14-雾、霾不等于大气污染,治理污染才是根本

                 雾、霾不等于大气污染,治理污染才是根本

                                                              陆龙骅 (中国气象科学研究院)

       近年来,在我国,特别是京津冀地区,雾、霾及以PM2.5为主要特征大气污染事件频发,成了全社会关注的焦点。雾、霾几乎成了大气污染的代名词,简直是谈雾霾色变,甚至有的地方喊出了“消灭雾霾”的口号。事实上,雾与霾均是古今中外历来有之的天气现象,并不等于大气污染,也并非人力可以消除。而要解决雾、霾污染带来的诸多困扰,治理大气污染才是根本之道。 

                                               雾、霾是两种自然的天气现象

       雾和霾是两种不同的天气现象,雾是湿的、霾是干的,两者产生的天气背景也有不同;在大气污染严重的地区,雾、霾中以PM2.5为主要特征大气污染物浓度很大,而在污染不严重的其他地区,雾、霾中大气污染物的浓度并不高。把雾和霾混在一起,统称为雾霾天气,且作为大气污染的代名词, 有不妥之处,对公众也是一种误导。

 14-雾14-霾

 图   殷墟甲骨文中的雾和霾

       早在殷墟甲骨文中,我国就有雾和霾这两种自然天气现象的记录。《中国三千年气象记录总集》把收集的甲骨文卜辞按气象内容分为十二类,其中“视程障碍类”中所列的就是霾和雾(张德二主编,2004),这就是说,在距今三千年前、人类活动尚处于低级水平时,雾和霾就有了。素有雾都之称的英国伦敦,1952年5月的伦敦烟雾(smog)事件及其死亡人数,给全世界留下了深刻印象。在治理了60余年后的今天,“烟雾”的污染当然是看不到了,但伦敦的“雾”并未被“消灭”。

       在气象观测规范中,雾(fog)是一种“大量微小水滴浮游空中,常呈乳白色,使水平能见度小于1.0km”的现象。形象地说,雾就是接近地面的云,满足一定的天气条件即可形成,对雾滴中有无污染物并无要求。作为公众所熟知的天气现象,庐山一年中有200多天有雾,可那里污染并不严重。事实上,在全球变暖的大背景下,自20世纪80年来以来,我国雾日天数就呈现减少趋势,并非人们印象中的 越来越多和“整天雾气腾腾”。

       相较于雾,霾这个概念对公众显得更为陌生,也似乎与污染关系更密切。近30余年来随着污染的增加,霾日天数也确实有增加趋势。霾(haze)也可称为“灰霾”或“烟霞”,在气象学上指“大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水平能见度小于10公里的空气普遍混浊现象”。霾使远处光亮物体微带黄、红色,使黑暗物体微带蓝色。这里的尘粒可以是源于自然,如风扬尘土、火山灰、漂浮的海盐、花粉、真菌孢子、细菌、天然林火导致的烟尘等,也可以是来于人类活动,如化石燃料燃烧、生物质(秸秆、木柴)的燃烧、垃圾焚烧、汽车尾气以及道路扬尘、建筑施工扬尘、工业粉尘、厨房烟气等。而如今的霾,于人类活动影响有关的,占据了多数。

        除能见度外,雾和霾最大的不同在于相对湿度,在能见度附合条件的情况下,通常相对湿度在90%以上是雾、小于80%为霾。有人因有时雾、霾很难区分,称之为雾霾,也是不严谨的。天气现象中轻雾(mist,又称靄)或烟幕(smoke screen)时相对湿度可为80%-90%,指的就是这类“微小水滴或已湿的吸湿性质粒所构成的灰白色的稀薄雾幕,使水平能见度大于等于1.0km至小于10.0km”或“大量的烟存在空气中,使水平能见度小于10.0km”的现象。

         从中我们不难发现,这些人类活动所产生的污染物,既是生成霾所不可缺少的干气溶胶粒子的来源,同时也是大气污染源。从另一方面讲,形成雾、霾大多需要无风、稳定的天气条件,而这样的天气条件同时也有利于大气污染物的聚积。就这样,雾、霾与大气污染在这个关键的环节上联系在了一起,在公众的印象中,越来越“难解难分”。 

                                          要治理大气污染,而非雾、霾

         近年来,在媒体上与雾、霾一起经常出现的是PM2.5, PM是英文Particulate Matter(颗粒物)的简称,是一个群体的概念。PM2.5是细颗粒物,指的是所有粒径小于2.5微米的粒子;PM10是可吸入颗粒物,为所有粒径小于10微米的粒子,其中包括PM2.5和PM1。PM10与大气污染关系密切,能进入人体的气管和支气管,而其中的PM2.5更能进入肺气泡,对人体伤害很大,因此,备受人们关注。

       在大气污染严重的地区,雾、霾天气出现时,近地面大气静稳,不利于污染物扩散,近地面以PM2.5为代表的大气污染物的浓度剧增。静稳天气和大气污染是雾、霾污染形成和维持的重要因素。其中,大气污染才是目前面临的最大的问题,也是污染事件的元凶;把雾、霾等同于PM 2.5也是不对的。

      理清了雾、霾与大气污染的关系,我们也就会明白,前者只是表象,后者才是问题的本质。不弄清这一点就去治理,就会导致思路出现偏差,本末倒置做无用功。

       有一些地方,由于错把“风吹雾霾散”这一表面现象当成解决问题的办法,做了劳民伤财的荒唐事。例如,兰州处于“两山夹一河”的峡谷盆地中,风力较小,污染物输送和扩散缓慢。兰州的主导风向是偏东风,大青山正好处于上风向。1997年,该市曾提出实施“大青山削山通风工程”,意图在东边打开一个缺口,“借东风”吹走雾、霾,但最终不了了之。在“削平大青山”早已成烟云15年后《兰州市“十二五”环境保护规划》又拟在“十二五”期间,投资6000万元,试点研究实施“削山通风”工程,解决因地理因素造成空气扩散不畅的现状,改善兰州大气环境。据说这一工程的要点为:“把一条山脉夷平150米,以便为市区开辟一条通道,使这个污染严重城市的有害空气排放出去,使新鲜空气流进来,从而改善人们的工作和生存环境”。而当地的反对意见则认为,此举有“打着改善环境的旗号,却是为了‘削山造地’土地开发利用,把‘环境论’当成了敲门砖”之嫌。从科学性上来说,“把一条山脉夷平150米”就能“引东风入金城”也是论据不足的。在出现雾、霾天气时,受天气系统的影响,城区和郊区往往风都很小,“削山”后无风可引。此举像“在喜玛拉雅山脉上打开一个缺口,引孟加拉湾水汽北上,解决西北干旱问题”一样是荒唐的。

        我国大气污染严重的地区,如京津冀、长三角、珠三角以及山西南部等地,雾、霾的多发与地理环境也有一定关系。以北京为例,冬春季雾、霾多日不散,空气质量指数(AQI)居高不下,确实有地形阻挡等不利因素。但就此去“愚公移山”,消除有利于雾、霾生成的地理条件,不理智也不现实。     

      在国外,伦敦的治理经验可作为借鉴。在著名的“伦敦烟雾事件”发生,造成严重损失后,英国人的反应并非“引风”或别的什么手段根除雾、霾,而是颁布了世界上第一部空气污染防治法案《清洁空气法》,针对各种废气排放进行严格约束,并制定了明确的处罚措施,有效减少了烟尘和颗粒物。经过近半个世纪的综合治理,逐渐改善空气质量。在国内,为保障APEC期间空气质量,北京及周边地区采取了一系列“史上最严”措施,使得大气污染治理能坚守“最后一公里”。整个APEC期间,北京PM2.5降低27%,一氧化氮降低了75%,一氧化碳也降低15%。“尽管APEC蓝是政府用超常规手段治理出来的,并非所有保障措施都能长效化。但只要各级政府下定决心,逐步调整区域产业结构,加大治污力度,再加上老百姓的响应配合,美丽的“APEC蓝”或“北京蓝”一定会在中国成为‘新常态’。

       由此看来,治理大气污染才能真正解决问题。事实上。李克强总理在“两会”答记者问中已经清晰地阐述了这一思路:“我们说要向雾、霾等污染宣战,可不是说向老天爷宣战,而是要向我们自身粗放的生产和生活方式来宣战。”

      正如政府工作报告中所说,强化污染防治。以雾、霾频发的特大城市和区域为重点,以细颗粒物和可吸入颗粒物治理为突破口,抓住产业结构、能源效率、尾气排放和扬尘等关键环节,健全政府、企业、公众共同参与新机制,实行区域联防联控,深入实施大气污染防治行动计划。这些都是治理大气污染的当务之急,也是解决雾、霾困扰的根本之道。

                                      陆龙骅  (2014-07-08)

 

13-雾霾属于空气污染吗?

