气候变化背景下欧洲沙尘污染的加剧

《Nature》：Rising dust pollution across Europe in a changing climate

　　

矿物沙漠沙尘是大气总颗粒物的主要贡献者之一。沙漠沙尘爆发会降低空气质量，并对健康产生不利影响，包括哮喘加重和死亡率增加。在欧洲某些地区，近几十年来来自沙漠的传输沙尘爆发的强度和频率有所增加。然而，目前尚不清楚这种增加在整个欧洲是否一致，以及沙漠化与干旱或大气环流变化是否是这种增加的主要驱动因素。研究人员编制了一个欧洲站点每日沙尘金属浓度的数据库，建立了传输沙尘的稳健元素比值。利用该数据库，研究人员开发了一个机器学习模型，估算2012-2021年每日PM10（粒径小于10 μm的颗粒物）沙尘浓度，范围从北欧和中欧的2.09±1.05 μg m^-3到南欧的5.28±2.65 μg m^-3。在南欧，居民暴露于平均9.68±4.85 μg m^-3的传输沙尘事件，这与每日死亡率增加0.67±0.02%相关。过去十年沙尘入侵的加剧与大气环流变化有关。阿尔卑斯冰芯记录的数据显示，自工业化前以来，沙尘浓度增加了110%，主要与北非沙漠化有关。随着气候变化加速土地退化并影响天气模式，日益恶化的沙尘污染可能对公共卫生和空气质量目标构成越来越大的风险。

论文解读文章

**研究背景与问题**

沙尘在地球和气候系统中扮演核心角色，通过与太阳和地面红外辐射相互作用、充当云凝结核和冰核、向生态系统（尤其是海洋）供应铁等养分，并影响大气酸度，从而改变无机和有机蒸汽的分配。沙漠沙尘爆发通过提高PM10和PM2.5（粒径小于2.5 μm的颗粒物）水平而降低空气质量，扰乱经济活动（如航空交通），并对健康产生不利影响，包括哮喘加重、死产、死亡率增加甚至病原体运输。对欧洲特定地点的撒哈拉和中东沙漠传输沙尘爆发的分析显示，近几十年来其强度和频率有所上升。区域和全球模型表明，沙尘排放和传输与大型环流模式（包括北大西洋涛动（NAO）和对流层入侵）紧密耦合，这些模式会调节欧洲沙尘入侵的频率。阿尔卑斯冰芯的长期重建以及近期沙尘相关健康风险评估进一步强调了在气候变化背景下沙尘日益增长的重要性，这可能与北非干旱加剧有关。然而，由于沙尘水平强烈的时空变异性，目前尚不清楚这种增加在整个欧洲是否一致，以及沙漠化与干旱或大气环流变化是否是主要驱动因素。大多数现有研究依赖于粗分辨率沙尘传输模型、卫星代理或总PM10浓度来推断沙尘浓度，这些方法受限于排放参数化的不确定性、空间分辨率或缺乏观测约束。因此，缺乏基于观测的、覆盖全欧洲的沙尘水平、趋势、驱动因素及其对空气质量和健康影响的量化。

**研究概述**

研究人员通过开发一个数据驱动、观测约束的随机森林（RF）模型来填补这一空白，该模型基于欧洲最广泛的元素数据集进行训练。模型整合了多种数据产品，包括卫星衍生的沙尘光学厚度、土地利用信息以及最先进的物理沙尘模型。由此生成的2012-2021年欧洲范围每日沙尘PM10浓度，结合冰芯观测，能够全面表征沙尘的短期变率和长期驱动因素，确定控制其传输的气候模式，并评估其对当前空气质量限值以及短期暴露相关死亡率的影响。研究结论表明，沙尘浓度在欧洲普遍上升，南欧居民在沙尘事件期间暴露于较高浓度，并与死亡率增加相关；长期趋势与北非沙漠化和大气环流变化密切相关。该论文发表在《Nature》上。

