由气象因素驱动的地表空气中铍-7和铅-212的宏观时空变异性

《Environmental Research》：Macroscale spatiotemporal variability of Beryllium-7 and Lead-212 in surface air driven by meteorological factors

自然放射气溶胶7Be和212Pb的时空分布及气象驱动因素研究。基于71个IMS监测站2010-2023年数据，分析表明7Be和212Pb的浓度存在显著的站点水平异质性（分别70.35%和90.03%），半球和季节变化影响较小。7Be呈现对称纬度分布，而212Pb受局部气象条件影响。气象参数中降水负相关（浓度降低），温度正相关（浓度升高）。太阳活动对7Be年际变化有显著负调控作用。研究揭示了两种气溶胶在全球及半球尺度上的独特时空模式，为环境放射性评估和气候模型验证提供依据。

　　本研究聚焦于大气中自然存在的放射性核素铍-7（⁷Be）和铅-212（²¹²Pb）的宏观尺度空间与时间变化趋势，以及它们与气象驱动因素之间的关系。这些核素在全球大气中广泛存在，但对其宏观变化特征的研究仍较为有限。通过分析71个国际监测系统（IMS）放射性核素监测站自2010年至2023年的数据，研究揭示了⁷Be和²¹²Pb在地表空气中的分布规律，以及它们如何受到气候条件和太阳活动的影响。

⁷Be是一种宇宙成因的放射性核素，主要由宇宙射线在大气层上部的核反应产生。大约三分之二的⁷Be生产发生在平流层，其余则在对流层中形成。这种核素的浓度在全球范围内呈现出明显的纬度分布模式，特别是在南北半球中均表现出对称的特征。然而，²¹²Pb的浓度则更多地受到局部气象条件的影响，如降水、温度和空气团的传输过程。由于²¹²Pb来源于钍-220（²²⁰Rn）气体的衰变，其浓度在钍含量较高的地区更为显著。

研究发现，⁷Be和²¹²Pb的浓度在不同监测站之间存在显著差异，这种差异表明站点特有的环境和气象条件在决定它们的浓度方面起到了关键作用。具体而言，⁷Be的站点间变化占到了总变异的70.35%，而²¹²Pb的站点间变化则高达90.03%。这说明，虽然全球和半球尺度上的变化对这两种核素的影响相对较小（均低于2%），但具体的地理位置、地形特征和局部气候条件仍然是影响它们浓度的重要因素。

从时间维度来看，⁷Be在全球范围内表现出一致的年际和年内变化模式，通常在春季和夏季达到峰值，而在冬季和秋季则出现最低值。这种季节性的变化趋势可能与太阳活动、大气环流和降水模式有关。相比之下，²¹²Pb的变化则更具有半球特异性，其浓度在不同半球中表现出不同的周期性特征。例如，在北半球，²¹²Pb的浓度可能受到不同气象条件的影响，而在南半球则可能由于气候条件的差异，呈现出不同的变化规律。

进一步的统计分析表明，降水对⁷Be和²¹²Pb的浓度具有显著的降低作用，而温度则有助于提高它们的浓度。这说明，这些核素在大气中的行为受到降水和温度等关键气象参数的调控。此外，太阳活动对⁷Be的多年度变化具有较强的负向影响，表明太阳活动的变化可能通过影响大气层的宇宙射线通量，进而影响⁷Be的生产速率和大气中的浓度变化。

通过将站点级别的数据整合到全球和半球尺度，研究能够识别出大气中更广泛的影响因素，如全球气候模式、平流层与对流层之间的交换过程以及陆地与海洋之间的对比效应。这种宏观尺度的分析有助于理解这些核素在复杂大气过程中的行为，从而为环境化学和大气放射性研究提供新的视角。此外，这种分析方法对于核与辐射应急响应也具有重要意义，因为它能够帮助预测和评估放射性物质在大气中的传播路径和沉积模式，从而为应对潜在的核事故或辐射事件提供科学依据。

本研究还强调了这些核素在全球和半球尺度上的变化特征，这对于验证全球大气环流模型和理解放射性物质的全球传输机制具有重要价值。研究结果表明，尽管⁷Be和²¹²Pb都受到气象条件的影响，但它们的变化趋势和影响因素存在显著差异。⁷Be的浓度变化更倾向于受到全球性因素的调控，如太阳活动和大气环流模式，而²¹²Pb的变化则更多地受到局部因素的影响，如地形、气候和土壤特征。

此外，研究还指出了这些核素在环境中的重要性。它们不仅是大气化学研究中的关键指标，还能够作为追踪大气过程和环境变化的工具。通过分析它们的浓度变化，科学家可以更好地理解大气中放射性物质的来源、传输路径和沉降机制，从而为环境保护和气候变化研究提供数据支持。例如，⁷Be的浓度变化可以反映大气中粒子的沉降速率和传输效率，而²¹²Pb的浓度变化则可以揭示局部地质活动和气象条件对放射性物质分布的影响。

本研究的成果对于核与辐射监测、环境科学研究以及全球气候模型的验证都具有重要的意义。通过对全球范围内71个监测站的数据进行分析，研究揭示了⁷Be和²¹²Pb在宏观尺度上的变化规律，为未来的研究提供了基础数据和方法参考。同时，研究还指出了在进行大气放射性物质监测时，需要考虑到站点的地理和气候特征，以更准确地评估其浓度变化。这种综合性的分析方法不仅有助于提高对大气放射性物质的理解，也为相关领域的科学研究提供了新的思路和方向。

研究过程中采用的Kruskal-Wallis检验方法进一步验证了这些变化趋势的显著性。结果显示，站点间的变化是主导因素，而半球和时间尺度的变化则相对较小。这一发现表明，在全球和半球尺度上，站点特有的环境条件对⁷Be和²¹²Pb的浓度变化具有决定性作用。因此，在进行大规模监测和数据分析时，需要充分考虑这些因素，以避免因忽略站点特异性而对结果产生偏差。

研究还强调了数据整合和统计分析的重要性。通过对每日数据进行空间和时间上的平均处理，研究能够揭示出更宏观的模式，从而识别出那些在个别站点中难以察觉的大气过程。这种分析方法不仅有助于提高数据的代表性，还能够增强对全球气候变化和大气环流模式的理解。例如，研究发现⁷Be的浓度在不同半球之间存在差异，这可能与太阳活动和大气环流模式的变化有关，而²¹²Pb的浓度则更多地受到局部气象条件的影响。

总的来说，本研究通过分析全球范围内多个监测站的数据，揭示了⁷Be和²¹²Pb在大气中的宏观尺度变化特征。这些发现不仅加深了我们对这两种自然放射性核素行为的理解，还为环境科学、大气化学和全球气候研究提供了新的视角和数据支持。同时，研究结果也表明，为了更准确地评估这些核素的浓度变化，需要结合站点的地理和气候条件，以及全球和半球尺度上的大气过程进行综合分析。这种多尺度、多因素的研究方法有助于更全面地理解大气中放射性物质的分布和变化，为未来的科学研究和环境监测提供了重要的参考价值。