大气的 “小脾气” 与人类的 “大选择”：揭秘极端环境事件背后的内在关系

钱维宏 北京大学物理学院

你是否曾在冬日清晨推开窗户，发现城市被一层灰蒙蒙的 “纱幕” 笼罩？能见度骤降，呼吸间带着压抑感 —— 这便是雾霾，一种由大气变量扰动与人类活动共同催生的典型极端环境事件。从几天内来去匆匆的雾霾，到跨越数十年的碳排放波动，大气从未停止对这些异常现象形成的助推 “扰动”。而人类在其中的每一个选择，都直接决定着我们将面对怎样的生存环境。

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一、天气与季节内的 “拉锯战”：解码雾霾背后的大气扰动

在中国东部，从华北平原到江南水乡，雾霾早已不是陌生的 “访客”。华北的北京、天津、石家庄和长三角的南京和合肥等人口密集、经济活跃的地区和城市，曾年均遭遇雾霾超 50 天；每到秋冬季节，只要冷空气 “缺席”，灰蒙蒙的天空便会成为常态。

2013 年被称为 “雾霾元年”，更是“雾霾峰年”，中国东部地区遭遇了多次大范围、长时间且高强度的雾霾天气。其中，1 月和 10 月，华北和长三角等地雾霾集中，到达地面的太阳总辐射量较常年同期下降 20% - 50%。1 月，合肥、南京和北京的雾霾日数分别达 30 天、29 天和 25 天，其影响程度和社会关注度达到前所未有的高度。2016 年底至 2017 年初的跨年雾霾更是创下纪录 —— 持续 212 小时的大范围重污染过程，给居民生活与健康带来了严重影响。

这些令人窒息的雾霾，并非大气扰动和人类排放 “单方面” 的恶作剧。研究表明，雾霾的形成与大气的 “特殊扰动状态” 密切相关：当对流层中层出现扰动高压H1和近地面出现扰动低压L1时，边界层顶部（约 1500 米高空）形成的扰动逆温层最大W1就像被盖上了一层 “密封盖子”—— 人类排放的污染物无法向上扩散，只能在近地面不断堆积 [1]。这种 “边界层大气扰动逆温模式”，正是雾霾滋生的 “温床” (图中的红点序列)。而一旦这层 “盖子” 被冷空气打破，即便人类活动仍在排放污染物，雾霾也会迅速消散。

又以北京 2017 年初那次持续 9 天的雾霾事件为例：在事件发生前的 2016 年 12 月，曾出现 8 次（W1-W8）边界层扰动逆温过程，每一次都对应着时间长短不一的红点序列雾霾观测（P1-P8）。这个月北京仅有几天未出现雾霾。若采用气候研究中的滑动时间平滑算法，2016 年 12 月至 2017 年 1 月的雾霾，就是一场持续超一个月的 “季节内短期气候事件”—— 大气边界层的红色扰动温度时长超一个月，与滑动平均超 100 微克 / 立方米的雾霾浓度时长一致。对 2015-2016 年所有雾霾事件的分析进一步证实，雾霾的强度、持续时间，均与对流层大气中部的扰动高压、边界层的扰动低压及逆温模式完全匹配。

雾霾的形成与大气扰动存在紧密关联，其中对流层低层的逆温层是关键影响因素。具体而言，对流层低层逆温（温度偏高）与上层低温的状态，可通过具有 “对流层中层扰动高压 - 近地面扰动低压” 特征的扰动位势高度，结合静力平衡原理计算得出。这表明，整个对流层的温压场扰动结构严格遵循大气内在的动力学规则。

一旦雾霾天气形成，其悬浮颗粒物会导致大气能见度显著降低，进而阻断地面对太阳辐射的接收 —— 这一过程会打破正常气候的日温度循环：白天地面因缺乏太阳辐射加热而温度偏低，夜间则因雾霾对地面长波辐射的 “保温” 作用而温度偏高，形成“冷昼暖夜”的异常特征，使得昼夜温差大幅缩小。扰动大气是雾霾形成的重要驱动条件，而雾霾形成后又会通过改变地表辐射平衡，反作用于大气温压场，进一步影响大气扰动状态，二者构成相互作用的动态关系。

值得庆幸的是，大气的 “扰动” 虽无法避免，但人类的选择正在改写雾霾的 “出场频率”。2013 年《大气污染防治行动计划》实施后，北京的雾霾天数与强度开始 “断崖式下降”：2020 年 PM2.5 年均浓度降至 38 微克 / 立方米，重污染天数较 2013 年减少 82.8%；到 2024 年，这一浓度进一步降至 30.5 微克 / 立方米，连续四年达标，优良天数占比达 79.2%，重污染天数仅剩 2 天 —— 相当于十年间，从每 6-7 天一次重污染，变成了一年仅两次的 “罕见事件”。这一变化清晰证明：即便大气仍会出现利于污染物堆积的 “扰动”，只要人类主动减少排放，雾霾就能从 “常客” 变为 “稀客”。

