【南方日报】揭秘如何对灰霾天气先知先觉?

发布日期:2015-01-04阅读:4510 次

      

在番禺大气成分观测站的能见度观测仪


中国气象局广州热带海洋气象研究所提供


    秋冬季节,每当冷空气许久不到的时候,雾霾现象以及空气质量的变化就常受到人们关注。我省一直对大气污染防治与信息公开高度重视,自去年底各地市环保部门按“新国标”逐小时发布空气实况后,今年10月开始,广州、深圳、佛山三市环保部门与气象部门联合率先发布每日空气质量预报,让市民提前做好空气状况变化的应对。广东更是全国首创灰霾预警信号的地区,自2006年实施灰霾预警以来,又在2010年起在常规天气预报中加入了灰霾的预报。

  今年,省部合作共同推进的《广东省全面深化气象管理体制改革实施方案》明确提出,年内完善环保和气象部门重污染天气监测预报预警会商机制,气象部门应及时发布灰霾预警预报信息,会同环保部门联合发布空气质量预警预报信息。

  目前,全省所有市县已开展能见度、雾、灰霾的自动观测,为灰霾及时预警预报发挥了重要作用。此外,依托现代化的气象观测站网以及先进的数值预报技术,珠三角地区实现3公里分辨率的未来72小时灰霾、大气成分的数值预报,大华南区域实现9公里分辨率未来96小时的数值预报。

  近日,南方日报记者实地考察并采访权威专家,为读者解开灰霾与空气质量“先知先觉”背后的奥秘。

  文/图 南方日报记者 谢庆裕 通讯员 董永春


    观测

  全省86站自动观测雾与灰霾

  “以前能见度是靠人眼判断,但受远处标识物大小不一,各人视力差异等因素影响,肉眼判断有一定的个体差异而且难以实现24小时连续不间断观测。自动化能见度观测则解决了这一难题。”

  在广州番禺南村镇141米高的大镇岗山顶,一座“头顶”各种探头,外形仿似集装箱的监测站架设在半空的平台上,显得特别显眼。监测站的铁门都经过特别加固,里面放置着大大小小的精密仪器,各种屏幕上刷新着能见度、灰霾、PM2.5、PM1、臭氧、二氧化硫、氮氧化物等污染物浓度和气象数据。

  “别看山里树木葱茏,山下就是住宅楼盘和车水马龙的番禺主干道,这里的空气不算好也不算坏,基本能够表征珠三角城市大气成分的平均状态”。负责大气成分观测业务的中国气象局广州热带海洋气象研究所工程师李菲说。

  李菲告诉记者,该站点全称叫中国气象局广州番禺大气成分观测站,与旁边的大气物理与化学实验室大楼一起,组成华南区域气象中心大气成分综合观测基地的主站。而在珠三角还有12个子站,形成大气成分观测业务站网。

  与一般的气象站主要观测气温、湿度、风向、风力等基本气象要素不同,大气成分观测站还观测能见度、散射系数、消光系数、气溶胶光学厚度、纳米级颗粒物的粒子谱与成分谱,以及各种污染物质量浓度。例如观测灰霾,就离不开能见度观测仪器,该仪器由两个仿似摄像机的“探头”组成。

  “以前能见度是靠人眼判断,但受远处标识物大小不一,各人视力差异等因素影响,肉眼判断有一定的个体差异而且难以实现24小时连续不间断观测。自动化能见度观测则解决了这一难题。”李菲说。能见度仪的其中一个“探头”发射出一定波长的光束,另外一个“探头”接收经过一段路径衰减后的散射光束强度,通过物理学的散射理论方法就可以测算出能见度。“能见度在15公里以下时,人眼和仪器的识别是相对一致的,在15公里以上时,人眼与仪器的差别就比较大。”

  广东已在86个县的气象台站建立了能见度观测仪并观测灰霾。除了能见度观测,番禺大气成分站还进行PM10、PM2.5、PM1,散射系数与吸收系数,成分谱与粒子谱等观测。“如散射系数观测就是对能见度观测的一个很好补充。颗粒物对大气的消光能力是散射能力加吸收能力,其中,散射系数观测通过把颗粒物干燥后观测,可以得到去除湿度后干颗粒物对能见度的消光贡献,从而可以估计颗粒物中水分对能见度的消光作用。目前广州番禺大气成分站具有很强的气溶胶吸湿特性的观测能力,这是由于在春夏季节华南天气具有高温高湿的气候特点,能见度的恶化通常由于高湿度所引起。”李菲说。

  此外,在大气成分站还进行各种颗粒物在线监测方法与人工标准方法的比对,为提高PM2.5等污染物监测准确性的相关科学研究提供基础资料。

  
预警

  中重度灰霾天气发布预警信号

  在一般的大气成分观测站中,能见度、湿度、PM2.5等污染物质量浓度都成为观测的主要要素。

  事实上,能见度、颗粒物等要素的监测不仅用于对灰霾现象的监控,更为灰霾与空气质量预警预报提供基础资料与事后验证的重要参考。

  按照我国的气象行业标准,霾(灰霾)的辨识条件首先应该排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等天气现象造成的视程障碍,当能见度小于10公里,相对湿度小于80%,判识为霾(灰霾);当相对湿度为80%~95%时,应该按照地面气象观测规范规定的描述和大气成分(如PM浓度)指标进一步辨识,把pm2.5是否超过限值75微克/立方米,作为判识霾的参考依据。

