关键词：
霾污染
东亚季风
Ni(?)o3.4
青藏高原
随机森林
摘要：
随着近年来经济快速发展和城市化进程加快,我国空气质量问题日益严重,尤其是位于东亚季风区的我国中东部高浓度大气颗粒物导致的重污染事件频发,其受控于人为污染物的排放变化,也受到气象条件的影响。东亚季风气候变化决定着我国中东部地区气象条件,可改变大气污染物扩散传输、化学转换和干湿沉降等大气物理化学过程,调制区域空气质量变化;东亚季风气候变化受控于海-陆动力-热力强迫异常,其对我国中东部空气质量变化及其霾污染影响依然是亟待深入研究的科学问题。因此,本文利用气象和环境多年观测资料,通过气候统计分析与数值模拟相结合的技术途径,针对这一问题展开东亚季风气候变化与热带太平洋热力强迫和青藏高原大地形作用对中国中东部地区大气颗粒物浓度变化影响及其机理的系统研究,并利用随机森林机器学习方法将相关研究应用到我国区域冬季霾日的跨季节气候预测。主要研究结果总结如下:1)东亚季风对我国中东部地区大气气溶胶浓度年际变化影响程度及作用机理应用全球空气质量模型系统GEM-AQ/EC,设计了一个10年（1995-2004年）间主要人为气溶胶（硫酸盐,黑碳和有机碳）排放无年际变化的大气气溶胶敏感性气模拟试验,即模拟中去除了排放源因素对大气环境变化的影响,以分离气象因素对人为气溶胶浓度变化的贡献。本模拟研究集中在中国中东部这一个典型的东亚季风区。1995-2004年期间,中国中东部地区大气气溶胶浓度显著的增加趋势,其年际变化率夏季在中东部南区可高达20-30%,冬季中东部北区平均高达20-30%。中东部地区的大气气溶胶增加与近地表面风减弱有显著相关。这10年间夏季中东部南区和冬季北区的近地表面风减弱趋势率分别超过30%和40%。在夏季风偏弱的年份,从华北平原到四川盆地广阔中东部地区的大气气溶胶浓度偏高。在偏弱冬季风年,我国东部地区大气气溶胶浓度存在“北高”和“南低”异常分布。东亚夏季风和冬季风的年际减弱是导致近年来我国中东部大气气溶胶年际变化和趋势增加的主要气象因素,此外,决定气溶胶湿清除过程的东亚夏季风降水异常亦会改变夏季中东部地区气溶胶变化和分布。与气溶胶干清除过程关联的大气边界层条件亦是影响冬季中国中东部地区气溶胶浓度的一个气象因素。2)太平洋Ni（?）o3.4海区热力强迫对南方地区冬季霾污染变化的气候调制作用基于1980-2010年霾日数观测资料和NCEP/NCAR气象再分析数据的气候相关分析,揭示热带中东太平洋Ni（?）o3.4海区海温对中国霾污染间的关系在南方地区最密切。为从霾日数变化中分离出人为污染物排放和气象条件的作用,利用离散小波变换方法,将中国南方冬季霾日频次的年际变化序列分解成代表排放变化的低频分量和代表气象因子的高频分量。为了探索Ni（?）o3.4海温对南方冬季霾污染的年际变化影响程度及作用机理,分析研究了冬季霾日高频分量变化与Ni（?）o3.4海区海表温度（SST）有显著的负相关,相关系数达-0.51。在Ni（?）o3.4-SST偏暖异常(El Ni（?）o年)时,南方地区冬季霾污染频次偏少3-5次;反之在Ni（?）o3.4-SST偏冷异常(La Ni（?）a年)时则霾污染频次偏多3-5次,表明太平洋Ni（?）o3.4海区热力强迫异常对南方地区冬季霾污染变化的气候调制作用。气候调制作用机理分析揭示热带中东太平洋Ni（?）o3.4海区的SST异常导致中东部地区近地面风场,大气边界层垂直结构,大气稳定度和降水异常变化,改变大气污染物累积,扩散和沉降,影响冬季霾污染。在El Ni（?）o年冬季,区域近地面风速增强,垂直热力场异常的“冷盖”结构使大气层结趋于不稳定,有利于污染物的传输扩散,同时降水偏多加强了污染物的湿清除作用,使得霾污染次数偏少。La Ni（?）a年份冬季正好与之相反。3)青藏高原动力和热力强迫对中国中东部地区大气气溶胶时空变化影响特征设计一个将青藏高原海拔高度削减为1000m的全球气候模式CESM1.2的50年的敏感性模拟试验,通过敏感性和控制性试验的对比分析高原大地形动力强迫对中国中东部地区大气气溶胶分布的影响。青藏高原大地形存在,中东部地区大气气溶胶浓度普遍偏高,形成了四川盆地和华北平原气溶胶高值中心。当高原地形削减后,从华北平原到四川盆地广大地区近地面气溶胶浓度普遍下降5-8μg m-3。,其余的中东部地区特别是东南沿海地区增加约为2-6μg m-3。进一步分析发现高原地形阻挡和绕流作用消失后,冬季风系统北退并且强度减弱,华北平原地区仍然受到季风作用,加上高原去除后中低层西风异常,利于华北地区气溶胶向外传输;四川盆地地区大气垂直环流异常配合“冷盖”垂直热力结构,利于大气污染物通过西风异常带入下游地区。其它中东部地区因冬季风减弱,地面风速降低,降水湿清除作用减弱,加上上游四川盆地向外输出气溶胶,使得这些区域内气溶胶浓度有正异常。
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