中国50年不同能见度等级的概率外文翻译资料

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中国50年不同能见度等级的概率

Jian Wu bull; Xiao Zhang bull; Jianyong Hu bull;Deming Zhao

摘要：在中国483个台站采集的1960年到2009年晴天能见度数据被用来检查不同能见度等级的概率。晴天能见度分为四个等级：不良等级（PG），正常等级（NG），良好等级（GG）和优良等级（EG），概率分别为10%,40%,40%和10%。经过对四个等级概率变化的分析得到，四个等级的概率的季节性变化表明晴天最好的空气质量最有可能发生在中国夏季，其次是冬季，最不可能在春季发生。从1960年到1999年，NG和GG的线性趋势系数的总体模式是相似的，而在2000年以后，PG和EG的概率大幅下降。 2000年后PG的概率降低可归因于空气污染控制措施;然而，2000年以后EG的下降概率表明2000年以来中国的快速发展使得难以获得优异的空气质量。

1. 简介

能见度是大气透明度的重要指标。由于能见度受大气气溶胶粒子的影响，它被认为是区域大气环境质量的直接反映（Oezkaynak 等人.1985; Malm 等人.1994）。因此，它已成为研究大气污染和区分空气质量差的高度相关因素。使用能见度测量代替大气污染物测量已经引起人们的重视（Doyle and Dorling 2002）。研究表明，过去几十年来许多地区的能见度下降趋势，其中大部分是由于气溶胶的增加。

Ghim等人（2005）讨论了从1980年到2000年韩国能见度的时间趋势和空间分布，发现空气污染物是造成能见度降低的主要因素。Che等人（2007）指出，气溶胶的增加会导致能见度降低。Bauml;umer等人（2008）发现，能见度降低伴随着PM10和气溶胶光学深度的显着增加。Molnaacute;r等人（2008年）表明，人类气体排放的减少导致匈牙利能见度的增加。Wu等人（2012）分析了中国晴天干燥日的能见度变化，并发现能见度明显下降的趋势。

尽管中国和其他国家的能见度下降得到了很好的记录，但对能见度水平下降趋势的直观描述还不清楚，应该给出比能见度距离本身更清晰的能见度变化图。因此，揭示这种在大气污染控制措施生效期间收集数据中的模式是很重要的。

本文提出的研究将能见度数据分为四个等级，并检查每个等级的概率变化。 数据和方法在第2部分中描述，第3部分探索各种能见度等级的概率特征，第4部分介绍了大城市，中等城市和小城市相应地区四个等级的时间变化。 第5部分得出了结论和对结果的讨论。

1. 数据和方法

2.1数据

本文使用了在753个中国气象站收集的1960年到2009年日常能见度，云量和相对湿度数据。每天在北京时间2点，8点，14点和20点观察4次能见度（本文通篇使用），但只有在14:00记录的数据在我们的工作中进行了分析。 2:00和20:00的观测分别在夜间和黄昏时分，选定的参考物体与白天使用的参考物体不同，造成数据不一致。同时，8:00的能见度很容易受到辐射雾和晚上形成的地表反转的影响，这可能会损害这些数据的可靠性。将云量和相对湿度数据记录为日均值。在我们的分析中只使用了数据缺失不超过总观测时间1％的台站。发现如果选择0.5％的较窄阈值，则仅存在位于大中城市的180个台站，这可能导致对小城市的分析不准确。此外，当使用2％的较宽阔的门槛值时，某个电台可能丢失了某一年的一半以上的数据，这可能会影响对相应城市季节变化的分析。最终，选择1％作为标准，这意味着丢失数据超过任何一年的一半的台站将被拒绝分析。按照这一标准，数据收集范围缩小到483个电台。

气象因素（如相对湿度和云）会影响能见度。例如，能见度随着温度和风速的增加而增加，而随着相对湿度和大气压力下降（Tsai，2005）。为了减少高湿度和云层覆盖造成的误差，只选择干燥和晴天的观测数据进行分析;这些天需要满足总云量不超过40％并且相对湿度低于70％的标准。Wu等人（2012）首次使用了日平均相对湿度标准，该标准对中国过去50年来受气溶胶影响的长期能见度变化进行了广泛调查。云遮蔽阈值常用于晴天的识别。通过应用这些标准，可以用干燥和晴天的能见度变化，更有效地反映空气污染的变化。当剩余数据与原始数据进行比较时，发现其余数据占每个季节原始数据的大约27％，这意味着这种严重的数据过滤会减少可用数据的总量，但不会强加强烈的季节性取样偏差。