雾霾属于空气污染吗?

                                   对《好搜问答》的回答

雾、霾是两种自然天气现象,古今中外历来有之,并不能直接等同于大气污染。

   依据气象观测规范,雾(Fog)是“大量微小水滴浮游空中,呈乳白色,使水平能见度小于1千米”的天气现象。雾作为公众所熟知的天气现象,满足一定的天气条件即可形成,对雾滴中有无污染物并无要求。举例来说,庐山一年中平均有200多天会出现雾,可那里并没有什么污染。在发生过震惊世界的1952年5月烟雾事件的伦敦,经多年治理,由于“烟雾”造成的可怕污染已经消失,但在今天的伦敦,“雾”这一自然现象并不没有消失。在全球变暖的大背景下,近30余年,我国出现雾的天数并不是越来越多,而是有减少的趋势。

    相较于雾,霾似乎与污染关系更密切。近30余年,随着污染物的增加,霾的日数也呈现着增加的趋势。霾(Haze)也可称为“灰霾”或“烟霞”,在气象学上指“大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水平能见度小于10公里的空气普遍混浊的现象”。这里的“尘粒”可以是源于自然,如风扬尘土、火山灰、漂浮的海盐、花粉、真菌孢子、细菌等,也可以来源于人类活动,如化石燃料燃烧、生物质(秸秆、木柴)的燃烧、垃圾焚烧、汽车尾气以及道路扬尘、建筑施工扬尘、工业粉尘、厨房烟气等。因此,即使是霾也不完全等同于污染。

    把雾和霾混为一谈,统称为“雾霾天气”,且作为大气污染的代名词有不妥之处,对公众也是一种误导。

    如今,雾和霾之所以被人们与污染联系在一起,是因为形成雾、霾需要无风、稳定的天气条件,而这样的天气条件同时也有利于以PM2.5为代表的大气污染物的聚积。诚然,在大气污染严重的地区,雾、霾中以PM2.5为主的大气污染物浓度很大,但是,在污染不严重的地区,雾、霾中大气污染物的浓度就不会很高。理清了雾、霾与大气污染的关系,我们就会明白,前者只是表象和结果,后者才是问题的本质。

    在当前,治理大气污染既是当务之急,也是解决雾、霾中污染困扰的根本之道。正如李克强总理在今年“两会”答记者问时所说:“我们说要向雾、霾等污染宣战,不是说向老天爷宣战,而是要向我们自身粗放的生产和生活方式宣战。

                                                          (三极风云,2014.04.22)

12-为什么臭氧空洞只出现在南极?

为什么臭氧空洞只出现在南极?

                                                      对(好搜问答)的回答

       南极臭氧洞的出现与人类活动关系密切。为制造冰箱和空调器等,人类发明和使用了氟里昂和溴化烃等含氯和溴的化合物,正是这类污染物质最终导致了臭氧层的破坏,在南极地区的实地考察研究也找到了氯氟烃等物质消耗臭氧层的确凿证据。这类污染物质的化学性质十分稳定,泄漏排放到大气中滞留的时间很长;在大气垂直环流作用下会从对流层到达平流层,并通过大气环流的远距离输送和极涡的辐合效应将这些大气污染物在极地平流层中聚合起来。人类活动排放到大气中的氟里昂和溴化烃等含氯和溴的消耗臭氧层物质(ODS),在极地平流层低温条件下形成的冰晶云(PSCs)或液态硫酸气溶胶表面,会通过光化学反应大量消耗臭氧,而为光化学反应提供活动界面的平流层冰晶云或液态硫酸气溶胶,只有在温度低于-78℃时才出现。

       因此,形成臭氧洞需要满足2个条件:大气中存在有人类活动排放的氟里昂和溴化烃等消耗臭氧层物质(人为因素),是春季南极臭氧洞形成的一个必要条件;而春季南极平流层极地涡旋中较长时间的低温(自然因素),则是南极春季臭氧洞形成的又一必要条件。只有同时满足这两个条件,在平流层极地涡旋中低温(温度低于-78℃)条件下形成的冰晶云或液态硫酸气溶胶表面,吸附了大气污染物质,才能在太阳光照耀下,激发氯和溴的活性,通过光化学反应大量消耗臭氧,在南极春季形成臭氧洞。也就是,只有这两个必要条件合起来,才是形成臭氧洞的充分必要条件。目前在南极地区的春季这两个条件都能满足,因此,每年春季在南极都会出现臭氧洞。        

      北极更加接近人类活动的地区,北极大气中污染物的浓度也比较高,与南半球相比污染更为严重,但是它不满足,或很难满足形成臭氧洞的平流层极涡中低温的必要条件。南极地区是一块由海洋包围的冰雪大陆,而北极却是一片由大陆包围的冰雪海洋。海陆分布的差异,对气候和大气环流产生了很大影响。例如,全球最低气温出现在南极地区,且南极的最低气温至少比北极低20℃;在平流层极地涡旋中,南极的温度也低于北极。虽然北极冬季平流层极地涡旋中的温度也能低于-78℃,但在极夜过后的春季,北极平流层极地涡旋中的温度大多在-78℃以上,在春季北极平流层中,很难满足形成冰晶云的低温条件。因此,到目前为止,北极春季并没有出现过臭氧洞。

      在目前大气环境被破坏的情况下,无论是南极还是北极,存在消耗臭氧物质的必要条件总是能满足的,关键在于能否出现形成平流层冰晶云的低温必要条件。南极春季,大都能满足出现臭氧洞的平流层低温必要条件,因此春季南极臭氧洞仍将出现;在北极很难满足出现臭氧洞的平流层低温必要条件,只是当春季平流层温度异常偏低时,才有可能在春季出现臭氧低值区。南北极大气臭氧亏损的程度将随大气环流,特别是极地涡旋的状况而发生变化。

      正是由于平流层温度、极地涡旋强度和位置的变化,造成了2002年南极春季臭氧洞的异常偏小(最小时只有同期平均面积的1/7)和各年南极臭氧洞强度和范围的变化。在当前大气环境被污染的情况下,极地大气臭氧亏损的程度更多地将随大气环流,特别是极地涡旋中的低温状况而发生变化。其中,极夜结束后极涡中的持续低温是南极臭氧洞形成的关键因素。

       1979年以来,只有2011年和1997年2年,由于北极极涡强、温度特低,在极夜过后的春季,平流层极涡还短暂(10-15天)保持低于-78℃的低温。2011年在北极地区,出现了亏损40%的异常低值中心,此时因化学原因产生的臭氧亏损量达160-200 DU,可与发生南极臭氧洞时的亏损量相比拟。虽此时北极平流层中大气臭氧的化学亏损的数值也很大,但由于当地春季大气臭氧通常为400 DU以上,本底值要比南极地区高100DU;加之低温持续时间短,在北极仍未出现低于220 DU的区域。

                                             ( 三极风云 ,20140108)

11-北极臭氧层有可能出现空洞吗?

