揭示中国西南部一个处于工业发展地区的偏远高原上空空气质量的变化：一项基于大气能见度观测数据的应用外文翻译资料

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揭示中国西南部一个处于工业发展地区的偏远高原上空空气质量的变化：一项基于大气能见度观测数据的应用

摘要：自二十世纪八十年代开始，中国的工业迅速发展，包括位于西南部偏远的云贵高原地区。为了分析工业发展期间云贵高原上空空气质量的区域性变化，文中我们采用了等效能见度，等效能见度是基于该地区上空203个观测点1980年至2010年的气象观测数据在排除了自然因素影响后所得到的。云贵高原的空气质量展现出大体上从西至东由好变坏的巨大空间差异。在这种空间分布中相似的季节性转变的模式是云贵高原在夏季低空气污染和冬季高空气污染的典型空气质量季节性变化。能见度增加和减少的趋势基本上分别集中在云贵高原高能见度和低能见度地区，显示了1980-2010年间云贵高原上空空气质量变化的极化现象。 云贵高原区域中值能见度展现了一个显著的下降趋势，由于空气质量的恶化变化率为(-1.5km/10年）。夏季能见度(33.6km)和冬季能见度(25.2km)的季节性差异随着能见度的年际间变化趋势(1980-2010年间夏季较强的下降率-2.29km/10年和冬季较弱的下降率-0.89km/10年）变得模糊，这导致了云贵高原上空空气质量季节性变化不明显。偏远的云贵高原地区已经经历过较频繁的霾污染，尤其是在过去31年内的东部高原。伴随着工业发展过程中不断增长的能源消耗，人口增长是影响云贵高原空气质量年际变化的一个重要因素。云贵高原地形明显的空间分布对较低的平地区域差的空气质量起到了影响而周围的山地地形空气质量较好。渐弱的季风在气象上使得1980-2010年间云贵高原上空大气污染物的区域性传输更少。在中国大气环境的季节性变化的含义是对可持续发展有潜在的效用。

1 介绍

在气象学上，水平能见度的观测是大气透明度的一个测量方法。有自然和人为因素影响视觉范围。前者包括降水，湿度，雾，暴风和自然的粉尘气溶胶；后者则是由人为活动引起的大气污染使得大气能见度降低。人类生产活动产生的大气污染物会改变大气的光学性质，特别是与大气能见度相关的变量。大气能见度已经被广泛运用为代替空气质量变化来表示环境污染物等级。

云贵高原位于中国西南部，东经97.5°至109.6°，北纬21.1°至29.3°面积约为560000平方公里，西北靠青藏高原，北临四川盆地。由于低纬度高原平均海拔约2000米，深的峡谷低于400米，山峰海拔3700米，云贵高原气候受高湿和温和的气温以及一些重要的空间变量影响。云贵高原作为中国西南部一个偏远欠发达的区域，它被视为中国良好空气质量地区之一。与中国东部发达和污染更严重的地区相比，对偏远的云贵高原上空空气质量变化的研究较少。

云贵高原地区在区域性气候变化上展现出一个独特的特征。与过去几十年全球性和中国区域性变暖不同，自从二十世纪中叶在云贵高原北部和临近的四川盆地最显著的是日最高温度有所降低，年中值温度有下降趋势。云贵高原在过去几十年间地表年平均温度的变化分别以北部的变冷趋势和南部的变暖趋势为特征。云贵高原大部分地区太阳辐射和日照时长的下降趋势自从二十世纪六十年代就已经被观测发现。通常认为人为气溶胶的冷却效应会使包括云贵高原在内的中国西南部上空的大气温度下降。

随着近几十年中国的经济发展，在中国西南部偏远的云贵高原也经历了一场快速的工业化，这就导致了过去几十年空气污染物排放的增加。但是云贵高原气溶胶的长期监测数据对区域性空气质量变化的气候分析不适用。而长期的能见度观测数据就能够作为替代，在气象学上测评空气质量的变化，因此气象能见度对环境大气的空气污染等级是一个很好的指示物。为了测评人为污染物对能见度变化造成的影响，在这篇论文中我们采用除去了自然因素影响的干空气条件下的等效能见度。基于31年里的（1980年-2010年）等效能见度数据，我们做了一个关于云贵高原上空空气质量区域性变化的气候性分析。结合人为污染物的排放和区域性气候变化， 一个关于偏远云贵高原上空能见度的长期气候分析能对全面了解中国的区域性气候和环境变化有重要意义。

2 数据和方法

本文中使用了中国气象数据监测网在云南和贵州两个省设置的203个观测点在31年（1980年 - 2010年）内观测到的能见度、降水、湿度、雾、粉尘、温度和风的数据集。总的能量消耗和人口数据是从云南和贵州两个省政府发布的数据年鉴里摘录的。为了更好的定量分析云贵高原的空气质量变化，我们已经用中国环境保护部门的监测数据分析了2014到2015年间贵阳和昆明两个省会PM10、PM2.5和臭氧的月变化，以及来自MODIS Level-3 product 的collection 005中气溶胶光学厚度（AOD）的数据。

