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疫情封城,能让空气变好吗?

编者按
 
疫情带来的封锁措施让一些大城市空气污染物数量骤降。已有研究表明,长达数年的空气质量改善将带来更多日照,并改变大气环流模式。但短期的污染物下降会改变天气和气候吗?
 
根据现有材料,答案是肯定的,但改变因地而异。特定污染物下降可能带来更多的云,可能减轻也可能加重雾霾——这源于大气中环环相扣的次生反应。
 
本文讨论大气中化学反应的复杂性。利用疫情封锁这个罕见时机,多项研究发现空气污染物减少的结果往往出人意料。
 
图源:Pixabay
 
撰文丨凯特·拉维利乌斯(Kate Ravillious)
 
翻译丨Hills
 
校译丨张 晗
 
责编丨戴 威
 
新冠肺炎(COVID-19)改变了世界。这场大流行给地球每个角落带来了痛苦和劫难。但是这场前所未有的停摆也给一些科学家带来了从前无法想象的机会。实施封锁各国的空气污染急剧下降,为科学家们提供了一个独特的自然实验条件,用来探索长久以来围绕着云形成过程的重重谜团。如此一来,他们对空气污染、气象和气候之间复杂的相互作用有了更深的了解。
 
2020年1月23日,严格的封锁措施在最早确诊 COVID-19 病例的武汉最先开始实施。封锁迅速波及全国各地,以阻止疫情的蔓延。随着公共交通停运,学校、大学和工作场所关闭,人们被限制在家中,街道不再喧闹,空气污染骤减。
 
据卫星数据显示,中国东部地区的二氧化氮含量下降了70%,包括武汉在内的一些地方降幅高达93%。随着病毒席卷全球,其他国家实行各自的封锁措施,大气也做出了响应:新德里的蓝天代替了雾霾,在印度北部部分地区,喜马拉雅山脉30年来第一次变得清晰可见;在雅加达、洛杉矶、巴黎等地,城市天际线也显得格外醒目。
 
然而,更干净的空气并不总会带来蓝天。一点点盐或糖就能让蛋糕的味道截然不同,同样,大气组分的细微变化也能引发一系列有趣的大气效应:新的化学物质的合成,云层的形成或分解,还有地表天气的潜在变化。但是在变化多端的自然气候背景下,理清这些过程可谓困难重重。
 
遏制全球变暖
 
“颗粒物污染减少对天气最直接的影响是加热地表的阳光增加,因为被高层大气吸收或反射回太空的阳光变少了。” 英国雷丁大学的气候科学家理查德·艾伦(Richard Allan)说。今年早些时候,艾伦和他的同事们发现,近几十年来,空气质量的变化显著增加了抵达地球表面的日光量(Nature Geoscience 13 110)。他们分析了过去40年的太阳辐射测量结果后发现,整个1980年代,欧洲肮脏的天空遮挡了阳光,使地面的光线愈发昏暗。但从1980年代末开始实施的空气污染法规使得整个欧洲明显地晴朗起来。中国走过了相似的路径,但直到2005年左右,才迎来了大气的净化和随之而来的更明朗的天空。
 
干净的天空还会影响大气环流模式和极端天气。去年2月,美国加州理工学院的气候科学家王元及同事证明,自1970年代以来,欧洲各地空气污染的减少改变了高空气流的强度和位置,使喷射气流在冬季北移( Nature Climate Change 10 225)。这一改变降低了欧亚大陆北部发生极寒事件的可能性。
 
那么在更短的时段内呢?从 COVID-19 封锁导致的空气污染急剧下降中,我们可以知道些什么? “COVID-19带来的大规模污染减少将改变全球的积热状况,尤其在南亚、欧洲和北美,并且有可能影响天气系统。” 艾伦说, “但是将这种影响与混乱的天气自然波动区分开来或许并不可能。”
 
更洁净的空气带来更多的云
 
韩国釜山的基础科学研究所(IBS)气候物理中心的气候科学家阿克塞尔·蒂默曼(Axel Timmermann)赞同,在大多数地方,这种影响的信号都会淹没在干扰中。然而,在2月初,他意识到中国东部地区封锁造成的空气污染的大幅下降,可能足以引发超出干扰水平的变化,从那时起,他和团队就一直在竭尽全力弄清其中原委。
 
