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經濟與發展

陈松蹊研究团队最新发现:中国北方气候变化并未加剧空气污染 |学术光华

日前,由北京大学光华管理学院商务统计与计量经济系、北京大学统计科学中心陈松蹊教授环境统计团队关于气象变化与中国北方地区空气质量状况评估的研究论文Meteorological Change and Impacts on Air Pollution - Results from North China被《地球物理学研究期刊》《Journal of Geophysical Research--Atmospheres》正式接收。

《地球物理学研究期刊》是美国地球物理联合会的旗舰期刊,包括7个分刊,收录的论文涵盖太阳、地球和行星科学、大气等众多地球物理学领域。创刊于1896年,是目前国际地球物理学界论文质量最高、覆盖领域最广、发行数量最多的国际顶尖學術期刊之一。

研究刻畫38年的氣象變量與大氣汙染的關系

随着经济发展,能源消耗的大幅提高,我国大气污染问题日益严重。但在北方的冬季,一场刺骨的北风往往能短暂“拯救”人们,带来连续几天的优良空气。在坊间,一个广泛流传的观点是北方近些年严重的大气污染可以部分归咎于中国北方的(1)大量植树造林和(2)兴建风力发电站所导致北风的削弱。在学术界,Wang et al. (2018) [1]和Long et al. (2018) [2]等研究也间接支持了类似的观点:Wang等使用中国北方的数据发现高气溶胶浓度(高污染)一定程度上促进了树木的生长,而Long等发现北京西北方向树木的繁盛导致京津冀地区PM2.5浓度上升了6%。此外还有一些研究也表示气候变化加剧了空气污染(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汙染的科學性。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個中國大氣汙染監測站點的數據。研究分爲兩個部分(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,並檢驗這些變化的顯著性(2)量化這些變化對2014年-2016年PM2.5濃度的影響。

圖1.研究區域爲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汙染物影響的研究。

研究发现:北风没有减少, 气温增加, 湿度减少

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。研究發現以下汙染物有顯著的變化:(1)地表温度上升了0.57度;(2)累计东北风速、边界层高度和耗散有显著上升;(3)相对湿度(北方变干)和累计西南风速有显著下降;(4) 但人们普遍关心的西北风没有减少。研究发现露点温度和空气污染程度显著相关,尽管地表温度在中国北方地区上升显著,显著下降的相对湿度使得露点温度很大程度上保持了稳定。同时温度的上升导致边界层高度和耗散的上升,造成有利于污染物的垂直扩散。總體來說,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汙染物擴散條件。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,並彙總在圖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汙染的效應。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年間的年度汙染削弱作用均在1.29%-2.76%之間。並不足以抵消人爲排放做造成的汙染。

综上所述,研究团队得出如下结论:(1)地表温度、边界层高度和边界层耗散在1979-2016之间有显著上升、相对湿度则有所下降,而北风并没有显著下降;(2)在1979-2016这两个19年阶段间的气候变化导致中国北方地区在2014-2016年PM2.5下降了1.9%-2.7%(3)中国北方地区近年来的空气污染并不能归咎于气候变化, 而是过量的人类排放。

该论文的第一作者北京大学元培学院2018届本科毕业生许子平 (现美国密西根大学安娜堡分校统计学博士生),其本科期间的学术导师是陈松蹊教授。文章的通讯作者是陈松蹊教授。另一作者是美国爱荷华州立大学气象系吴小青教授。本研究得到了国家重点研发计划《大气污染成因与控制技术研究》专项项目2016YFC0207701与国家自然科学基金项目71532001的资助。

[1] Wang, Xin, et al. "Field evidences for the positive effects of aerosols on tree growth." Global change biology 24.10 (2018): 4983-4992.

[2] Pendergrass, D. C., et al. "Predicting the impact of climate change on severe wintertime particulate pollution events in Beijing using extreme value theory." Geophysical Research Letters 46.3 (2019): 1824-1830.

[3] Chen, Huopo, and Huijun Wang. "Haze days in North China and the associated atmospheric circulations based on daily visibility data from 1960 to 2012." Journal of Geophysical Research: Atmospheres 120.12 (2015): 5895-5909.

[4] Cai, Wenju, et al. "Weather conditions conducive to Beijing severe haze more frequent under climate change." Nature Climate Change 7.4 (2017): 257-262.

[5] Taylor, Karl E., Ronald J. Stouffer, and Gerald A. Meehl. "An overview of CMIP5 and the experiment design." Bulletin of the American Meteorological Society 93.4 (2012): 485-498.



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