北极臭氧层有可能出现空洞吗?

                                        对(好搜问答)的回答

近几十年来,北极地区的臭氧也是减少的,但迄今为止,还未出现过像南极那样的“臭氧洞”。

     在任何一张全球臭氧分布图上,我们都可以看到,既有高值区,也有低值区。臭氧洞有严格的科学定义,并不是所有的臭氧低值区都能称为臭氧洞。在南极春季出现的“臭氧洞”至少有3个特点:1)、低值区的臭氧数值低,在220 DU以下;2)、低值区范围大,低于220 DU的范围经常超过百万平方千米;3)、低值持续时间长,常为2到4个月左右。把220 DU,而不是诸如250DU定为出现的臭氧洞的标准是因为:首先,220 DU接近低于全球平均值30%(26.7%);再则,在北极秋天或赤道附近,偶而也会出现由于动力等原因产生的低于250 DU的低值区,用250DU作为标准不合适。因此用220 DU作为是否出现臭氧洞的标准是科学的。

    北极更加接近人类活动的地区,北极大气中污染物的浓度也比较高,与南半球相比污染更为严重,但是它不满足,或很难满足形成臭氧洞的平流层极涡中低温的必要条件。南极地区是一块由海洋包围的冰雪大陆,而北极却是一片由大陆包围的冰雪海洋。海陆分布的差异,对气候和大气环流产生了很大影响。例如,全球最低气温出现在南极地区,且南极的最低气温至少比北极低20℃;在平流层极地涡旋中,南极的温度也低于北极。虽然北极冬季平流层极地涡旋中的温度也能低于-78℃,但在极夜过后的春季,北极平流层极地涡旋中的温度大多在-78℃以上,在春季北极平流层中,很难满足形成冰晶云的低温条件。

      1979年以来,只有2011年和1997年2年,由于北极极涡强、温度特低,在极夜过后的春季,平流层极涡还短暂(10-15天)保持低于-78℃的低温。2011年在北极地区,出现了亏损40%的异常低值中心,此时因化学原因产生的臭氧亏损量达160-200 DU,可与发生南极臭氧洞时的亏损量相比拟。虽此时北极平流层中大气臭氧的化学亏损的数值也很大,但由于当地春季大气臭氧通常为400 DU以上,本底值要比南极地区高100DU;加之低温持续时间短,在北极仍未出现低于220 DU的区域。

     虽然当前北极并未形成真正意义上的臭氧“空洞”,但是在1997年和2011年北极臭氧的化学亏损基本上达到了到了生成臭氧洞的边缘,这引起大家的非常关心,如果由于气候变化,使北极平流层温度更低,时间持续更长,那么在极端情况下,出现北极臭氧洞的可能性也不能排除。

     南极地区除考察队员外,没有常住居民;人类大多数居住在北半球,北极臭氧的减少对于人类的影响应该超过南极,人们对北极臭氧减少的担忧也是理所当然的。对此关注是应该的,而恐惧则没有必要。即使是2011年3月份,北极大气臭氧总量接近有观测资料以来的最低值、北极地区的大气臭氧只有当地多年平均值的40%。但在低值区内,并没有出现低于220 DU的区域,低值区的大部分地区,臭氧总量大多在300 DU左右,也就是说,与大气臭氧的全球平均值相当。2011年3月北京地区上空的大气臭氧总量大致为375 DU,我国大部分地区也大多在350 DU以上,到达地面的紫外辐射也是正常的,不必惊慌。

                                        (三极风云 ,20140108)

10-关于雾凇

关于雾凇

1、        雾凇是如何形成的?

雾凇:空气中水汽直接凝华,或过冷却雾滴直接冻结在物体上的乳白色冰晶物,常呈毛茸茸的针状或表面起伏不平的粒状,多附在细长的物体或物体的迎风面上,有时结构较松脆,受震易塌落。

雾凇从成因和结构来看,常被分为晶状雾凇和粒状雾凇两种。晶状雾凇的冰晶呈针状、密度很小、结构疏松,多出现在严寒(低于-15℃)微风的天气里,由空气中过饱和水汽凝华直接形成;粒状雾凇常为由细小冰粒重叠冻结而成的不透明晶体,一般发生在气温稍低(-2 ~-7℃)及风速较大时,由过冷却雾滴或过冷却云滴在地面物体上冻结而成。

                                            2、        凇与雪,,凇等天气现象有什么不同?

   雪:固态降水,大多是白色不透明的六出分枝的星状、六角形片状结晶,常缓缓飘落,强度变化较缓慢。温度较高时多成团降落。

   霜:水汽在地面和近地面物体上凝华而成的白色松脆的冰晶;或由露冻结而成的冰珠。易在晴朗风小的夜间生成。

雨凇:过冷却液态降水(冻雨)碰到地面物体后直接冻结而成的坚硬冰层,呈透明或毛玻璃状,外表光滑或略有隆突。

大气地面凝(冻)结现象的特征和区别

天气现象

符号

外形特征及凝结特征

成因

天气条件

容易附着的

物体部位

  水珠(不包括霜融化成的) 水汽冷却凝结而成 晴朗少风湿度大的夜间地表温度0℃以上 地面及近地面物体

  白色松脆的冰晶或冰珠 水汽直接凝华而成或由露冻结而成 晴朗微风湿度大的夜间,地面温度在0℃以下 地面及近地面物体

雾凇

  乳白色的冰晶层或粒状冰层,较松脆,常呈毛茸茸针状或起伏不平的粒状 严寒时空气中水汽凝华而成(晶状)过冷却雾滴在物体迎风面冻结(粒状) 气温较低(-3℃以下),有雾或湿度大时 物体的突出部分和迎风面上

雨凇

  透明或毛玻璃状的冰层,坚硬光滑或略有隆突 过冷雨滴或毛毛雨滴在物体(低于0℃)上冻结而成 气温稍低,有雨或毛毛雨下降时 水平面、垂直面上均可形成,但水平面和迎风面上增长快

                              3、        吉林雾凇与其它地方的雾凇相比,最大的特点是什么?

冬季在我国东北吉林市松花江畔十里长堤上,经常会出现“遍地玉树、满目银枝”的绝妙佳景。这就是气象上的“雾凇”,俗称“树挂”。

在我国,从东北长白山区到西南的峨眉山,从新疆的天山到山东泰山,以至山西五台山、江西庐山和安徽黄山,冬季到处都能见到雾凇的踪迹。其分布特点为高山多于平原、北方多于南方、湿润地区多于干旱半干旱地区。吉林省长白山天池气象站一带,是我国雾凇出现最多的地方,年平均雾凇出现天数为179天,从秋季10月到来年3月,每月出现雾凇都在20天以上;峨眉山年平均142天,五台山111天。

据气象部门观测,在平原地区,雾凇的积冰直径一般为10~20 毫米,最大也不过30~40毫米,而在高山地区,则可达200毫米,1969年3月11日泰山气象站测得的雾凇积冰直径竟达272毫米。

我国是世界上有雾凇纪录最早的国家,在《中国三千年气象记录总集》中就可以查到,发生在公元前575年春秋鲁成公十六年的“正月,雨木冰”的雨凇纪录,以及发生在公元前33年汉元帝竟宁元年“大雾,树皆白”的雾凇记录。

