环北京地区空气污染指数与降水的周循环特征及其影响机制研究

论文摘要

随着工业化、城市化日益加剧，人类活动排放的污染物迅速增多，大气气溶胶通过改变大气成分、辐射及反照率等影响着天气和气候。研究发现，很多地区，尤其是在城市化发展程度较高的地区，大气气溶胶及多种气象要素都存在相应的周循环特征。由于目前并未发现任何自然过程能够产生周期为7天左右天气变化，而人类活动有明显的周循环规律，所以这种周期过程的存在被认为是人类对气候影响的一种表现。研究逐日气溶胶-气象要素之间的相互作用，通过更可靠的统计检验，能帮助我们理解气溶胶强迫是如何影响天气和长期气候的。利用1980-2009年环北京地区地面常规观测气象要素资料、污染物资料及NCEP/DOE再分析资料，本文分析了环北京地区大气污染物浓度、降水及多种气象要素的周变化特征，并初步探讨了气溶胶对降水的可能影响机制。研究得到的主要结论为：（1）区域平均样本中，空气污染指数（API）周变化特征明显，周三最大，周日最小；最大值与最小值差异通过了置信度为95%的t检验；功率谱分析和小波分析均发现4-8天的周期较为明显，其解释方差高达27%。夏季平均可吸入颗粒物浓度（PM10）与相应地区的人口呈较好的正相关，相关系数为0.664，而其与PM106-8天正态方差（PM10）相关性较差。高ΛPM10样本中，PM10的周变化特征显著；而低ΛPM10样本中，6-8天周期的谱峰值均较低，周期图随频率变化不大，PM10的周变化没有通过置信度为95%的显著度检验。（2）降水量受污染物影响较小，日总降水量和日小雨量周末效应均未通过置信度95%的显著性检验；夏季降水频次尤其是小雨频次的周变化表现为周三最小，周末较大，与大气污染物呈反位相分布，最大值与最小值差异通过了置信度为95%的卡方拟合优度检验。功率谱分析显示，降水频率7天左右的周期变化通过了显著性检验。（3）多种气象要素均表现出明显的周变化，云量、对流层下层日均温度、大气稳定度、上升速度出现频率及水平速度均表现为周中较高，周末较低；而地面日均温度和对流层下层的垂直速度则表现出相反的位相特征。各气象要素的周最大值与最小值及周中与周末的差异基本通过了显著性检验。（4）分析风速等气象要素的周变化特征后，本文初步假设环北京地区API和气象要素间可能存在一种自反馈机制：气溶胶累积，引起对流层低层非绝热加热，导致大气动力和热力特征发生变化，影响云的发展，进而对降水产生影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 大气气溶胶
• 1.2 大气气溶胶与气候变化
• 1.2.1 大气气溶胶和气象的关系
• 1.2.2 大气气溶胶的辐射效应
• 1.2.3 大气气溶胶对云和降水的影响
• 1.2.3.1 大气气溶胶使降水减少
• 1.2.3.2 大气气溶胶使得降水增多
• 1.3 问题的提出及研究意义
• 1.4 研究进展
• 1.5 本文主要内容及创新点
• 1.6 论文章节安排
• 第二章 资料和计算方法
• 2.1 资料介绍
• 2.2 计算方法
• 2.2.1 自相关检验
• 2.2.2 标准 Quantile-Quantile（Q-Q）图
• 2.2.3 谐波分析
• 2.2.4 功率谱分析及周期图
• 2.2.5 小波分析
• 2.2.5.1 加窗傅里叶变换
• 2.2.5.2 小波分析算法
• 2.2.5.3 小波分析计算步骤
• 第三章 环北京地区空气污染指数（API）与降水的周循环特征
• 3.1 研究区域概况
• 3.1.1 环北京地区气候特征
• 3.1.2 北京市城市发展概况
• 3.2 降水的周循环特征分析
• 3.2.1 数据处理
• 3.2.2 降水的周变化特征
• 3.2.2.1 降水量的周循环特征
• 3.2.2.2 降水频次的周循环特征
• 3.3 API 的周循环特征分析
• 3.3.1 数据处理
• 3.3.2 API 的周循环特征
• 第四章 环北京地区夏季可吸入颗粒物与气象要素的谱分析研究
• 4.1 资料选取及数据处理
• 4.2 环北京地区可吸入颗粒物周变化谱分析研究
• 4.2.1 平均气溶胶浓度与 6-8 天正态方差的相关性分析
• 4.2.2 低PM10样本和高PM10样本中气溶胶浓度的周变化特征
• 4.3 低PM10样本和高PM10样本中各气象要素的正态方差
• 第五章 大气气溶胶对降水产生影响的机制假设
• 5.1 区域平均样本中各气象要素周变化特征
• 5.2 高PM10样本和低PM10样本中各气象要素的区域平均周变化特征
• 第六章 结论和讨论
• 6.1 全文总结
• 6.2 讨论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介