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极地气候变化加剧冬季雾霾

全球气候变化导致的极地北冰洋海冰消融与西伯利亚降雪增加改变了区域大气环流结构,进而可能加剧了中国近年来的冬季严重空气污染问题。


通过对最近30多年的观测数据和气候模式的模拟结果的综合分析,佐治亚理工学院王育航教授(点击查看介绍)研究组的工作表明,极地北冰洋的海冰的减少和西伯利亚降雪的增加影响了中国冬季风的传播路径与强度,减缓了中国东部平原地区污染的扩散,从而有利于区域静稳天气的形成并减弱了空气污染物扩散,使得中国东部平原人口与工业中心地区出现大范围严重雾霾。这些区域大气环境的变化将在很大程度上抵消了中国正在进行的通过污染物减排改善空气质量行动的效果。

Yuhang Wang, a professor in the School of Earth and Atmospheric Sciences at the Georgia Institute of Technology, led a study of how global climate change may be worsening winter air pollution problems in China. Credit: Georgia Tech


佐治亚理工学院地球与大气科学系王育航教授表示,“中国地区的空气污染排放在过去四年中处于下降趋势,但冬季空气质量并没有明显改善。这一现象很大程度上与近年来北极地区秋季海冰快速减少与中高纬欧亚地区初冬降雪增加导致的气候效应相关。上述极地气候变化减弱了影响中国中东部地区的冷空气强度,使得空气污染物更容易累积并形成区域性大范围严重空气污染。”


上述研究成果由美国国家自然科学基金和美国国家环保署资助,并发表于最新一期的《科学进展Science Advances杂志。该研究成果首次将极地气候变化与区域空气污染问题联系起来,并清楚地表明全球气候变化导致的大尺度环流扰动具有显著的区域环境影响。

Figure1: Map shows the distribution of aerosol optical depth from the MODIS instrument onboard NASA’s Aqua Satellite for January 2013.


包括首都北京的中国东部平原地区严重空气污染问题于2013年初获得世界范围内的广泛关注。当时架设于北京美国大使馆的一台空气质量监测仪器记录了设备工作以来最高的PM2.5颗粒物浓度。此后一系列的严重空气污染事件促使中国政府制定严格的污染减排目标以减少工业和其他污染源的排放。


尽管这些污染减排措施正在付诸实施,中国冬季尤其是12月至1月间的严重空气污染事件却在近年不断上演。因此王育航教授和他的研究合作者们:邹宇飞、张羽中以及Ja-Ho Koo着手研究是否有其他重要因素在空气污染问题中扮演角色。


由于缺乏中国地区的长期空气质量观测数据,研究者们收集了包括气象能见度观测与卫星监测数据在内的其他相关资料以供研究。为了分析历史污染水平,研究者们基于地表风速与逆温强度创建了一个新的空气污染潜势指数(PPI),以此衡量中国东部地区的污染扩散条件。


“当我们创建了PPI指数并将其与历史能见度长期观测数据对照后发现,发生于2013年1月间的空气污染事件严重程度远高于过去30年间的任何一年的水平。”王育航教授表示,“而同时期的污染排放并没有明显变化,由此我们推断一定有其他重要因素导致了上述极端事件。”


中国东部平原地区由一系列相互接壤的平原组成,东临大海余面环山,地形地貌特征与同样遭受空气污染困扰的美国南加州地区类似。在冬季,大量来自工业与机动车排放的空气污染物只能通过水平扩散或垂直混合来有效清除。当这些大气的清除机制在静稳天气条件下失效,空气污染物便开始累积。发生于2013年1月的事件就像是有人关掉了通风扇以阻止区域空气自然流通净化。


研究者们进一步检查了包含极冰、雪盖、厄尔尼诺等各种主要气候因子的影响。他们利用主成分分析与最大协方差分析的方法发现中国地区静稳天气条件与北极海冰和中高纬度西伯利亚地区雪盖的变化密切相关。其中北极海冰在2012年秋季减小到历史性低位,而西伯利亚雪盖面积在紧随其后的2012年初冬季节达到历史性最大。随后他们采用全球气候模式来模拟研究这些气候因子的变化是如何影响了大尺度大气环流形势以及中国东部地区的污染扩散条件。

Figure2: A time series from 1981-2015 shows Eurasia snow and Artic sea ice cover (top) in the fall and early winter; January regional ventilation (middle), the inverse of visibility, and PM10 concentrations (2005-2015, bottom) over the East China Plains in January.


王教授认为,“海冰减少与雪盖增加导致影响中国的西伯利亚高压脊减弱,由此减小了海陆气压与温度梯度并导致东亚冬季风传播路径向东偏移,这一变化降低了中国东部地区的地表风速并创造了区域大范围的静稳天气条件。”


这一模拟研究结果与当年冬季中国东部整体气温偏高,而位于中国以东的韩国和日本遭遇严寒天气相吻合。这些区域气温变化清楚地表明冷空气影响范围发生了改变。


而最近的2016年冬季至2017年初再次上演了类似的气候变化。北极海冰于2016年9月再次接近历史低点,而欧亚大陆中高纬雪盖面积随后增加,进而引发了2016年12月至2017年1月间中国东部的严重空气污染。


王教授认为全球气候变化导致的上述气候因子与区域大气环境变化趋势将在未来持续,“尽管当前中国政府正在努力减少污染排放,我们认为中国冬季空气污染现象将在未来一段时期内反复出现。目前这一污染问题在很大程度上由长期气候变化驱动,而不单单由短期人为污染排放因素驱动,因此在未来短时间内将很难获得明显改善。”


王教授希望在接下来的研究中将能够使用上中国新建成的空气质量监测网络的数据。他认为上述气候变化影响可能由于中国东部地区特殊的地形与区域环流结构而仅限于中国地区。但这一影响不仅针对空气污染问题,上述研究成果也会促使中国政府进一步致力于应对气候变化问题。


“北极地区的快速变暖现象正对中国产生越来越显著的影响。”他说,“这将促使中国政府不仅限于关注空气污染物的减排,同时注重考虑温室气体减排的协同效应。我们的研究表明削减温室气体可以帮助改善中国冬季空气质量。”

视频来源:佐治亚理工学院


该论文作者为:Yufei Zou, Yuhang Wang, Yuzhong Zhang, Ja-Ho Koo

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Arctic sea ice, Eurasia snow, and extreme winter haze in China

Sci. Adv., 2017, 3, e1602751, DOI: 10.1126/sciadv.1602751


导师介绍

王育航

http://www.x-mol.com/university/faculty/26783


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