有人把“吉林雾凇”与“桂林山水”、“云南石林”和“长江三峡”同列为中国四大自然奇观。“雾凇”是一种天气现象,与“山水”、“石林”和“三峡”列在一起并不太合适。“吉林雾凇”还是与“蓬莱蜃景”、“峨眉宝光”、“黄山云海”和“泰山日出”等“气象奇观”放在一起为好。而“桂林山水”、“云南石林”和“长江三峡”等则应与“贵州天坑”等“地理奇观”放在一起为佳。

    吉林雾凇与当地特殊的气候和地理环境有密切关系。冬季的吉林市,气温有六七十天在-20℃以下,而奇妙的是穿城而过的松花江水,居然可在冬日严寒里同样奔流不息。原来,从吉林市溯流而上十五公里就是著名的丰满水电站,冬季松花湖冰层下的水温高于冰点,湖水经电站大坝后,到达吉林的这段江面,源源不断地蒸发水汽,气温与水温的温差常达30℃,足够的低温和充沛的水汽,使空气中过冷的雾滴遇到冰冷的树枝便迅速凝华,水汽直接变为固态,形成雾凇(主要为晶状雾凇)。

由于拥有得天独厚的自然条件,所以吉林雾凇具有持续时间长、厚度大、出现频率高的特点。每年从12月下旬到翌年2月底,都是在吉林市观赏雾凇的最佳时节,最多时一年可出现60余次。

与吉林市类似,在黑龙江省伊春地区,有一条库尔滨河,河的上游有一个水电站。每到冬季,水电站发电放水的时候,伴随着水气的升腾,库尔滨河两岸茂密的树林上,也会形成独特的雾凇奇观。

观赏雾凇,讲究的是在“夜看雾,晨看挂,待到近午赏落花”。

 

中国气象科学研究院  陆龙骅 研究员  2013-3-7    CCTV10的采访

08-大气涛动

大气涛动:

欧亚大陆的寒潮等冷空气活动均与极地涡旋强弱及位置变化有着紧密的联系,极区及西伯利亚等冷源区的大气活动也直接影响我国及东亚的气温和降水变化。早在上世纪初,人们就发现大气中存在一些持续时间很长的永久性和半永久性大气涡旋活动中心,其中有的像“翘翘板”上下摆动变化。人们称之为“涛动”或“偶极子”,也就是对于处于高纬与中纬一对低气压与高气压涡旋活动,当其中之一气压或温度升高时,必然有另一个气压或温度降低,即极区气旋性涡旋(低气压)系统与中纬反气旋性涡旋(高气压)系统呈一对低气压与高气压环流间的“翘翘板”变化。每一个涛动都与一对涡旋活动中心有关,附图显示的就是与极涡有关的北极涛动对北半球天气气候的影响。除北极涛动外,还有徳国气象学家沃克(Walker)在上世纪二十年代,提出的三大涛动,其中的北大西洋涛动(NAO),反映的是北大西洋地区海平面气压场在南北方向的持续的反相变化,主要与冰岛低压和亚速尔高压的年际变化有关;北太平洋涛动(NPO)与阿留申低压和北大平洋副热带高压年际变化有关;南方涛动(SO)则反映了东南太平洋和印尼地区之间的反相气压变化,也与这二个地区的涡旋活动中心有关。在此基础上,人们研究了三大涛动与南亚和东亚夏季降水的关系。以后又发现了南方涛动与厄尔尼诺关系密切,故将SO扩充为EN-SO。上世纪末提出的“北极涛动(AO)”和“南极涛动(AAO)”, 则更是直接与极涡有关,它反映北极或南极与中纬度地区海平面气压的反向变化关系。这些“涛动”的活动及其异常对全球大气环流都会发生影响,也必然会影响中国的天气气候。2009年—2012年,北极涛动指数由原来的正值变成负值,也就是北极地区气压偏高,中纬度地区气压偏低,导致了北半球大范围异常寒潮天气的出现;而在此期间亚欧寒冷、北美偏暖则主要与北极极地涡旋“偏心”,偏向于亚欧一侧有关。

08-a08-b

               a. 低位相                                                            b. 高位相

附图:北极涛动低位相时大气环流和天气变化(高位相时相反)。图中给出了气压、风场和降水变化。蓝色表示温度异常偏低的区域,暖色表示温度异常偏高的区域。

中国气象科学研究院   陆龙骅 研究员    2012-03-13

 

07-北极气温升高以及北极甲烷气体释放

北极气温升高以及北极甲烷气体释放

陆龙骅

(中国气象科学研究院)

 

北极在地球的最北端。北极地区是一片被大陆包围的冰雪海洋,通常指北极圈(66°33′N)以北地区,包括北冰洋、边缘陆地海岸带及岛屿。它与南极地区一样,大部分地区终年为冰雪所覆盖,自然环境恶劣、气候寒冷、暴风雪频繁,是地球上气候敏感地区之一。我国位于北半球,人们对寒潮和冷空气活动都有亲身体验;对我国造成灾害的旱、涝、风、雹等天气气候事件也大多与冷、暖空气及其活动异常有关,来自北极的影响较南极更为直接。

北极和南极一样,包含了大气、海洋、陆地、冰雪和生物等多圈层相互作用的全部过程,是研究全球气候变化的关键地区。在全球变化,尤其是全球及区域气候变化中有重要作用。对北极的研究不仅有深远的政治意义、重大科学价值,而且具有潜在的经济和社会效益。

一、 北极气候增暖与全球变暖

近百年来,随着全球温度的升高,全球变暖成了世界各国科学家、政府和人民普遍关心的热点问题。最新的科学研究成果表明,1906-2005年全球平均气温上升了0.74℃,预计到2100年仍将上升1.1-6.4℃。

全球变暖并不是全球一致的,近30年来北极地区是全球增暖最显著的区域。近100 年来,北极平均温度几乎以两倍于全球平均速率的速度升高(图1)。不过,北极温度具有很高的变率,在不同时段,变化的情况也不同。如,在1925 至1945 年期间也观测到一个较长的暖期(图1、2),该时段内北极变暖的幅度几乎和现在一样(IPCC,2007)。但是由于此次变暖范围不是全球性的,主要出现在北半球,所以增温区的地理分布和近年来的全球增暖不一样。

 

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图1   近百年来观测到的全球温度变化

 

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 图2   近百年来北极和全球的平均温度变化

(纵坐标为相对于1800-2000年平均值的距平)

20世纪中国气候变化趋势与全球变暖的总趋势基本一致。近百年来观测到的平均气温已经上升了0.5℃~0.8℃,略高于全球平均,其中最暖的时期出现在20世纪90年代,最明显的地区是西北、华北和东北,长江以南地区变暖趋势不明显。与北极地区相同,我国在1925 至1945 年期间也观测到一个较长的暖期(图3)。预计到2100年,全国平均气温将升高3.9℃~6.0℃。

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 图3  近百年来我国和全球的平均温度变化

 

二、北极地区的急剧变化:尤娜谜

北极是全球气候变化最激烈的地区之一,其对全球变化的响应和影响主要体现在海洋、海冰和环流的变异。最近几十年北极地区发生了被称之为尤娜谜(Unaami)的近400年来最快速的变化(图4),引起全球科学家的关注。

“尤娜谜”这一词在北极因纽特(yup’ik)语中的意思为“明天”。将北极气候环境的快速变化称之为“明天”有“不可预知”、“不可控制”、和“谜一样的明天”之意;正如当初用西班牙语言“圣婴”(El Nino)来命名南美西海岸东太平洋海水的异常增暖现象一样,引起了人们的广泛注意。

科学家将“尤娜谜”界定为:近期正在发生的十年尺度(30~50 年) 的,与北极及邻近地区错综复杂的环境变化有关的综合现象。这些变化主要表现为:

 

  05-4

 图4 北极气候环境的快速变化

1、海冰范围每10年减小2.9%,厚度减少3-5%;

       2、北极陆地许多地区升温显著,最高升温达5℃;

       3、格陵兰冰盖在中心区边缘区以每年50km3速度融化;

       4、海冰和低盐度水输出增加,高密度水输出减少;

       5、冻土覆盖面积减少了7-15%、冻土消融,冻土带北移,春季欧亚雪盖减小10%,

       6、径流、雨量、融雪增加,海水盐度降低,海冰以及低盐度海水输出量明显增加;

       7、海水增温,大西洋水入流范围扩大,部分海域中层水温度增高1℃;

       8、北极气压下降,极涡加强,热量、湿度经向通量增加;

通常认为,“尤娜谜”与北极大气环流有关,是气候变化的组成部分,它通过海洋、陆地、海冰和大气的相互作用在气候变化中扮演重要角色,它的物理变化对北极的生态系统与人类社会产生很大的影响。

 

三、北极变化对生态系统和人类社会的影响

极地环境的变化跟地球其它区域的变化息息相关。北极地区是全球增暖最显著的区域,北极对增暖反应非常敏感,可能将对人类社会产生巨大影响。数值模式结果表明:北半球增暖最强的将是北冰洋地区。假如到2070年,CO2浓度增加1倍,北极圈内气温将平均上升2.2~3.9℃。到2100年,多年厚度为2~3米的多年生北极海冰将会消失。近几十年来发生在北极地区大气、海洋、陆地领域中的各种重要的环境变化, 对北极环境的各个方面产生影响, 并正在影响生态系统、生物资源并反馈到人类社会, 进而影响区域的乃至北半球的经济活动。

海冰、海洋变化影响海洋生态和基本营养盐、溶解有机物的生物地球化学循环,对生物、生态系统和社会经济产生重要影响。北极海冰的不断消退,使海冰之间的水域逐渐扩大,给北极熊、海豹、海象等北极动物的栖息地带来很大的威胁。

永冻土也是冰的一种形式,极地永久冻土发生的热力状况的改变和冻土的消融,不仅改变了当地的生态和水文,也使得土壤的结构稳定性发生改变,在此过程中,也会释放出一部分冷冻的碳,例如,甲烷等温室气体。多年冻土层热力状况的变化会影响江河径流、供水、碳交换和景观稳定,并会对基础设施造成损坏。在北极圈内永冻土开始消融,导致一些建筑物、道路和管道的基础开始松动,对当地的野生动物和居民都有不同程度的影响。

极地的改变,发生在有着4百万居民生活的北极地区。当地居民正面临着自然环境、资源和食物的急剧变化,变化的速度和幅度都是超过以往经验和传统知识的。除此之外,北极居民还要面对由于大气和海洋的搬运作用,从全球各地输送和汇集到这里的污染物对他们健康产生的威胁;气候快速变化,对健康产生的一些未知的风险;快速发展的工业、极地能源资源的开采以及交通商业活动等等对他们生活的重重压力。冰雪的变化也影响了局地和全球的水循环。雪和积雪的减少,导致那些依靠雪水在春夏季进行农业灌溉的地区大受影响。

极地气候和大气环境变化对全球大气环流,特别是我国天气气候也会发生影响。我国位于北半球,北极冷空气对我国的影响早为人熟知,对我国造成灾害的旱、涝、风、雹等天气气候事件也大多与冷、暖空气及其活动异常有关。北极区域是我国冷空气的主要源地,来自北极地区的寒流,一般是经西北部、北部和东部三条路径进入我国境内;冷空气路径不同,对我国天气的影响也不同。例如,2008年春季,中国南方低温雨雪冰冻天气灾害,就与冷空气活动频繁、路径偏西,及青藏高原南侧和西太平洋的暖湿空气活跃等有关。

北极地区战略地位特殊、资源潜力大,北冰洋海底蕴藏着巨大的油气和矿产资源,那里还有巨大的鱼群以及具有战略意义的重要航运通道。按目前北极海冰缩减速度,北冰洋的 “西北航道”和“东北航道”有望在2030年完全开通,北冰洋航道将成为北美洲、北欧地区和东北亚国家之间最快捷的黄金通道。在全球变暖环境下,北极气候系统各圈层的急剧变化及2007年8月俄罗斯在北极海底的插旗行动,近一步加速了美、俄等环北极国家对北极的争夺。这场争夺战有巨大的政治、经济和军事利益,得到了世界各国的共同关心。

 

四、北极变化与甲烷气体释放

当前,地球气候正经历一次以全球气候变暖为主要特征的显著变化,这种变化是由自然的气候波动和人类活动共同引起的。但近百年来全球平均温度的升高,很可能是由于人为温室气体浓度增加所致;过去50年,各大陆(南极洲除外)可能出现了显著的人为变暖。

大气是人类和地球生物不可缺少的生存环境。在自然状态下,大气是由混合气体、水汽和杂质组成(水汽量变化很大,典型的体积比为1%);除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。 干洁空气的主要成分为78.1%的氮,20.9%的氧,0.93%的氩。这三种气体占总 量的99.96%,其它各项气体含量计不到0.1%,这些微量气体包括氖、氦、氪、氙等稀有气体。至少在80 km以下的均质层,大气是充分混合的,上述气体的含量几乎可认为是不变化的,称为恒定组分。

在干洁空气的易变成分中,有一些被称为温室气体的气体。这是一些大气中自然或人为产生的气体成分,虽它们在大气中的含量极少,大部分被称为痕量气体;温室气体能像温室玻璃或塑料大棚的薄膜一样,透过太阳短波辐射和吸收地面长波辐射,这就像给地球裹了一条被子,起到了保温作用,从而使地球变暖(图5)。

 

 05-5

   图5 地球大气的温室效应 

在《京都议定书》中的规定的,与人类活动有关的温室气体主要有六种,即二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(CFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF6)等。在工业化时代,所有这些气体在大气中都有明显增加。除干洁空气中的温室气体外,大气中的水汽和臭氧也是温室气体,但由于水汽和臭氧在不同时间和地点变化很大,且水汽在大气中的变化并不直接受人类活动影响,因此,人们在讨论温室效应时一般不讨论它们。

自工业化时代以来,人类活动引起了全球温室气体排放增加,其中在1970-2004年期间就增加了70%。通常认为,工业革命之来大气中二氧化碳浓度的增加是导致近百年了全球变暖的元凶(表1)。二氧化碳是一种可以自然生成的气体,主要由化石燃料(如:石油、天然气和煤)和生物燃料燃烧、以及土地利用变化和其它工业流程所产生的,是影响地球系统的主要人为温室气体,对全球升温的贡献达63 %。目前大气中二氧化碳浓度,已从工业革命前的280ppm增加到2005年的379ppm(10-6,百万分体积比),是地球历史上65万年以来的最高值,过去十年中大气二氧化碳浓度以每年1.8ppm 的速度增长。大气中二氧化碳浓度急剧增加的原因,主要是由于大量燃烧化石燃料和大量砍伐森林等导致土地利用变化所造成的。其中,化石燃料燃烧产生二氧化碳的年排放量,从20世纪90年代的平均每年64亿吨碳(235亿吨二氧化碳),增加到2000-2005年间的每年72亿吨碳(264亿吨二氧化碳);与土地利用变化相关的二氧化碳的年排放量的估计值,在20世纪90年代为16亿吨碳(59亿吨二氧化碳)。

 

温室气体

当前浓度

(ppm 10-6

生命期(年) 增温效应(以二氧化碳为基准) 在温室气体中对升温的贡献

二氧化碳(CO2

379.0

5-200年

1

63 %

甲烷(CH4

 1.774

12 年

25

18 %

氮氧化合物(N2O)