2.2 方法

接下来将讨论晴天和干燥天的四个能见度等级的概率。为了计算能见度概率，首先计算483个台站的平均序列; 其次，将能见度从低到高排列为均匀序列; 最后，均匀序列被分成四个片段，使得每个片段的长度按秩排序包括总平均序列的10％，40％，40％或10％。 每个细分的能见度范围用于定义四个等级中的一个，如表1所示。

能见度的前10%和后10％分别对应PG和EG，可以被用来识别高度可靠的空气质量差异;然而，确定NG和GG的标准似乎有些武断。 40％的最终标准是许多测试的结果。测试了几种不同的标准，包括25%,25%,25%,25%和15%,35%,35%,15%。我们发现这些等级划分标准存在一个共同的缺陷，即四个等级中观察能见度的概率差别很大;例如，PG概率可能达到90％，而NG概率小于10％。这两个等级之间的这么大的差距导致难以比较。最终，我们的工作选择了10％，40％，40％和10％的标准。应该指出，所使用的标准是基于全部483个台站的平均能见度，因此特定台站四个等级的实际概率可能不等于标准定义，并且可能随时间而变化。

表1 分析中的四个等级的能见度分类

本文使用了线性趋势分析，相关系数分析和t检验分析（Wei 1999; Huang 2004a），以及集合经验模式分解（EEMD）（Huang and Wu 2008; Wu and Huang 2009）。 EEMD是一种相对较新的数据自适应方法。这种新方法利用了白噪声统计特性的全部优点来干扰其真正解决方案附近的信号，并在服务于其目的后自行消除。使用这种集合均值，可以自然地将这些尺度分开，而不需要任何先验主观标准选择，如在原始EMD算法的间断测试中那样。因此，它代表了对原始EMD的实质性改进，并且是真正的噪声辅助数据分析（NADA）方法。已经证明它是分析许多地球物理场非线性和非平稳数据的有力工具（Breaker and Ruzmaikin 2011; Franzke and Woollings 2011; Qian 等人.2011）。在我们的工作中，EEMD被用来确定长期的能见度趋势。来自EEMD的趋势排除了移动平均和线性拟合方法中体现的一些人为假设，这些方法通常用于分析气象数据。

1. 四个能见度等级概率的时间和空间特征

3.1四个能见度等级概率的时间特征

四个能见度等级的概率变化的分析如图1所示。PG的概率lt;20％，从1965年到1987年增长率2.3％/ 10 a。 1987年以后，PG概率开始下降，在2000年后以3％/ 10 a的速度迅速下降。这种PG概率的趋势可以归因于1988年在中国实施的预防大气污染的措施（Cao 1988）以及随后的一些措施，例如炉子改进计划，硫磺洗涤器计划和铅处理工艺，免费汽油政策（Zhang等2010）。 PG的名称表明严重的低能见度和严重的污染，所以一旦采取了环保措施，PG概率的相应降低应该是第一次观察到的对能见度的影响。NG的能见度数据具有四个等级的最高概率，并且在这50年期间显示出50%的稳定概率。 GG概率在1990年以前呈下降趋势，20世纪60年代最快下降速度为8.5%/ 10 a，之后在2000年至2004年期间迅速增加。20世纪80年代，EG能见度的概率以0.87%/ 10 a的速度开始缓慢增加，但从1992年到2000年以-11.8%/ 10 a的速度下降。值得注意的是，EG概率在2000年后几乎降为零。2000年以后，中国的能见度开始迅速变化，这可能是由于中国工业部门在20世纪90年代后期大幅度转变为重化工业化。这种转变导致资源消耗增加和对环境的影响更大（Fan和Li 2008）。因此，在此期间空气污染迅速增加（Jin 等人.2011），高能见度条件比低能见度条件对大气污染排放更为敏感（Deng等人，2012）。

四个能见度等级的概率的季节变化表现出明显的双峰波动如图2所示。春季出现最大PG概率和NG概率和最小EG概率，概率值分别为13%,36.5%和13.5%。据报道，4月份中国大部分地区沙尘暴发生频率最高。春季中国东北地区沙尘暴发生次数占每年总天数的60%-70％。在其他地区，春季发生50%-60%的沙尘事件（Wang 等2003）。因此，观测到的低质量春季能见度可能与中国大部分地区该季节沙尘暴易发期有关。8月份出现的最大GG，EG概率和最小NG概率分别为40%,18.5%和28%，这可归因于夏季强对流条件下快速空气污染物扩散。冬季最低GG概率为35.5%，这可能与边界层反转层有关，也与中国许多地区的能源消费季节性增加有关，包括一些位于南部地区的城市。发现广州冬季观测到的含碳气溶胶的高负荷可能是由于冬季居民偶尔使用燃煤造成的（Cao 等2003）。另外，图2所示的PG概率在春季和秋季较高，但PG在所有季节的四个等级中保持在最低概率水平。 PG的年平均值在5%以下，在不同月份的晴天造成严重的空气污染的原因是不同的，其中可能包括较大的能源消耗和冬季的反转层，春秋季大量的沙尘暴天数，以及在夏季可能产生二次气溶胶。一般来说，晴天最好的空气质量是在夏天，其次是冬天，而最严重的空气质量发生在春天。这一分析为中国空间平均空气质量的季节变化提供了新的认识。