  “其实,当相对湿度大于95%时,只要此时大气还没有达到‘饱和或过饱和’的状态,此时出现的小于10公里的低能见度情景,也可能是灰霾现象,这种情况下,湿度对能见度的恶化作用很大。”中国气象局广州热带海洋气象研究所环境气象团队首席专家邓雪娇说。

  而据《广东省突发气象灾害预警信号发布规定》的规定,当出现或预计12小时内可能出现能见度

  所以,在一般的大气成分观测站中,能见度、湿度、PM2.5等污染物质量浓度都成为观测的主要要素。

  省气象局介绍,目前已在全省所有市县开展能见度、灰霾的自动观测。为了准确观测灰霾,研究其成因,气象部门进行了包括PM2.5在内的大气成分观测,珠三角有11个气象站已开展PM2.5的观测,去年新增6个,包括广州塔数百米高空这样的特殊位置也设立了观测点。此外,气象部门还通过气象卫星遥感、激光雷达、不定期的人工影响天气的飞机以及探空气球探测等手段,形成地面到高空的珠三角大气成分立体观测网络。

  气象部门监测表明,2004到2007年为珠三角灰霾的高峰期。近10年来,随着转型升级与大气污染治理力度加大,珠三角地区主要城市的灰霾日数总体呈下降趋势。“不过如果从灰霾预警次数来看,2013年全省一共发布194次黄色灰霾预警信号,而今年以来已经发布了386次。但这并不代表今年的灰霾比去年多,而是我省灰霾观测站点加密,预警手段更加及时完善的原因。”邓雪娇说。

  
预报

  3.5小时内作出72小时预报

  今年GRACEs模式系统已经成功由高性能计算集群移植到高性能超级计算机,可以为未来72-120小时的空气质量状况预报提供支撑,运算时间由原来的15小时缩减到3.5小时。

  如果说观测着眼于业已发生的天气现象。对灰霾以及空气质量先知先觉,提前预判,则需要借助高性能计算机进行复杂庞大的运算以及预报员丰富的经验修订判断。

  “以前的天气预报是凭经验看出来的,现在的天气预报是根据观测资料以及气象物理、化学的变化规律,形成数值预报模式,再用超级计算机算出来的。”据省气象台专家介绍,提升数值预报能力显得尤为关键。

  广东省区域数值预报重点实验室的超级计算机机房位于广州市气象局内,记者在里面看到,一排排瘦长的黑色机箱闪着灯光24小时运作,共同组成每秒达400万亿次运算能力的超级计算机。

  广东省区域数值预报重点实验室专家介绍,近年来,在大气污染、生态退化及全球气候变暖等因素的叠加作用下气象变化增加了复杂性,城市化迅猛发展,人口的密集又对气象灾害防御提出了更加精细化的需求。数值预报模式中物理参数化的一些经验公式需要不断修订,运算量也逐渐加大。

  “而从原理上来看,用于灰霾和空气质量预报的大气成分数值预报模式更为复杂,这是因为除了气象模式之外,还要加上污染源模式、化学模式。”邓雪娇说。

  当中,污染源模式包括各个排放源的位置以及排放量的掌握,如机动车、工厂、建筑工地扬尘、餐饮、焚烧等人为排放、以及海洋、火山等自然排放,这里一方面是由环保部门提供企业的排放源清单,另外也通过卫星遥感等手段得到。化学模式则包括成千上万种物种在大气中发生的复杂化学反应,反应物与生成物在大气中的形成、转化与清除等过程均依靠计算机来计算完成。

  记者在省气象局的业务平台看到,经过数值预报模式计算后,系统就会以地图为背景自动生成灰霾、污染气象条件等级的分布示意图,直观地以绿、黄、橙、红、紫等颜色区分不同区域不同级别的颗粒物和气体浓度,并实时传输到预报员的业务平台。

  “这时候,预报员再根据现实的气象背景,对数值预报情况做出修订判断。例如低空近地面是否有静风的不利输送条件、边界层是否有强逆温层,冷空气到来的时间是否有所微调等,以判断气象条件对大气清除能力的影响,再经过会商,最终转化成文字做出空气质量预报。”邓雪娇说。

  目前,省气象部门自主研发的大气成分数值预报GRACEs模式系统,已经实现了每天两次业务化运行,在珠三角实现了能见度、灰霾指数、臭氧、PM等要素的客观定量数值预报。

  据悉,今年GRACEs模式系统已经成功由高性能计算集群移植到高性能超级计算机,可以为未来72-120小时的空气质量状况预报提供支撑,运算时间由原来的15小时缩减到3.5小时。