    0.319

114年

298

 6 %

含氟化合物 氟氯碳化物(CFCs)

0.000400(CFC-12)

100年

10900

12 %

全氟碳化物(PFCs)

    0.000080(CF4

50000年

7390

1 %

六氟化硫(SF6

0.000005

3200年

22800

表1    主要温室气体的当前浓度、生命期、增温效应和对升温的贡献

(据政府间气候变化专门委员会评估报告,气候变化-2007)

 

甲烷在温室气体中名列第二,目前已从工业化前的0.715ppm增加到2005年的1.774ppm, 一个甲烷分子的温室效应是一个二氧化碳分子的25倍。

 甲烷是大气中含量丰富的有机化合物,它是天然气、沼气和煤气的主要成分;甲烷不可能在大气中通过化学反应自行合成,而是来源于地面。据估计每年进入大气中的甲烷总量为4-6亿吨,其中大多与人类的活动有关。与甲烷释放有关的人为源包括:天然气泄漏,石油、煤矿开采及其它生产活动,热带生物质燃烧,反刍动物排放,城市垃圾处理场,稻田排放等;自然源包括:天然沼泽、湿地,河流湖泊、海洋,热带森林,北极苔原等。甲烷的生物排放是大气甲烷的主要来源。在生态系统中产生甲烷必须具备三个条件:一是存在厌氧环境,如人工沼气池必须密封性好,通风、漏气的沼气池产生不了沼气;二是存在有机物和水分;三是适合发酵菌和产甲烷微生物生存和繁殖的恰当的温度。

在20世纪90年代,大气中的甲烷总排放量(人为与自然排放源的总和)已趋于稳定,大气中的甲烷浓度不处于增长状态。而目前,北极上空的甲烷浓度在经过长达10年的稳定状态之后,现在开始呈现上升态势。在北极斯瓦尔巴群岛新奥尔松地区,也就是我国北极黄河站所在地,齐柏林大气监测站(图6)的数据表明:大气中的甲烷含量,继2007年增加了0.6%之后,2008年再度增长0.6%。这引起了社会各界对大量甲烷可能从永久冻土带中逃逸的担忧。

 在北极冰冻圈中,封存了大量的碳,其中既有元素碳、有机碳,也有固态的天然气水合物(甲烷冰,可燃冰)和气态的天然气(石油天然气、煤层和泥碳层等)。北极气温升高,更有利于发酵菌和产甲烷微生物生存和繁殖;加之北极冻土消融、海冰融化带来的北极地区天然沼泽、湿地面积增加;北极苔原冰冻时间缩短;河流湖泊、海洋无冰面积增加等也都导致了北极地区甲烷气体释放的增加。此外,北极变暖加速了石油、煤矿开采,北极航道开通及其它生产活动,也会增加了甲烷气体的释放。

甲烷是除二氧化碳之外的第二大温室气体,人类活动造成的温室效应大约有18%要归结于甲烷。西伯利亚或者加拿大等地的永久冻结带一旦解冻,可能导致存储其中的温室气体大量释放,进而加速全球变暖。

 

 05-6

 图6  挪威齐柏林(Zeppeling)大气监测站 

二氧化碳和甲烷是温室气体的主要成员,它们在温室气体中对升温的贡献达81%。此外,在《京都议定书》中的规定的温室气体还有氮氧化合物(N2O)和人造含氟化合物(氟氯碳化物(CFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF6))。与二氧化碳和甲烷相比,其它温室气体的温室效应更高,氧化亚氮为298,卤烃类和含氟化合物的增温效应则为二氧化碳的数千倍到万倍,不过由于二氧化碳含量远大于其它气体,因此它的温室效应仍是最大。

氮氧化合物(N2O)也是人类活动排放的,例如燃烧化石燃料,在汽车、火车尾气,火力发电厂和工业废气中就有大量的氮氧化合物,此外,它还在使用肥料及土壤和水中由多种自然源产生。目前氮氧化合物的浓度已从工业化前的0.270ppm增加到2005年的0.319ppm,对全球升温的贡献为6 %。

氟氯碳化物(CFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF6)等都是人造的化合物,在工业化前大气中是没有的。它们不但是温室气体,还是消耗臭氧层的物质。其中的氟氯碳化物的代表性物质就是大家熟知的氟里昂,原以为这种人造物质品质超群,能造福人类,故曾被广泛用于制冷设备和气溶胶喷雾罐,后来才发现它们是破坏大气臭氧层、形成春季南极臭氧洞的罪魁祸首。这类物质大多寿命很长,进入平流层后,在低温的冰晶云表面,会释放氯和溴离子,在太阳紫外线照耀下破坏臭氧。由于旨在保护臭氧层的《蒙特利尔议定书》的实施,氟里昂等气体的浓度正在下降。全氟碳化物(PFCs)是炼铝和铀浓缩的副产品,在半导体生产中也是氟里昂的代用品;六氟化硫(SF6)则常作为高压设备的绝缘体及在生产电缆冷却系统和半导体设备使用。虽这两种工业氟化气体在大气中的含量更少,但增温效率极高,且含量正在迅速增加,故对气候系统的危害也不能忽视。

 

五、结 语 

目前,全球的地面平均温度约为15℃。如果没有大气,地球的地面平均温度将是-18℃,根本不适合人类和地球上各种动植物的生存;这33℃的温度差就是得益于地球有大气、有温室气体,温室效应像被子一样包裹了地球,呵护了地球上的生灵。地球大气的温室气体,在地球生物和文明的发展过程中作出了贡献;但自工业革命以来,人类活动引起全球温室气体排放的急剧增加,搅乱了原有的平衡,导致近百年来出现了以全球变暖为主要特征的显著变化,对全球自然生态系统产生了明显的影响,对人类社会的生存和发展带来了严重挑战。

北极地区是全球增暖最显著的区域,北极对增暖反应非常敏感,可能将对人类社会产生巨大影响。我国位于北半球,来自北极的影响较南极更为直接。我国正在加大对北极科考的投入和拓宽考察范围,并对相关的一手科考资料加以分析研究,积极应对与我国安全与可持续发展有关的各种机遇和挑战。

对于北极增暖导致的北极甲烷气体释放,很难采取有效对策。甲烷是天然气、沼气和煤气的主要成分,除对固态的天然气水合物(甲烷冰,可燃冰)和气态的天然气(石油天然气、煤层和泥碳层等)可以开采或设法收集利用外;对在全球增暖的背景下,北极天然沼泽、湿地,河流湖泊、海洋,苔原等地的有机碳,由产甲烷的厌氧微生物自然排放的甲烷,则很难收集利用。人们可以做的是,考虑到全球增暖导致的北极甲烷气体释放的事实,更快地达成国际共识,有效地减排以二氧化碳为主的各种温室气体。

“人类只有一个地球”,环境被污染后,其影响往往很难消除。对于目前出现的环境问题,国际社会正在进行共同努力,作为一个成功的范例,随着保护臭氧层的《蒙特利尔议定书》的实施,氟里昂等类气体的浓度正在下降。对《京都议定书》中的规定的,与人类活动有关的温室气体的减排,国际社会也正在协商落实。全球气候变化问题,不仅是科学问题和环境问题,而且是有关各国能源、经济、政治和发展的问题。我国一贯重视在发展经济过程保护环境,把保护环境和积极应对气候变化工作作为一项基本国策,积极参与国际合作,在淘汰消耗臭氧层物质和减排温室气体等方面也做出了努力。我国是二氧化碳等温室气体的排放大国,虽目前人均二氧化碳排放量仍稍低于全球平均水平,但我国单位国内生产总值的温室气体排放量仍比较高,到2025年有可能成为温室气体排放最多的国家,形势十分严峻。我国应坚持“节约能源、优化能源结构、提高能效”等能源政策,减少二氧化碳等温室气体的排放,和世界各国一起,为实现全球可持续发展进行不懈的努力。

