【摘要】：空氣污染問題是全球備受關注的熱點問題,大氣人為污染源排放和氣象條件/氣候變化是空氣污染形成的決定性因素。本文針對中國三大重點城市群(京津冀、長三角和珠三角)的空氣質(zhì)量問題,基于多套地基空氣質(zhì)量觀測數(shù)據(jù),以客觀天氣分型為主要研究方法,結(jié)合小波分析、集合經(jīng)驗模態(tài)分解(EEMD)等多種數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法和氣候遙相關指數(shù),分析了我國沿海城市群區(qū)空氣質(zhì)量在逐日尺度到年代際尺度時間變化特征的天氣氣候?qū)W背景,并討論了天氣氣候?qū)W背景下特定局地天氣類型頻率的變化對我國京津冀和長三角地區(qū)空氣質(zhì)量時空分布的影響。本文首先結(jié)合小波分析和EEMD方法,將三大城市群能見度資料反算的消光系數(shù)(bext)分解為3個不同周期的組分。在短周期(周期小于1年)的組分中,3個研究區(qū)域秋季與冬季的的消光系數(shù)均存在顯著的反相關。其中京津冀秋冬季的反相關最為顯著,相關系數(shù)R達到-0.7。東亞冬季風盛行時間的年際變化和差異是這一地區(qū)消光系數(shù)在秋冬季反相關的主要原因。在年代際尺度上,京津冀地區(qū)消光系數(shù)先升后降,而華東華南消光系數(shù)則是逐年顯著上升�；诳陀^天氣分型和Comrie方法,論文進一步發(fā)展根據(jù)有限年份空氣質(zhì)量觀測和長期氣象再分析數(shù)據(jù)重建歷史“氣象污染指數(shù)”(即僅反映氣象條件變化所導致的空氣污染指數(shù))的方法。首先利用香港地區(qū)2001-2011年的臭氧觀測數(shù)據(jù),采用半客觀天氣分型的方法將該地區(qū)逐日天氣條件劃分為7種典型天氣類型,并結(jié)合特定天氣型的平均臭氧濃度以及天氣型的強弱等級,由此重建了該地區(qū)僅受氣象條件影響的臭氧時間序列。結(jié)果顯示天氣類型出現(xiàn)頻率和環(huán)流系統(tǒng)強度的年際變化對香港O3長期變化趨勢的貢獻率為36%,而對香港03年際振蕩幅度的貢獻率超過50%,說明了氣象條件的年際變化對香港03濃度的重要貢獻。論文進一步基于京津冀地區(qū)三個重點污染城市(北京、天津、石家莊)2001-2011年共11年環(huán)境監(jiān)測部門公布的逐日空氣污染指數(shù)(API),利用天氣分型方法建立該地區(qū)特定天氣型條件與區(qū)域平均空氣污染指數(shù)的關系、考慮典型天氣型的持續(xù)天數(shù)對API的影響等因素,根據(jù)天氣型頻率重建了 1980-2013年該地區(qū)的“氣象API”時間序列,并據(jù)此討論該地區(qū)以及長三角等地區(qū)空氣污染年代際變化特征及其成因的天氣氣候?qū)W背景。研究結(jié)果表明:京津冀和長三角地區(qū)空氣污染指數(shù)(API)與天氣類型有密切的聯(lián)系。弱高壓控制時,兩地區(qū)API明顯偏高。穩(wěn)定氣象條件控制及南風輸送持續(xù)影響時,京津冀地區(qū)API平均以8.5/天的速率逐日增長;長三角地區(qū)API在持續(xù)弱低壓控制下也為逐日升高的特征,平均增長率最高達到12/天。而強高壓影響下,兩地區(qū)均受到頻繁的冷空氣活動的影響,API隨強高壓持續(xù)時間的變化特征為先降后升。根據(jù)天氣類型出現(xiàn)頻率的年際變化以及天氣類型持續(xù)時間重建“氣象API”,通過對比分析,京津冀地區(qū)“氣象API”日值在春季、秋季和冬季與真實API日值顯著相關,相關系數(shù)R分別為0.38、0.39和0.44;而長三角地區(qū)“氣象API”日值與真實API日值則在夏秋兩季顯著相關,相關系數(shù)R分別為0.4和0.38。說明天氣類型的演變對API逐日變化特征有顯著的控制作用。在年際尺度上,京津冀地區(qū)“氣象API”能部分重現(xiàn)冬季API的年際變化;長三角地區(qū)“氣象API”在秋季與真實API顯著相關,相關系數(shù)R達到0.68。說明在特定季節(jié),氣象條件的年際變化對空氣質(zhì)量年際變化有著顯著影響。在年代際尺度,京津冀地區(qū)“氣象API”與消光系數(shù)相關系數(shù)R為0.52,說明天氣類型出現(xiàn)頻率的年代際變化是華北空氣質(zhì)量先升后降的主要原因之一。結(jié)合大氣遙相關指數(shù),京津冀冬季和春季重建API與北太平洋濤動/西太平洋型(NPO/WP)指數(shù)顯著正相關,相關系數(shù)R分別達到0.58和0.38。而長三角地區(qū)重建API在秋季和冬季與北方濤動(NO)指數(shù)顯著反相關,相關系數(shù)R分別達到-0.57和-0.58。兩種基于NO指數(shù)和NPO/WP指數(shù)建立的遙相關模態(tài)與兩地區(qū)空氣質(zhì)量的空間分布存在緊密的聯(lián)系,當NO指數(shù)和NPO/WP指數(shù)均處于正位相時,西伯利亞高壓和阿留申低壓的減弱以及赤道西太平洋/印度洋附近的低壓異常,使得長三角更多受到清潔海洋性偏東氣流的影響,而京津冀地區(qū)則受到弱高壓帶來的穩(wěn)定氣象條件控制,伴隨著南風輸送的影響,空氣質(zhì)量距平在兩個地區(qū)呈現(xiàn)“南低北高”的形態(tài);當NO指數(shù)和NPO/WP指數(shù)均處于負位相時,西伯利亞高壓和阿留申低壓的增強以及赤道西太平洋/印度洋附近的高壓異常,使得長三角地區(qū)更多受到西南風輸送以及偏北風輸送的影響,而京津冀地區(qū)則受到強高壓下頻繁冷空氣活動的影響,潛在的空氣質(zhì)量距平呈現(xiàn)“南高北低”的形態(tài)。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X51

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本文編號：2713176