**主要关键技术方法**

研究人员构建了基于随机森林（RF）的机器学习模型，输入数据包括：物理沙尘模型DREAM（巴塞罗那超级计算中心沙尘区域大气模型）的每日地表沙尘浓度、卫星反演的沙尘光学厚度（550 nm）、CERRA区域再分析气象数据（温度、降水、风速、风向）以及CORINE土地利用数据（分辨率200 m，涵盖14种类型）。模型训练数据来源于欧洲103个站点（包括城乡站点）的约18,500次每日PM10金属（Al、Ti、Si、Ca、Fe）测量，样本队列覆盖南部、中部和北部欧洲，但北欧和东欧数据有限。通过留一站点和留一年交叉验证评估模型性能，并利用阿尔卑斯Colle Gnifetti冰芯（4450米海拔）的Ca²⁺浓度序列（1750-2020年）进行长期趋势验证。

**研究结果**

**1. 沙尘现象学（Dust phenomenology）**
通过RF模型生成2012-2021年欧洲每日沙尘浓度（10×10 km分辨率）。南欧（45°N以南）年均沙尘浓度（5.28±2.65 μg m^-3）是北欧（2.09±1.05 μg m^-3）的2.5倍。季节性变化显著：东地中海春季（3-5月）浓度最高，西地中海则夏季（7-8月）达到峰值。模型验证表明，RF模型能准确捕捉高低浓度事件，优于物理模型DREAM。

**2. 沙尘入侵的变化（Changes in dust intrusions）**
南欧每年约46±7.82个沙尘事件日，入侵期间平均浓度达11.00±5.51 μg m^-3。2012-2021年间，欧洲大部分地区沙尘浓度以0.055±0.022 μg m^-3年^-1的速度增加，意大利和亚得里亚海地区增幅最大（0.074±0.030 μg m^-3年^-1）。入侵事件的严重性在南欧显著上升，尤其是亚得里亚-爱奥尼亚地区、爱琴海和巴尔干地区，而入侵频率在全国范围内略有下降。背景浓度也在北欧上升，表明传输沙尘影响扩大。

**3. 沙尘的气候与短期驱动因素（Climatic and short-term drivers of dust）**
阿尔卑斯冰芯Ca²⁺浓度显示，自工业化前（1750-1850年）至过去十年（2010-2020年），沙尘沉积增加了约110%，主要与北非沙漠化（由帕尔默干旱严重指数PDSI表征）相关。长期趋势与NAO（Spearman相关系数Rs=0.48）和PDSI（Rs=-0.70）强相关。2012-2021年间，沙尘浓度与撒哈拉振荡指数（SaOI）正相关，与地中海振荡指数（MOI）负相关，表明大气环流变化（如增强的南风）驱动了沙尘入侵强度和背景浓度的增加。

**4. 影响（Implications）**
截至2021年，南欧传输沙尘已占世界卫生组织（WHO）年均PM10指导值（15 μg m^-3）的31%，以及PM2.5指导值（5 μg m^-3）的25.8%。短期暴露于沙尘事件导致每日全因死亡率增加0.67%±0.02%，15岁以上人群呼吸系统住院率增加0.73%±0.04%，0-14岁儿童呼吸系统住院率增加2.47%±0.07%。沙尘浓度上升趋势虽未在十年内显著改变健康结局，但若持续增加，将加剧健康风险。

**讨论与结论**

讨论部分指出，沙尘变率的观测结果与北非沙漠化趋势和区域环流模式的双重影响一致，强调源区干旱和大尺度大气动力学对欧洲沙尘传输的共同作用。随着气候变化加速沙漠化并改变大气环流，沙尘污染将日益威胁公共卫生，并阻碍实现WHO和欧盟空气质量目标——这是气候变化对空气质量的直接反馈。

研究结论部分原文翻译如下：研究人员证明，自工业化前以来，由于沙漠化，阿尔卑斯山沉积的沙尘增加了110%；而天气尺度环流模式的变化加剧了沙尘入侵，使过去十年意大利南部年均沙尘PM10浓度增加了2.2±0.51 μg m^-3。随着气候变化加速沙漠化并改变大气环流，沙尘污染将日益威胁公共卫生，并阻碍实现WHO和欧盟空气质量目标——这是气候变化对空气质量的直接反馈。