06-海市蜃楼

海市蜃楼 

大家都知道,在均匀介质中,光线是直线传布的;而实际大气恰是非匀质的,在近地面大气中除了存在水滴、冰晶、气溶胶、气体分子等浮悬物外,由于温度的反常分布也会造成空气密度反常分布。此时光线就会发生反射、折射、衍射、散射等改变行进方向,折射率等与波长有关, 从而发生绚丽多彩的大气光象。

海市蜃楼(mirage 米拉奇)亦称蜃景,是一种在空气密度反常分布的大气中出现的光学折射现象。大气中由温度在垂直或水平方向的剧烈变化,引起了大气密度的分布异常,在温度高的地方空气较轻、密度小,而在温度低的地方空气较重、密度较大。当光线经过空气密度反常分布的区域,就发生显著的折射,如光线由密度大的光密介质射向密度小的光疏介质时光线将向上翘(折射角大于入射角),反之,光线将向下弯(折射角小于入射角)。从而使人们观测到远处的景物象悬浮在空中或在地平线下的奇异幻景。按蜃景出现的方位,可分为上现、下现、侧现和复杂蜃景;而按发生地点,可分为海蜃、沙漠蜃、山蜃、湖蜃等,除中低纬度地区外在极地地区也常有发生。蜃景可以是正的、也可以是倒的或反的;可以五彩的也可以是黑白的;可以出现山川、城市,也可有庭台楼阁;可以与实物并现,也可不见实物、仅见蜃景。

观察者所在地的大气存在空气密度反常分布是海市蜃楼形成的必要条件,而这种通过折射后的光线能够到达观察者的眼中,也就是观察者所在位置是否合适,则是能否看到海市蜃楼的充分条件。

自古以来,海市蜃楼就为世人所关注(《周礼 春官》 十煇  想),有人向往仙境(秦皇、汉武妄想长生,派人出海访寻仙境) ,有人为之恐惧(魔鬼化身、死亡凶兆),也有人探寻其中奥秘。

在我国,长岛是中国海市蜃楼出现最频繁的地域(特别是七八月间的雨后)。我国渤海中有个庙岛群岛,在夏季,白昼海水温度较低,近地面经常有逆温,空气密度会出现显著下密上稀的差异,在渤海南岸的蓬莱县(古时又叫登州),常可看到庙岛群岛的幻影。宋朝时候的沈括,在他的名著《梦溪笔谈》里就有这样的记载:“登州海中时有云气,如宫室台观,城堞人物,车马冠盖,历历可睹。”这就是他在蓬莱所看到的上现蜃景。

广东的惠来也因海市蜃楼的频繁出现而广为人知。海市蜃楼常出现于神泉港西南海面,时间多在春夏之交,天将大雨前夕。“海市蜃楼”的出现次次有异,有古代的台榭、亭阁,有现代的高楼大厦,还曾出现过日本侵华的战争场面。同一次蜃景也变幻莫测,景象万千:时而勇士披坚执税,万台奔腾,时而曲苑、酒旗,仕女嬉游,或隐或现,若远若近,蔚为壮观。蜃景出现有一年一次或数年一次,也有一年两次。长则几小时,短则十几分钟,甚至一瞬即逝。

近年来,在许多报刊和互联网等媒体上刊登了不少关于渤海湾和蓬莱地区出现“海滋幻景”的消息,“海滋”是否属蜃景?其形成原理在本质上与海市蜃楼有无区别?

“海滋”一词,是数百年来为渤海湾地区岛民所沿用的,他们将所看到的“目所能及的海岛,常呈底部下凸,两端翘起等漂浮现象”称之为“海滋”,意思是:这种幻象是由目见的或海洋上的物体滋生变形而成的。“海滋”这个名称虽早就流行于渤海诸岛民间,但只是一种“口头术语”,1984年后才散见于报刊和媒体报道之中。早在20年前,南京气象学院王鹏飞教授就专程到“海滋”一词的发源地,即地处渤海湾地区的长岛、蓬莱等地调研,对“海滋”名称的由来及形成原理进行了研究。王鹏飞教授指出,“海滋”应属于渤海常见的“下现倒蜃”现象,是一种地方性的蜃景”,归根结底是由于大气密度层结倒置(下疏上密)所造成的。“海滋”与“海市蜃楼”从形成原理上来说,都是“在空气密度反常分布的大气中出现的光学折射现象”,在本质上并无区别;也不能以实物在当地能否见到作为区分“海市”和“海滋”的标准。

“海市蜃楼”这种“在空气密度反常分布的大气中出现的光学折射现象”,英文叫“米拉奇”(mirage),中文译为“海市蜃楼”,已不再专指“海市”,应该包括海蜃、沙漠蜃、山蜃、湖蜃、路蜃等,除中低纬度地区外在极地地区也可发生外,夏季在沙漠或柏油马路上有时也可出现与“海滋”相似的“下现倒蜃”。 

 中国气象科学研究院   陆龙骅 研究员   2011-06-29

05-北极果真出现臭氧空洞?

北极果真出现臭氧空洞?(辽宁日报,2011-04-29)