“我们看到中国东部人类活动产生的气溶胶大幅下降,就天真地认为,更少的云凝结核将导致更少的云。” 蒂默曼说。但是他的团队遇到了有趣的意外。
 
为了把封城的影响和自然的气候变化区分开来,蒂默曼和他的团队使用由美国国家大气研究中心(US National Center for Atmospheric Research)开发的模型在超级计算机上进行了40次模拟。这一模型被称为公共地球系统模型(The Community Earth System Model),是一种耦合的全球气候模型。“耦合” 意味着它将海洋与大气联系起来,可以模拟地球过去、现在和将来的气候状态。40次模拟均从与2020年1月期间观测值相似的大气和海洋状态开始,并对接下来的12个月进行建模,其中一半模拟了预期中平常年份的气候状况,另一半模拟了新冠疫情封锁状态下的气候状况。为了反映这两种情况,有20次模拟使用了最近几年中2月份(但不包括2020年2月)的平均空气污染水平,而其他20次模拟则采用了降低了65%的2月份气溶胶排放量,以模拟封城的影响。
图1 一个月产生的变化。1月23日武汉封城后周边地区也迅速跟进,主要源自工业和交通排放的空气中的二氧化氮(NO2)在中国直线下降。特别是在中国东部,该数值下降了70%。图源:NASA
 
“用减少的气溶胶所进行的模拟显示,该地区的低云覆盖率和相对湿度大幅增加,这让我们大为惊讶。” 蒂默曼说。这一研究结果目前正在审稿中(EarthArXiv 10.31223 / osf.io / z5dm8)。封城的模拟与地面上的实际情况非常匹配,低云覆盖确实有了显著增加。
 
蒂默曼说:“关于气溶胶如何影响云量,我们还有很多未知的地方,所以这一结果确实令人兴奋。” 模拟结果表明,气溶胶数量的减少导致了云凝结核的减少。但是,这让剩下的云凝结核能够富集更多的水分,形成更大的液滴,更加不易蒸发,从而帮助低云持续地存在更长时间。当时的日期和普遍的天气状况也会起到一定作用,蒂默曼很快指出,在其他时间和其他天气状况下的封锁可能会产生截然不同的结果。
 
当然,很难说2020年2月中国东部和北部的低云就是由于空气质量的改善而产生的,一些科学家对于过度解读蒂默曼的研究结果持谨慎态度。“这是一项有趣的研究,但我们必须小心,因为异常气象也可能由于排放量变化以外的其他原因。” 同在雷丁大学的气候科学家尼古拉·贝卢因(Nicolas Bellouin)说,他并未参与艾伦的此项研究。
 
实际上,王元及同事6月发表的另一项研究表明,在中国东部和北部上空的某些区域,可能存在着更为复杂的相互作用(Science 10.1126 / science. abb7431)。该团队利用今年1月23日至2月13日—— 中国执行最严格封城令期间,收集的中国东部的空气污染数据进行了大气化学和气象学模拟。“直觉上,我们预计二氧化氮和二氧化硫的减少会导致气溶胶减少,从而减少雾霾。” 王元说。
 
上海、武汉和广州等特大城市的观察结果似乎支持了这一观点。但是令王元和他的同事们惊讶的是,他们研究的北部地区却正好相反:北京和周边地区出现了令人窒息的严重雾霾。仅在北京,细微粉尘颗粒(直径小于2.5μm的颗粒物,简称PM2.5)的浓度高达200μg/m3 ,比一年中此时的正常水平高了近20%,并且远高于世界卫生组织建议的日均标准25μg/m3。
 
王元和他的同事们在对化学和气象状态建模时,发现封城期间工业和交通排放的减少实际上并没有减轻北京及其周边地区的空气污染。在这种情况下,高湿度和氮氧化物的减少实际上促进了二次化学反应生成的另一种污染物地表臭氧的形成。这是因为,在一般情况下,氮氧化物会与臭氧发生反应并将其分解为二氧化氮和氧气,从而有助于抑制臭氧水平。但是,由于周围的氮氧化物减少,地表臭氧的留存时间比平时更长,导致臭氧浓度增加。例如,武汉的臭氧浓度就增加了三分之一以上(Science of The Total Environment 735 139542)。(在工业化程度较低的地区,这种影响会减弱,因为氮氧化物的下降并不显著。)进一步加快这些二次反应速率的是挥发性有机物(VOCs),这些化合物持续不断地从石化设施和炼油厂排放出来。“这些二次反应之前已经被研究过,但是新成果表明,这些反应比我们以前认为的更为高效。” 王元说, “我们认为蒂默曼和他的同事们提出的云的形成机制是一个合理的反馈过程,但在当前情况下,我们认为那不是造成地面雾霾的主要因素。”
 
近年来,像北京这样的城市一直在实施短期排放控制措施,例如隔日限行规定和关停工厂,以防止严重雾霾的形成。在2008年夏季奥运会和2014年11月亚太经济合作组织(APEC)会议期间,这些措施似乎起了作用。但是这项新研究表明,北京的这些成功控制空气质量的经验可能更应该归功于当时的天气状况。“这两次的近地表的湿度都不像今年封城期间这么高。” 王元说。
图2 欧洲和亚洲气溶胶排放量的下降。相对于2016-2019年基准期间,封城期间人为气溶胶排放模式的比例变化。西欧和印度的空气污染下降幅度远低于中国东部的70%下降幅度。图源:Axel Timmermann
 
封锁改变了印度的季风吗?
 