为了做云贵高原上空空气质量变化的能见度数据的气候分析，能 见度数据会被用以下规则来预处理：

1. 当地时间14：00的观测数值将作为日能见度水平
2. 在能见度观测期间如遇降雨、降雪、雾、粉尘或者大风天

气发生，能见度数据需要进行分析来去除自然因素的影响

1. 为了去除湿度对能见度的影响，在空气相对湿度为

40%~90%之间的环境下观测到的能见度需用以下修正公式

转换为在干空气条件下观测到的等效能见度

基于1980年-2010年间预处理后的能见度数据，我们分析了：

（1）年平均能见度的变化趋势

（2）季节平均能见度和它的年际间的四季变化趋势

（3）云贵高原一年中由于霾天气能见度小于10千米的频次

用一个简单的线性回归模式给31年间的每一个观测点进行演算，得出了预处理后的能见度的长期趋势为线性趋势。

3 结果及分析

气象能见度通常被自然和人为因素所控制。如Sect.2所示的自然因素影响以外，这部分会提供1980年-2010年间空气质量变化对云贵高原的预处理过的能见度数据Vd（以下简称能见度）的气候分析，以更好的了解近几十年来区域性环境的变化。

3.1

图2所示的是1980年-2010年间云贵高原地区年平均能见度的分布。低能见度区域位于云贵高原的东部，特别是位于东北部临近四川盆地区域能见度最低（lt;16km）。相反云贵高原西部观测到的能见度较高，尤其是位于北纬26至29度之间的靠近青藏高原的西北部能见度最高（gt;40km）。相比之下，云贵高原之外的六个城市（北京、成都、广州、上海、沈阳和西安）的年平均能见度分别为10.67km、8.60km、10.76km、8.59km、8.16km和9.74km。包括昆明、贵阳两大城市在内的云贵高原因为能见度更高被视为中国空气质量良好区域之一。值得注意的是图二中云贵高原地区巨大的空间差异，能见度通常上从西到东递减，表征了云贵高原空气质量变化的空间分布的一个独特模式。云贵高原空气质量受巨大的空间差异控制，通常从西到东空气质量分布由好到坏。与云贵高原的地形和能见度相比，更清楚的是好（差）的空气质量在空间上与高（低）的地形相一致，这反映了地形通过气象变化和人类活动对空气质量的影响。

所有的四季平均能见度的空间模式都和年平均能见度分布相似，表明云贵高原由西到东空气质量由好到坏的空间分布季节性变化较小。但是，图三中可以看到能见度量级的明显季节性差异，尤其是在云贵高原夏季能见度高于冬季的东部，中部和南部，以及春秋两季中等水平的能见度，表现了云贵高原空气质量夏季空气污染低冬季高的典型季节性特点，这也被在云贵高原空气质量检测测量所证实，城市地区2014至2015年夏季高PM2.5、PM10浓度和冬季低浓度的季节性循环。根据2009年至2011年四川盆地省会城市成都气溶胶监测数据，在中国西南四川盆地也发现了空气质量夏季良好和冬季差的季节性变化。气象学上，中国西南地区包括云贵高原和四川盆地是典型的亚洲季风区域，云贵高原季节性降水表现为东亚夏季季风降水多而冬季降水少，这就在云贵高原空气质量的季节性变化中起到了关键性的决定作用。

我们关于1961 - 2005年在云贵高原观测到的太阳辐射的气候分析提出了云贵高原西部高太阳辐射和东部低太阳辐射的空间分布，最高值为丽江，最低值在遵义，证实了能见度对到达地球表面的太阳辐的依赖性。

3.2 变化趋势

图4显示了1980 - 2010年期间能见度年际变化趋势的空间分布。云贵高原地区能见度的下降趋势估计在84.2%，其中87.0%的站点的下降趋势过99%的置信度水平，而31年间15.8%的站点，大部分在西北部的能见度已经经历了上升趋势，其中56.3%的过99%的置信度水平。

有趣的是，云贵高原能见度增加和减少的趋势分别集中在高能见度和低能见度的区域，显示在1980 - 2010年期间云贵高原空气质量变化的极化现象。

以云贵高原区域为一个整体，31年来年际能见度变化的显著下降趋势显现出区域变化率为每十年-1.5千米，反映了过去几十年云贵高原地区空气质量变化的恶化趋势。如上所述，云贵高原能见度季节性变化从夏季高值到冬季低值。然而，夏季能见度（33.6公里）和冬季能见度（25.2公里）之间的季节性差异变得模糊，1980-2010年际能见度变化趋势在夏季下降较强（-2.29千米）在冬季较弱（-0.89千米十年），这意味着近几十年空气质量的季节性变化在云贵高原由于空气质量的恶化变得不明显。

