陈晓松教授课题组在空气污染物产生机理的研究方面取得重要进展

来源:作者:陈晓松 发布时间:2020-03-24 浏览次数:770


由于社会经济的迅速发展,工业化的扩张以及城市化的加剧,大气污染近年成为我国面临的主要环境问题之一。统计报告显示中国的500个大城市中,少于1%的城市的空气质量达到世界健康组织的合格标准。在空气污染物中悬浮颗粒污染物 PM占主要成分。医学研究表明空气中的颗粒悬浮物特别是空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物PM2.5会严重影响人类的心血管和呼吸道健康。颗粒污染物引起的灰霾事件尤其是重霾天气对人类的生活和健康都带来严重影响。空气污染在我国每年间接造成近一百万人的死亡。

由北京师范大学系统科学学院陈晓松教授参与并指导的一篇有关空气污染(标题为“Significant Impact of Rossby Waves on Air Pollution Detected by Network Analysis”)的文章,已发表在地球科学领域知名期刊Geophysical Research Letters (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019GL084649),首次发现大气Rossby波(位于中高纬度地区的长尺度大气波列,波长为5000~7000公里,由现代气象学和海洋学的开拓者Carl-Gustaf Rossby于上世纪30年代末期提出)对地表空气污染物有重要影响,并提出了相应的影响机制。

文章主要研究的污染地区为中国中东部、美国西部和东部。通过构建地面空气污染物PM2.5与500hPa位势高度的双层复杂网络,作者发现污染物网络与位势高度网络之间的大部分连边都来自于500hPa高空的两个团簇(见Figure 1(a),(b),(c),分别对应中国中东部、美国西部和东部),它们之间相距3000公里,这正好对应于Rossby波的半波长。例如,一个位于俄罗斯上空的团簇与中国中东部地区的空气污染物刚好形成反关联,另一个位于中国东北上空的团簇与污染物形成正关联。类似的现象在美国西部和东部地区都被观察到。



Figure 1.强负关联(蓝色)和正关联(红色)地域的分布。(a)对应中国中东部,(b)和(c)对应美国西部和东部。(d)至(k)为不同地区的关联函数。




作者进一步提出了该现象产生的机制。每个部分的两个团簇其实分别对应Rossby波的波谷和波峰(见Figure 2),在波峰处会形成反气旋(高压系统),进而导致地面附近出现静稳天气,不利于污染物的扩散并形成雾霾天气。相反,波谷处形成气旋(低压系统),则有利于污染物的扩散。但波峰和波谷会随着Rossby波的相位改变而发生切换,造成地面污染物的涨落。该效应对中国中东部地区PM2.5浓度逐日变化的贡献超过百分之五十。



Figure 2.Rossby波引起不同大气条件的示意图。(a)和(b)分别对应于低和高空气污染条件。



作者在文章最后还指出,部分研究结果表明北极的海冰正在加速融化,这会减小中高纬度地区和北极之间的温度差,从而导致Rossby波的相位变化放慢,这个变化趋势预示着未来雾霾天气可能会持续更长时间。

此项工作由以色列巴伊兰大学(BIU)张永文博士作为通讯作者,以色列本古里安大学(BGU)的 Yosef Ashkenazy教授、巴依兰大学(BIU)的 Shlomo Havlin教授以及北京师范大学陈晓松教授等参与共同完成。陈晓松教授领导的研究小组多年来一直从事统计物理和复杂系统及相关课题的研究,近年来关注地球复杂系统的动力学演化及预测。