 今年春季,北极地区出现臭氧低值区,臭氧损耗创下历史新高,一时间“首个臭氧空洞已经形成”、“北极上空疑现臭氧洞,面积大如美国大陆”、“皮肤癌风险或将提升”等报道铺天盖地,众说纷纭。 
    北极真的出现臭氧空洞了吗?北极地区出现臭氧低值区的原因有哪些?会不会给我们北半球的居民带来不良影响?我们请多年从事极地气象研究、曾5次赴南北极科学考察的中国气象科学研究院陆龙骅研究员为我们解读。 
    臭氧层是地球生命的保护伞 
    辽宁日报:全球臭氧减少,与全球变暖一样,是人们广泛关注的热点问题。为什么人们那么关心臭氧的变化呢? 
    陆龙骅:要了解这个问题,就应该先从臭氧说起。和氧气不同,臭氧是由3个氧原子组成的一种痕量气体,主要分布在平流层。在标准情况下,如果把大气中的臭氧收集起来,全球平均累积厚度仅为3毫米左右,即只相当于两个5分硬币的厚度。臭氧总量通常用多布森单位(DU)来度量,1个多布森单位指的是,标准状况下臭氧累积厚度为0.01毫米,3毫米就是300DU。臭氧能大量吸收来自太阳的紫外辐射,臭氧层是地球生命的保护伞。 
    辽宁日报:这区区的3毫米就能够保护我们人类了吗? 
    陆龙骅:可别小看这3毫米,极端地讲,若没有臭氧层,我们赖以生存的地球就会在对生物有致命杀伤的太阳紫外线面前毫无遮拦,其结果将是地球生灵的灭绝。 
    辽宁日报:大气中臭氧的减少会给我们带来什么样的灾难? 
    陆龙骅:臭氧主要分布在平流层中,全球臭氧层减薄的危害,大体有以下三个方面:一是对人类健康的影响,臭氧每减少1%,皮肤癌发病率将增加2%-4%,白内障患者将增加0.3%-0.6%。二是破坏地球生态平衡,臭氧层的减薄也会使动物产生白内障,野生动物没有自我保护能力且又常在野外,视力不仅易于丧失,而且丧失的结果意味着丧失生存能力;强烈的紫外线还会使农作物和植物受到损害,使浮游生物,鱼苗、虾、蟹幼体和贝类大量死亡,造成某些生物灭绝,进而影响全球生态平衡。三是通过光化学烟雾恶化近地面大气环境。高层大气中臭氧层减薄使到达地面的紫外线增强,增强的紫外线使城市中汽车尾气的氮氧化物分解,形成以臭氧为主要成分的光化学烟雾。美国环保局估计,如高空臭氧层耗减25%,城市光化学烟雾频率将增加30%。 
    在接近地面的对流层中,臭氧的含量不多,尤其是在近地面,臭氧是一种对生态系统有害的污染物。这就是说,在高空的平流层中,臭氧是“好”的;而在近地面的对流层中,臭氧是“坏”的。 
    辽宁日报:最近,中国“风云三号”卫星传来了最新的监测结果,它所携带的臭氧总量监测仪在北极上空监测到了一个明显的臭氧低值区,在该低值区内臭氧总量是正常情况下平均值的一半左右。说到臭氧减少,一般提到的都是南极,今年北极的臭氧减少情况如何? 
    陆龙骅:自上世纪70年代末以来,全球臭氧总量是下降的,尤其是在南极地区下降最明显。 
    近几十年来,北极地区的臭氧也是减少的,但迄今为止,还未出现过像南极那样的“臭氧洞”。 
    今年3月份,北极大气臭氧总量接近有观测资料以来的最低值。往年春季,北极地区经常是臭氧总量为400—500DU的高值区,而今年由于平流层极地涡旋温度偏低,在北极出现了亏损40%的异常低值中心,北极地区的地基大气臭氧观测站,美国、欧洲和我国的气象卫星都观测到了这一现象。 3月15日—19日北极大气臭氧亏损范围最大,北极80°N以北地区的大气臭氧总量都在300DU以下;3月20日后臭氧低值区向格陵兰和东西伯利亚伸展;从3月初以来,北极臭氧低值区中的大气臭氧总量大多在 250DU以上,只有3月7日、3月20日、3月21日、3月25日,短暂出现过225—250DU的区域。 
    今春北极的臭氧低值区还不能称为“北极臭氧洞” 
    辽宁日报:我看到一些报道认为北极此次观测到的臭氧低值区就是臭氧洞,我们一般以什么标准来判断大气中是否出现臭氧空洞? 
    陆龙骅:虽然此前国内外都有媒体报道“北极首现臭氧洞”,但我认为媒体的这种报道并不确切,因为并不是所有的臭氧低值区都能称为臭氧洞。以南极春季出现的臭氧洞为例,“南极臭氧洞”至少有三个特点:数值低(220DU以下)、范围大(低值区的面积以百万平方公里来度量)、持续时间长(能持续2-4个月)。 
    虽然今年3月份北极大气臭氧总量接近有观测资料以来的最低值,北极地区的大气臭氧只有当地多年平均值的40%,但从3月6日到3月30日,北极臭氧低值区的大气臭氧总量大多在250DU以上,并未低于220DU,尚不符合“臭氧洞”数值低的特点,更没有出现大范围和持续时间长的低于220DU的低值区。目前北极平流层的温度已经升高,极涡减弱,北极地区大气臭氧的减少过程已终止。 
    因此,从严格的科学意义上来讲,不能说“北极首个臭氧洞已经形成”,迄今为止,在北极还并未出现过臭氧洞。 
    辽宁日报:北半球污染更为严重,为什么北极没有形成臭氧空洞,而南极就出现了? 
    陆龙骅:春季南极臭氧洞的出现,有一个充分条件,还有一个必要条件,二者缺一不可。 
    大气中存在人类活动排放的氟利昂和溴化烃等消耗臭氧层的物质,是春季南极臭氧洞形成的充分条件;春季南极平流层极地涡旋中的低温(低于-78℃),是南极春季臭氧洞形成的必要条件。只有在平流层低温(温度低于-78℃)条件下形成的冰晶云或液态硫酸气溶胶表面吸附了大气污染物质,才能在太阳光照耀下,通过光化学反应大量消耗臭氧,在南极春季形成臭氧洞。 
    北极更加接近人类活动的地区,北极大气中污染物的浓度也比较高,但是它不满足形成臭氧洞的必要条件。南极地区是一块由海洋包围的冰雪大陆,而北极却是一片由大陆包围的冰雪海洋。海陆分布的差异,对气候和大气环流产生了很大影响。例如,全球最低气温出现在南极地区,南极的最低气温至少比北极低20℃;在平流层极地涡旋中,南极的温度也低于北极。虽然北极冬季平流层极地涡旋中的温度也能低于-78℃,但在极夜过后的春季,北极平流层极地涡旋中的温度大多在-78℃以上,在春季北极平流层中,很难满足形成冰晶云的低温条件。这就是说,北极春季没有臭氧洞,与北极春季平流层温度高于南极春季、平流层冰晶云等很少出现有关。 
    氟利昂等对臭氧层的破坏影响可维持几十年至百年 
    辽宁日报:早些年,科学家告诉我们,人类活动排放的氟利昂和溴化烃等消耗臭氧层的物质,造成大气中臭氧的减少。 
    陆龙骅:现在,越来越多的证据表明,人类活动是臭氧层减少的直接原因。大气中存有人类活动,诸如制造电冰箱和空调器等排放的氟利昂、溴化烃等含氯和溴的消耗臭氧层物质,这是春季南极臭氧洞形成的充分条件。 
    辽宁日报:经过这么多年的治理,为什么北极还会出现这样的情况? 
    陆龙骅:此次北极惊现臭氧低值区,虽未达到“洞”的标准,但还是有些让人揪心:北极臭氧耗损严重是不争的事实。但这并不意味着我们人类的努力收效甚微。前面我们已经提到,臭氧洞的出现,有一个充分条件,还有一个必要条件,二者缺一不可。根据研究发现,大气中污染物质的浓度,包括氟利昂的浓度,在南极地区也好,在北极地区也好,增长的速度在减慢,目前基本上处于平稳状态,并慢慢开始下降。但我们必须还要考虑到一点:环境破坏后,恢复起来总是很难。氟利昂等消耗臭氧物质排放到大气中后,在大气中寿命都很长。即使目前人们不再向大气排放这类污染物,其对臭氧的破坏影响仍可以维持几十年至100年。在目前大气环境被破坏的情况下,无论是南极还是北极,大量消耗臭氧的充分条件总是满足的,关键在于能否出现形成平流层冰晶云的低温条件。南极春季,能满足出现臭氧洞的必要条件,因此春季南极臭氧洞仍将出现;在北极很难满足出现臭氧洞的必要条件,只是当春季平流层温度异常偏低时,仍有可能在春季出现臭氧低值区。南北极大气臭氧亏损的程度将随大气环流,特别是极地涡旋的状况而发生变化。 
    辽宁日报:人类多数居住在北半球,北极臭氧的减少对于人类的影响应该超过南极吧? 
    陆龙骅:南极地区除考察队员外,没有常住居民;人类多数居住在北半球,人们对北极臭氧减少的担忧也是理所当然的。对此关注是应该的,而恐惧则没有必要。即使是今年3月份,北极大气臭氧总量接近有观测资料以来的最低值、北极地区的大气臭氧只有当地多年平均值的40%。但在低值区内,并没有出现低于220DU的区域,低值区的大部分地区,臭氧总量大多在300DU左右,也就是说,与大气臭氧的全球平均值相当。 2011年3月北京地区上空的大气臭氧总量大致为375DU,我国大部分地区也大多在350DU以上,到达地面的紫外辐射也是正常的,不必惊慌。 
专家档案 
    陆龙骅 中国气象科学研究院研究员,享受国家政府特殊津贴。长期从事青藏高原和南北极考察、极地气象与全球变化、数学在天气气候学中的应用等方面研究。 
□本报记者/张晓丽