  如果把预报区域分成不同分辨率的网格的话,“目前,我们的模式可以支撑东亚区域27公里分辨率预报未来120小时空气质量,大华南区域9公里分辨率预报96小时,珠三角3公里分辨率预报未来72小时。”邓雪娇说。

  
展望

  预报技术不断完善,各市力争尽早发布

  目前,我省已有广州、深圳、佛山已在环保和气象网站发布空气质量预报,当中又以广州的预报最为详细,不仅有未来24小时的空气质量指数、空气质量等级、首要污染物、PM2.5浓度的预测,还有未来两三天的空气质量水平预报。

  数值预报做出来后,珠江三角洲环境气象预报预警中心在每天10:30发布全省的指导预报,每天12:30-13:00,省环境监测中心则提供环境监测资料,两者均上传到资料库,供各地市参考。最终的发布权是由市环境监测站与市气象台每天交换资料后,进行预报会商,确定预报结果。

  目前,我省已有广州、深圳、佛山在环保和气象网站发布空气质量预报,当中又以广州的预报最为详细,不仅有未来24小时的空气质量指数、空气质量等级、首要污染物、PM2.5浓度的预测,还有未来两三天的空气质量水平预报。佛山则预报未来三天的空气质量等级和首要污染物。深圳仅公开未来24小时的空气质量指数和空气质量等级的预报结果。

  不过,与温度、湿度、降水等常规的天气预报已经精细到镇、街相比,空气质量预报实际发布仍以面积较大的整个城市为主,精细化程度与常规天气预报有差距。我省既然具备了空气质量预报能力,为何广佛深之外的其余地市仍未发布?

  邓雪娇表示,事实上空气质量预报从上世纪90年代末就有,不过那时候是旧标准的API预报,随着国家在2012年推出新国标,监测污染物从PM10时代的API(空气污染指数),变成了AQI(空气质量指数),增加了PM2.5、一氧化碳、臭氧三种污染物,需要增加模块进行调试和完善。

  此外,大气化学模式本身没有预报的能力,空气质量预报的准确性依赖于本地区精细完整的排放源清单以及精确的气象场数据。“而这些又是需要常常变化及时更新的,像这个地区旁边原来有一个工厂,如果今年搬走了,源清单没有及时更新,那可能这个地区预报的空气质量就会偏重。

  又如广东的气候条件高温高湿,大气中污染物的消光能力、物理化学过程及其复杂的相互作用都有区别,如果照搬套用国外引进的模式计算方法,就会不准确。这就涉及物理化学机制的本地化。目前,空气质量预报技术仍在不断完善,与天气预报水平相比,仍差距较大。

  邓雪娇透露,从数值预报能力上看,我省有观测站点和代表点预报,要素有AQI、能见度、霾指数、PM10、PM2.5、臭氧等要素。另一种则为区域面96小时的预报,3公里和9公里分辨率,13种预报产品涵盖10种预报门类。

  根据省里的相关文件以及省环保厅的计划,省环境监测中心将在本月内发布我省区域性的空气质量预报,各地市结合省的预报以及建设能力,争取尽早发布各市的预报。

  此外,我省环境气象科研团队正研究各类情景模拟与分析,在不同污染气象条件下针对区域大气污染的联防联控提出建设性的建议与措施,“例如在重污染应急的条件下,撤掉某类污染源,例如工业生产或工地停工,会对空气改善多少,我们正在进行这方面的研究。”

  
热点答疑

  能见度越差不一定代表空气越脏

  问:在许多人印象中,灰霾、低能见度均成了空气污染的代名词,那么这三者是否有完全关联?

  邓雪娇:事实上,颗粒物空气质量只是反映悬浮在空气中的尘粒的质量浓度,而霾或雾的天气情景是由于悬浮在空气中的干尘粒或饱和湿尘粒对太阳的消光作用,使得人们感觉能见距离少于10公里(霾)或1公里(雾)的天气现象。

  任何物质均有物理、化学、光学的特征,我们判断空气质量的颗粒物的质量浓度属于物理性质,而雾、霾现象属于颗粒物的光学性质,而说颗粒物对人体有害,指的是颗粒物的化学性质。

  所以,各种特征与不同性质不能完全混为一谈,当出现灰霾或雾、霾混合等能见度降低的现象时,不完全等同于空气质量超标。

  例如在高湿度的条件下,空气中颗粒物的吸湿能力加强,大气消光能力增强,能见度会大幅降低,此时附着在颗粒物中的水汽分子扮演了能见度恶化的重要角色,但是短时间内可能空气质量变化并不大,污染物不一定超标。

  此外,空气质量与能见度变化的差异程度并不完全一致。例如目前珠三角PM2.5年均浓度在40微克/立方米左右,有时候有所改善,肉眼上也难以明显看到,这是因为在30微克到45微克这个区间,肉眼上能见度的差别是很小的。如果PM2.5减到了30微克以下,或者升到了50多微克,肉眼上就能看到能见度有明显差别。

  当然,目前我国的许多城市特别是三大城市群经常出现的霾现象,往往伴随着空气污染,这时灰霾、低能见度、空气污染就成为同时伴生的现象。


    (来源:南方日报)


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