输送过程中沙尘毒性变化及其对人体呼吸系统急性健康效应的数值模拟研究

本项目针对我国北方特有的沙尘污染的区域大气环境问题，以及由此而造成的人体呼吸系统急性健康效应，在充分利用已有研究工作的基础上，拟通过进一步在沙尘暴发生源区（甘肃民勤）及其影响区（兰州）分别进行大气污染物采样分析、毒理学实验研究，探讨沙尘输送过程中对沿途污染物的吸附作用及其毒性成分的变化，揭示沙尘污染对人体呼吸系统急性健康效应的影响机理，充分借鉴现有的沙尘污染毒理学实验研究结果，采用人体流体动力学的理论和方法，研究构建沙尘污染对人体呼吸系统急性健康效应的数学模型，并在我们已有的中尺度区域沙尘数值预报模式和中尺度化学模式的基础上，发展一套沙尘污染对人体呼吸系统急性健康效应影响的数值模式模拟及预报系统，定量模拟研究沙尘污染物输送过程中的毒性演变及其诱发人体急性呼吸系统疾病的致病机理，为沙尘污染的急性健康效应的风险评价、高效防治及相应医疗气象预报业务系统的建立提供科技支撑。

本研究选取了呼吸系统和循环系统疾病这两类受沙尘气溶胶影响最为显著的疾病为主要研究对象，探讨了呼吸系统和循环系统发病特征，初步揭示了沙尘气溶胶等大气环境因子对人体呼吸系统和循环系统健康效应的影响，提高了沙尘模式的预报水平，并建立了循环系统疾病死亡人数和气溶胶以及其他影响因子的预报模型。. 本项目收集整理了呼吸系统、循环系统疾病门诊数据，分析这两种受气溶胶影响最为显著的疾病的发病特征。呼吸系统和循环系统疾病月均死亡人数整体上均呈“U”型分布，冬半年多（呼吸系统占58.51%，循环系统占56.11%），夏半年少（呼吸系统占41.49%，循环系统占43.89%）。采用时间序列半参广义相加模型(GAM),在控制了长期趋势、“星期几效应”及气象因素的影响后, 评价北京市大气污染对居民呼吸系统疾病门诊人数的影响，并按性别和年龄层建立空气污染物与呼吸系统疾病门诊人数的暴露-反应关系模型。3种污染物有一定的滞后效应,PM10在滞后0-3d(lag03)或0-5d(lag05)的移动平均值使呼吸系统疾病门诊人数的增加百分比(PI%)值达到最大,其中PM10、SO2和NO2浓度每增加10µg/m3,对应的呼吸系统疾病全人群的PI%分别为1.72%、1.34%和2.57%。年龄≥65岁的老年人群对北京市空气污染物最为敏感,其次为年龄≤14岁的人群；空气污染对女性的影响较男性明显。同时为了发展沙尘数值预报模式，对比分析了4种具有清晰风蚀过程的起沙方案，Shao（2001）起沙方案模拟结果与沙尘天气发生的实际范围和强度较为一致，该起沙方案模式对发生在我国的沙尘天气具有较好的预报能力。分析了影响风蚀起沙的关键因子土壤湿度的变化机理，土壤湿度的季节变化主要受降水影响；在无降水的情况下，土壤含水量呈现出夜间逐渐降低、白天逐渐上升的波形变化，这种变化与土壤水汽通量具有很好的一致性，而水汽通量的方向则受温度梯度的影响；然后对沙尘数值模式预报系统的土壤湿度的初值场进行了优化，使用气象台站观测的降水量、云量、气温、湿度和风速等资料，计算出我国实时的土壤湿度，该土壤湿度与实际情况较为相符，提高了沙尘模式系统的预报能力。建立了循环系统疾病死亡人数和气溶胶以及其他影响因子的预报模型，训练精度为0.005，训练了487步达到目的，最终误差为0.004 999 42，预测准确率达78.62%以上。