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北大陳松蹊團隊發現:中國北方氣候變化并未加劇空氣污染

媒體:北京大學  作者:北京大學
專業號:碳匯資訊 2020/5/29 6:27:11

日前,由北京大學光華管理學院商務統計與計量經濟系、北京大學統計科學中心陳松蹊教授環境統計團隊關于氣象變化與中國北方地區空氣質量狀況評估的研究論文“Meteorological Change and Impacts on Air Pollution - Results from North China”被《地球物理學研究期刊》(Journal of Geophysical Research—Atmospheres)正式接收。

《地球物理學研究期刊》是美國地球物理聯合會的旗艦期刊,包括7個分刊,收錄的論文涵蓋太陽、地球和行星科學、大氣等眾多地球物理學領域。創刊于1896年,是目前國際地球物理學界論文質量最高、覆蓋領域最廣、發行數量最多的國際頂尖學術期刊之一。

研究刻畫38年的氣象變量與大氣污染的關系

隨著經濟發展,能源消耗的大幅提高,我國大氣污染問題日益嚴重。但在北方的冬季,一場刺骨的北風往往能短暫“拯救”人們,帶來連續幾天的優良空氣。在坊間,一個廣泛流傳的觀點是北方近些年嚴重的大氣污染可以部分歸咎于中國北方的(1)大量植樹造林和(2)興建風力發電站所導致北風的削弱。在學術界,Wang et al. (2018) [1]和Long et al. (2018) [2]等研究也間接支持了類似的觀點:Wang等使用中國北方的數據發現高氣溶膠濃度(高污染)一定程度上促進了樹木的生長,而Long等發現北京西北方向樹木的繁盛導致京津冀地區PM2.5濃度上升了6%。此外還有一些研究也表示氣候變化加劇了空氣污染(H. Wang et al. (2015) [3],Cai et al. (2017) [4], Taylor et al. (2012) [5])。

陳松蹊教授研究團隊的研究旨在檢驗氣候變化導致大氣污染的科學性。團隊結合使用了歐洲氣象中心在不同等壓面上的261個0.5經緯度格子點再分析數據與161個中國大氣污染監測站點的數據。研究分為兩個部分(1)使用高維數據多重檢驗方法,量化溫度、濕度、風速、邊界層等氣象變量在1979年到2016年的變化,并檢驗這些變化的顯著性(2)量化這些變化對2014—2016年PM2.5濃度的影響。

圖1.研究區域為圖中白色實線所標注的矩形,其中紅點所標注的6個城市將用于進一步檢驗氣候變化對污染物影響的研究

研究發現:北風沒有減少, 氣溫增加, 濕度減少

文章首先使用基于高維數據的多重假設檢驗方法,分析了地表溫度、邊界層高度、地表露點溫度、累計相對濕度(圖2)與累計風速(圖3)在1979—1997年與1998—2016年這兩個19年階段均值的變化。研究發現以下污染物有顯著的變化:(1)地表溫度上升了0.57度;(2)累計東北風速、邊界層高度和耗散有顯著上升;(3)相對濕度(北方變干)和累計西南風速有顯著下降;(4) 但人們普遍關心的西北風沒有減少。研究發現露點溫度和空氣污染程度顯著相關,盡管地表溫度在中國北方地區上升顯著,顯著下降的相對濕度使得露點溫度很大程度上保持了穩定。同時溫度的上升導致邊界層高度和耗散的上升,造成有利于污染物的垂直擴散??傮w來說,自70年代末中國北方地區的氣象變化實際上營造了更好地污染物擴散條件。這反駁了植樹造林、興建發電站導致北風減弱的說法。

圖2.對比兩個19年階段(1979—1997,1998—2016)(a)地表溫度(b)邊界層高度(c)地表露點溫度(d)累積相對濕度在中國北方地區不同月份的差異(黑點表示統計學意義上變化顯著的區域)

圖3.對比兩個19年(1979—1997,1998—2016)各個月份各個風向下累積風速均值的變化(a)西北風(b)東北風(c)西南風(d)東南風(黑點表示統計學意義上變化顯著的區域)

進一步地,研究通過回歸模型構建了氣象變化效應指標。該指標分析了2014到2016三年各個月份排放背景下1979年到2016年的氣象變化對PM2.5濃度的影響。團隊對研究區域的32個城市均計算了氣象變化效應指標,并匯總在圖4。

圖4.(a)32個城市中氣候變化在各個月份使PM2.5顯著上升或下降的比例,正向表示上升的比例,反向表示下降比例;(b)和(c)表示氣候變化在各個月份對PM2.5的平均影響與相對影響

圖4(a)顯示在全年12個月份、32個城市中,有下降效應的城市比例遠大于有上升效應的城市比例。(b)和(c)顯示平均和相對氣象變化效應在全年大多數月份也呈現減小污染的效應。盡管在統計學意義上氣候變化對PM2.5有著顯著的削弱效應,但在2014-2016年間的年度污染削弱作用均在1.29%—2.76%之間。并不足以抵消人為排放做造成的污染。

綜上所述,研究團隊得出如下結論:(1)地表溫度、邊界層高度和邊界層耗散在1979—2016年之間有顯著上升、相對濕度則有所下降,而北風并沒有顯著下降;(2)在1979—2016年這兩個19年階段間的氣候變化導致中國北方地區在2014—2016年PM2.5下降了1.9%—2.7%(3)中國北方地區近年來的空氣污染并不能歸咎于氣候變化, 而是過量的人類排放。

該論文的第一作者北京大學元培學院2018屆本科畢業生許子平 (現美國密西根大學安娜堡分校統計學博士生),其本科期間的學術導師是陳松蹊教授。文章的通訊作者是陳松蹊教授。另一作者是美國愛荷華州立大學氣象系吳小青教授。本研究得到了國家重點研發計劃《大氣污染成因與控制技術研究》專項項目2016YFC0207701與國家自然科學基金項目71532001的資助。

 

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