点……）
啊，需要一场雪
降水的两大必要条件是暖湿气流和干冷空气，两者相交汇的地方，暖湿气流里的水汽就会被冷空气冷凝成水珠，进而产生降水。有一种气流单方面控制局面，就不会产生降水。近年来，中国北方入冬以后经常快速被乌拉尔山、北太平洋形成的高压带冷空气控制，来自黄渤海洋面上的水汽无法北上，也就导致了降雨降雪的稀缺。
再加上城市热岛效应在城市上空形成了一个金钟罩，阻挡了云团（其实就是暖湿气流的招牌）靠近城市，就把降水全挤到周边地区去了。所以在北京缺降水的这些年里，张家口和延庆的居民倒是没有怎么抱怨这事。
不要紧张，是华氏度
从工业和取暖排放的污染物，到华北特殊的准盆地地形，再到糟糕的大气情况，所有因素共同结合，导致了华北令人心碎的雾霾。
大家还是出行少开车，家庭早早改装天然气，再求个雨看看有没有效果吧。但是首先，一定要买一副好口罩。
雾霾天在家里避霾
是谁养活了你
参考文献
刘树华, 缪育聪. 京津冀雾霾成因与治理[J]. 中国经济报告, 2017 (2): 18-20.
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彭应登. 北京近期雾霾污染的成因及控制对策分析[J]. 工程研究: 跨学科视野中的工程, 2013, 5(3): 233-239.
李振宇, 黄格省, 李顶杰, 等. 从能源消费结构分析北京雾霾天气成因及防治措施[J]. 当代石油石化, 2013 (6): 11-16.
END