那么世界其他地方呢?随着欧洲、美国、印度、澳大利亚和南美进入封锁状态,在空气污染猛降的同时还发生了什么?尽管媒体夸大其词,但世界其他地区的空气污染下降幅度却远没有中国东部那么大。比如,卫星测量结果显示,西欧和美国的二氧化氮水平并非和中国那样下降了70%,而是比2019年同期下降了20-38%。下降幅度虽然也不小,但大概不足以对天气或气候产生可测量的影响。
 
不过,这并不意味着这些变化没有研究价值。3月底,印度进入了严格的封锁状态,基本服务以外的一切都关停了,13亿人被要求待在家里21天。随着工厂关闭和动物占领街道,一些地区的空气污染大幅下降,如果下降的持续时间足够长,就可能会影响气候。雷丁大学的气候科学家劳拉·威尔克斯(Laura Wilcox)和同事(不包括艾伦和贝卢因 )的一项正在审稿阶段的研究(Atmos. Chem. Phys. Discuss. 10.5194/acp-2019-1188,审稿中)表明,亚洲空气污染多年以来的持续减少会导致更强烈的热带季风降雨。这是因为印度上空的雾霾越稀薄,反射回太空的热量就越少。这会导致陆地温度升高,增大海洋和陆地之间的温差,驱动水循环变得更快、更强烈。
 
封锁带来的空气污染下降,本身可能稍纵即逝,但仍有很小的可能影响该国气候。“我一直在密切关注印度。” 威尔克斯说,“我们通常会在6月看到夏季季风来临,并一般在此之前会观测到高温和气溶胶水平升高。” 一般认为,2020年印度北部的空气污染下降可能有助于产生更强烈的季风。威尔克斯和她的同事们正忙着收集和分析测量结果,和前几年的结果进行比较以确定情况是否如此。初步结果表明,今年的季风弱于平均水平,但有一些异常强烈的对流事件,带来了7月的大暴雨,使得印度东北部、孟加拉国、不丹、缅甸和尼泊尔遭受严重洪灾,造成数百人死亡,多达400万人被迫离开家园。但是,强降雨到底是与空气污染的下降有关,还仅仅是今年气候的偶然异常,要弄清楚这一点尚需时日。
 
减少空气污染并非易事
 
除了研究空气污染对气候的影响,大气化学家一直在利用封锁的机会进一步研究空气污染的来源和污染的扩散距离。在欧洲,封锁后的空气污染模式与在中国观测到的情况相似,二氧化氮含量显著下降,但颗粒物污染的减少小得令人失望(甚至有所增加)。“对于PM2.5(细微颗粒污染)我们有了相当的了解,加强了它们大都是自然中的次生产物的认识,仅仅减少交通量对颗粒物没有太大影响。” 英国国家大气科学中心的大气化学家阿拉斯泰尔·刘易斯(Alastair Lewis)说。“我们的设想是,次生颗粒物的主要来源,如农业产生的氨和溶剂生成的挥发性有机化合物,都会和往常一样大量排放。” 他补充道。
 
COVID-19 大流行封城带来的变化告诉我们,地球大气中发生的反应非常复杂,而且气象状态是与大气化学紧密联系的。显然,减少空气污染会带来意想不到的负面影响,包括天气模式的变化和次生污染物的激增。对于希望控制局部空气污染、避免危险峰值出现的城市而言,封锁期间的发现表明,权宜之计并非总能奏效。相反,解决城市空气污染的最佳方法是减少所有来源的污染,但是即使这种看似无害的办法也可能会有自己的问题(Environ. Res. Lett. 15 034013)。
 
尽管如此,无法控制空气污染的代价要高得多。“继续以当前的速度向大气中排放温室气体,会让温度上升的幅度更大,持续时间更久。”艾伦解释说, “这一点,再加上全球水循环的变化,会对我们的社会和我们赖以生存的生态系统造成严重影响。”
 
作者简介
 
凯特·拉维利乌斯(Kate Ravillious)是英国约克的科学作家。
 
原文链接
 
https://physicsworld.com/a/has-the-covid-19-lockdown-changed-earths-climate/
 
▲ 本文为Physics World 专栏的第38篇。
 
2020年9月的Physics World ,有新鲜出炉的中国简报(Physics World China Briefing),里面有最新的研究报告,在疫情后重返实验室的感受,以及科学会议如何变得虚拟的趋势分析。欢迎读者朋友们关注。
 
相关链接:
 
https://prod-physicsworld-iop.content.pugpig.com/blog/2020/08/11/china-a-country-reopens-after-covid-19/pugpig_index.html
 
版权声明
 
原文标题“ Has the COVID-19 lockdown changed Earth’s climate”,首发于2020年9月出版的 Physics World,英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。本译文有删节,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为,版权方将保留追究法律责任的权利。
 
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