如今，雾霾极端天气事件的预报能力也在提升。借助欧洲中期数值天气预报的模式产品，可提前一周预报雾霾 —— 由于雾霾对应的大气扰动系统空间尺度较大，该模式甚至能提前 7-10 天预报此类天气扰动。河南省气象台的预报员就曾利用模式产品绘制的扰动天气图，精准预报了不同区域雾霾的开始与结束时间，为应对污染争取了宝贵时间。

二、跨越年月的 “呼应”：温度波动与碳排放的深层关联

如果说雾霾是 “扰动天气尺度” 下自然与人为共创的协同事件，那么碳排放波动与异常温度的关系，则在更长的时间里大气变量扰动与人类活动之间上演着的 “互动剧”。对美国、英国、法国、德国等发达国家碳排放数据的研究发现，全球平均温度与化石燃料碳排放之间，存在着跨越年际（1-2 年）和年代际（数十年）的紧密波动关联 [2]。

在年际尺度上，温度就像一只 “无形的手”，悄悄影响着人类的碳排放。以美国为例：冬季气温每升高 1.5℃，化石燃料碳排放会减少 1000-2000 万吨 —— 只因温暖的冬天降低了供暖需求；反之，若冬季气温降低 2℃，碳排放会增加 1640 万吨。而到了夏天，二者关系完全反转：气温越高，碳排放越多，这是因为炎热天气推高了空调用电需求，进而消耗更多化石能源。这种 “冬负夏正” 的关联，让碳排放随着季节温度的波动而起伏。

在更漫长的年代际尺度（50-60 年）上，这种关联变得更加显著。过去一百多年里，当全球或美国处于相对寒冷的年代际波动时段时，发达国家的碳排放往往更高；而在温暖的年代，碳排放则相对较低。更值得关注的是，温度波动的变化会 “提前” 5-7 年影响碳排放波动 —— 这意味着人类对气候的适应存在 “滞后性”：当气候开始变冷，人类需数年后才会通过增加能源消耗应对，进而推高碳排放；反之，气候变暖时，减少能源消耗的调整也需要时间。在极端天气与异常气候事件中，人类往往被动或迟钝地跟随大气波动调整；但若能让人类行动与自然波动同步，不仅能减少损失，甚至可将自然波动的异常能量转化为资源。

不过，无论时间尺度如何，有一个总趋势始终清晰：过去一百多年，碳排放的长期上升，背后是工业化进程的加速。在世纪尺度上，碳排放总增加与全球平均温度增暖趋势看似同步，实则是一种并行现象 —— 二者的内在关联，仍需更长时间的波动数据开展机理研究。但可以确定的是，温度的 “自然扰动”（如年际冷暖波动、年代际冷暖交替）只是影响碳排放的 “诱因”，真正的 “主导者” 仍是人类活动：即便温度出现利于减少排放的波动，若人类不主动控制化石燃料使用，碳排放仍会持续攀升；反之，即便温度波动可能推高排放需求，只要通过节能技术、清洁能源替代等主动干预，就能抵消这种 “自然诱因” 的影响。

三、面向未来：大气仍会 “扰动”，但未来环境由我们选择

从几天的雾霾，到数十年的碳排放，我们可以总结出一个核心规律：大气的 “扰动” 是自然常态。无论是利于污染物堆积的逆温层，还是影响能源需求的温度波动，这些不同振幅和时长的温度异常，过去发生过、现在仍在发生、未来也不会消失。然而，这些 “扰动” 是否会演变成危害环境的极端事件，关键在于人类的不同 “选择”。

当我们减少煤炭燃烧、推广新能源汽车时，雾霾便失去了 “生成原料”。即便大气出现逆温层扰动，也难以形成严重污染。当我们用太阳能、风能替代化石燃料时，即便冬季变冷、夏季变热，能源需求的波动也不会转化为碳排放激增，温室气体浓度过高的问题也会随之缓解。

工业化带来的环境挑战，本质上是人类活动与自然规律的 “磨合”。大气从未停止它不同频率、不同幅度的 “呼吸” 与 “扰动”，但未来的天空是清澈还是灰暗，空气是清新还是污浊，温室气体浓度是持续升高还是逐步回落，决定权始终在我们手中。减少排放不是对自然的 “妥协”，而是人类主动掌控未来环境的 “智慧”。毕竟，大气的 “小脾气” 无法改变，但人类的 “大选择” 能调整自身行为，让极端环境事件不再成为人们生活的 “痛点”。

参考文献

[1] Qian WH, Huang J (2019) Applying the anomaly-based weather analysis on Beijing severe haze episodes. Science of the Total Environment 647: 878–887.

[2] Qian WH, Lu B, Liang HY (2011) Changes in fossil-fuel carbon emissions in response to interannual and interdecadal temperature variability. Chinese Sci Bull, 56: 319−324.

来源: 钱维宏