图1 50年期间四个能见度等级的概率

图2 四个能见度等级概率的季节变化

3.2四个能见度等级概率的空间特征

图3显示了四种能见度等级概率变化的线性趋势系数。中国西北部和东北部，内蒙古和四川盆地的PG概率明显降低。中国东北部和内蒙古南部的趋势系数小于-0.003，并且通过了0.05的显著性t检验（图3a）。图3a显示了中国东部和东南沿海地区，长江三角洲（YRD）以及京津唐三角洲地区（BTT）的增长趋势，趋势系数为0.003。值得注意的是，在中国能见度最低的地区之一的四川盆地（Wu 等2012; Chang 2009），一些台站的数据表明PG概率正在下降。在中国西北部的东部和西部地区，中国西南部，东南部、东北部的大部分地区、长江中下游、BTT的三角洲地区NG概率的增涨趋势明显（图3b）。减少的趋势主要出现在中国西北部，内蒙古，青藏高原和川西高原中部，趋势系数通过了显著性t检验。NG概率下降的地区是人口密度低的地区。图3c显示了GG概率的趋势，与图3b几乎相反，在中国西北部，中国西南部和内蒙古北部等人口密度较低的地区呈上升趋势。下降趋势主要出现在中国东南部，长江中下游和三角洲地区。如图3d所示，EG概率的增加发生在中国北方的大部分地区，长江中下游以及中国南部和东南部，尽管这些地区大部分EG增加没有通过显著性检验。而中国西北部，中国西南部分地区，黄河和淮河流域，BTT三角洲地区以及中国南部和东南部的一些城市的EG概率降低，其中下降趋势通过了0.05的显著性t检验。

图3 1960年至1999年四个等级概率的线性趋势系数[以0.05的置信水平通过显着性检验的台站用圆圈表示; 数字表示以下区域：内蒙古（1），BTT（2），黄河三角洲（3），青藏高原（4），四川盆地（5）和长三角（6）].a PG，b NG，c GG，d EG

2000年之前和2000年之后的四个能见度等级的概率差异如图1所示，2000年以后四个等级的线性趋势系数分别在图4中给出。2000年后的PG概率显示除中国南部沿海以及云南和新疆等省出现一些奇怪的增长外，几乎所有的中国地区都比2000年之前有明显的下降趋势（图3a）。2000年以前，BTT三角洲地区，华南地区，中国东南沿海地区和中国东北地区呈增长趋势。2000年后PG能见度明显下降，反映了清洁煤加工技术，清洁高效煤燃烧技术，洁净煤转化技术，汽车尾气处理技术和排放控制技术等空气污染控制政策的实施（Huang 2004b），有效减少了中国严重的空气污染。

2000年以后的NG概率（图4b）显示中国中部，东北部的南部和东北部以及中国西南部和东南部的沿海地区呈上升趋势。 NG能见度在中国西北部，内蒙古和珠江三角洲地区呈下降趋势。2000年以前，中国中西部和中国东南沿海地区呈下降趋势，而珠江三角洲地区和西北地区则呈上升趋势。中国北部和东北部，长江中下游以及黄河和淮河流域的GG能见度（图4c）呈下降趋势，然而，东南沿海地区，西南和西北地区以及内蒙古地区的增长趋势明显。总体而言，NG概率和GG概率在2000年前后都表现出相似的模式。

几乎中国地区的EG能见度呈下降趋势，如图4d所示，但是只有中国西北部的减少趋势通过了显著性检验。 2000年之前和2000年之后的EG趋势明显不同（图3d），这应该归因于2000年以后的空气污染控制措施。2000年后EG能见度概率降低表明，增加EG能见度的概率比减少PG能见度的概率要困难得多。而中国的空气污染控制措施未能提高EG能见度的概率。

图4 2000年至2009年四个等级概率的线性趋势系数（在0.05的置信水平下通过显着性检验的台站用圆圈表示）. a PG，b NG，c GG，d EG

图1所示的中国平均趋势和四个等级的一些区域平均趋势之间存在差异。具体而言，2000年之前中国西北部和云南省的PG概率与中国大部分地区PG概率的增加相反，四川盆地南

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