1980 - 2010年华东地区冬季最常见的霾事件季节变化被观察到。然而，自1980年以来，空气污染物排放已经持续增加，导致了中国东部大面积区域，尤其是京津冀、长三角和珠三角地区的大量霾污染。在1980 - 2010年期间，中国东部年际霾能见度夏季的增加趋势较强，冬季较弱。霾事件作为冬季典型的环境现象，近年来在中国东部已经从冬季延伸到其他三季。中国大气环境变化的一个值得注意的事实是上世纪霾事件相对明显的季节性在二十一世纪变得模糊不清，也同样被在中国西南偏远的云贵高原工业发展期间空气质量的变化与能见度观察所揭示。

霾是一种近地面大气能见度小于十千米相对湿度小于百分之九十的天气现象。霾发生在低能见度和高气溶胶浓度是中国面临的一个普遍的空气质量问题，对公众健康造成了巨大挑战。如第二部分所述当相对湿度高于90％时能见度分析已经被筛查。因此，一年中能见度小于10公里的天数所占比重算为霾事件的年频率。 1980 - 2010年霾年频率趋势的空间分布如图6所示。 在1980年到2010年期间，云贵高原地区约71.0％的站点被估计霾事件呈增加趋势，其中78.9％的站点置信水平超过99％，大部分分布在高原东部和中部地区。中国西南偏远的云贵高原已经经历了更频繁的霾污染。2014年4月至2015年4月中国环境保护部空气质量监测数据显示，在云贵高原的两个省会城市PM10、PM2.5和O3的年平均浓度估计为，以及云贵高原市区10年（2001-2010）的气溶胶光学厚度平均值范围由0.14到0.55，表明了云贵高原城市良好的空气质量。与2014和2015相比2010年空气质量没那么差，云贵高原城市空气污染应该用更新的监测数据来做进一步研究。

3.3 影响因素

为了研究云贵高原空气质量时间和空间变化的影响因素，在1980 - 2010年期间做了能见度与能源消耗，人口，风力和地形的相关性分析。图7显示了区域平均能见度的年际变化和云贵高原总能量消耗及其在1980年至2010年之间的相关性。31年间的能见度和总能源消耗的相关系数为-0.96，过了99.9％的置信度水平。

云贵高原能见度或空气质量的下降趋势可能是由于化石燃料的更多使用导致的空气污染物排放的增加。 在中国东部经济发达地区，也证实了能见度降低和工业化程度更高的关系。1980 - 2010年期间能见度年际变化和人口的相关系数为-0.81，过99.9％的置信度水平，反映了人口增长与环境恶化之间的密切关系。云贵高原人口从二十世纪八十年代初不足6000万增长到本世纪初的8000多万。与资源消耗相关，云贵高原地区人口是影响空气环境变化的主要因素之一。

云贵高原地形受西高东低明显的空间分布差异影响，峡谷低于400米，山峰高达3700米。巨大地形可能会对被地形所围住的低洼地带的霾变化产生影响。与图1和图2中的云贵高原的地形和可见度分布相比，良好的（差的）空气质量在空间上对应高（低）地形。图9显示所有观测站点31年平均能见度和云贵高原的站点高度之间的显著相关性，相关系数R = 0.44过了99.9％的置信度水平，这可以更明确的反映地形对空气质量变化的影响。地形是控制云贵高原空气质量分布的重要因素。地形高度不是直接影响能见度的。对空气质量变化来说，地形可以影响风场和其他气象条件，并减少人口增长，城市发展和能源消耗。对地形影响大气环境的理解将对中国西南地区的发展规划具有潜在的效用。

东亚季风在近几十年观测到近地面风速呈下降趋势。东亚季风气候变化与中国相关气溶胶变化的环境结果已经得到许多观测和模拟研究的证实。由于云贵高原是东亚季风的典型区域，近地层风速在1980 - 2010年期间也稳步减弱。在1980 - 2010年间，近地层风和平均可见度的年际变化之间存在正相关，系数R = 0.68过了99.9％的置信度水平。减弱的季风导致较少的空气污染物的区域运输，这可能在气象上引起了1980 - 2010年期间云贵高原空气质量变化的极化现象。根据对中国气象局（CMA）1980 - 2010年对云贵高原降水数据的分析，云贵高原1980年至2010年年降水年际变化趋势不显著，意味着云贵高原降水的年际变化对空气质量年际变化产生的影响较小。

4结论与讨论

根据1980年至2010年在203个观测站观测到的气象数据，我们采用干空气条件下，排除自然因素的等效可见度来研究中国西南地区偏远的云贵高原空气质量对区域环境变化的影响。我们的研究可以总结为如下结果：

1. 气象上，低能见度（lt; 16公里）区域位于云贵高原东部，高能见度

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