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20世纪90年代初至2011年美国普遍的雾霾减少现象

摘要：

自20世纪90年代以来美国许多偏远地区的能见度显著改善。能见度趋势是使用由IMPROVE（跨部门监测的被保护的视觉环境）测量颗粒浓度的网络计算的环境光的消光系数（b分机）来估计的。20％的雾霾的b分机水平是遵循每年的区域性灰霾规则来计算的且聚焦于美国三大主要区域。在过去二十年（1992-2011），区域平均的20％有雾霾的b分机在美国东部下降了52％，沿着西海岸的站点下降了20％。然而，在山区/西南地区，趋势不显著。相比在西海岸区域的降低的35％和在东部降低的50％，在过去十年（2002—2011）在山区/西南地区雾霾的b分机下降15％。这种新颖的研究方面的发展趋势是通过可视化国家公园和其他偏远地区的图像，模拟早期和当前雾霾条件蒸发散系统。这些图像是一种用于通信趋势的有效装置并且说明了能见度的显著改善，尤其是在东方，其中硫酸盐浓度和二氧化碳排放量的削减已经对能见度下降产生了积极的影响。然而，虽然条件在西方地区更清晰，却有更少改进的需要去理解这些地区雾霾条件的趋势的影响。

引言：

在国家公园和美国，能见度一直被认为是空气中的一个方面的重要的质量保障。例如，国家公园服务机关颁布的1916年法案的目的在于“去保护风景和自然、历史对象和野生动物，并以这样的方式提供相同的享受，并让他们的子孙后代不受损害”（美国代码16.1.1）。随着1970年清洁空气法案（CAA）的通过和环境保护机构（EPA）的形成，主要监管程序被开发，其中包括国家环境空气质量标准（NAAQS）。该项由1977年民航局修订出台，提出了对于某些国宝的额外保护，一个关于C部分的修订案的目的是，对于空气质量显著恶化的预防，“在国家公园、国家荒野地区、国家博物馆、国家海岸和特殊的国家或区域的自然的其他领域如休闲，风景，或历史价值的领域，维护、保护、增强空气质量”（美国法典42.7470）。在1977年CAA（美国法典42.7472）修订颁布的那天，包括突破5000亩规模的国际公园，国家荒野地区和国家纪念公园和突破6000亩规模的国家公园，这些特殊地区被指定为I类区（CIA）。1977年修订CAA第169A申报为国家级目标“防止在强制I类地区任何由于从人为空气污染损害导致的，将来的以及任何现有的能见度障碍的补救措施”（美国法典42.7491）。1990年修订CAA第169B重点关注区域的阴霾，是专门设计用来解决通过由扩大知名度监测网络导致的可见性问题，要求调查研究霾的形成和运输（美国法典42.7492）。1990年修订的其他条文被设计用来减少空气污染和能见度对健康的影响。标题I解决NAAQS的指定非达标地区以及州际和洲际传输端口，第二编解决机动车排放和燃油标准。第四篇（酸沉降控制）建立监管任务减少电力公司的二氧化硫的排放（SO₂）和二氧化氮（NO_x），这两者中形成微粒气体环境，有助于可见性降解和酸沉积（美国法典42.7651）。

为了识别和应对跨境污染问题，环保局颁布了1999年（美国EPA，1999）区域性灰霾规则（RHR）。该RHR的成立，实现了由第169A条设立和在2064目标年之前156 CIAS呼吁的人为减少可见度的全国可见度目标，RHR要求20％的清洁条件不增加损害，和为了20％雾霾的条件RHR所定义的自然能见度条件有合理的进步。RHR中蕴含的消光系数（b分机）新断路器使用由主要气雾剂物种的散射和吸收造成的可见太阳辐射的大气衰减,使用从监测气溶胶浓度的视觉环境（IMPROVE）网络（马尔默等，1994年a;皮奇福德等人，2007）中形成物种的测量分子散射（瑞利）的计数来重建。单位的阴霾指数（DV），在用于重建b内线的对数变换（皮奇福德和马尔默，1994）的单元中，被选择用来跟踪的RHR雾度水平。由RHR限定，每个州要求在2064年之前每五年对实现自然能见度条件下的进步进行定期评估。据第9章报道，朝这些进展的一个审查目标为基准期（2000—2004）和1期（2005—2009）。

为了实现法规保守党的目标，他们开发了成功的缓解策略，比如说，RHR需要有助于能见度降解气雾剂物种的专业的理解。这些的贡献随不同季节和空间变化，正如在表面上描述2005—2008月平均重建b分机。在美国东部，由于在该区域较高的工业SO₂排放和硫酸浓度，消光因硫酸铵对于能见度的退化每年贡献60—70％，在夏季甚至更高（Brewer和Adlhoch，2005;布鲁尔和Moore，2009年）。在西部地区，从硫酸铵到b分机的月平均贡献低很多（10—30％）。在东部地区，从粒状有机物（POM）到b分机重建的每月的平均贡献在介于5％至20％。由于生物质燃烧和生物排放（例如，贾菲等人，2008; Schichtel等人，2008;霍顿等，2011），来自POM的阴霾贡献是在美国西部（40—70％）最大，同时在加州北部，蒙大拿州和爱达荷州贡献最高。硝酸铵的主要贡献发生在美国中心地区和加利福尼亚州南部（30—40％的速度递增，并在冬季高达50％），在东部和西南部（〜10％）的贡献减少。元素碳（EC）的贡献在西方10％左右和在东方〜5％。b分机细土的贡献，在东方不过百分之几，而在西南地区高达10％或更高。除了在某一些海岸遗址，海盐的贡献都微不足道。

通过对趋势分析提供的进展的评价，视觉空气质量随时间的变化可以量化，为满足监管目标，可以成功进行削减计划。通过近300个在美国的气象站显示，沙克特等人的研究（2001）报道人眼对于雾霾的的视觉范围测量从1980年到1995年显著下降。通过2010在北半球和南极洲远程站专家建议，气溶胶测量的光学特性的年代际发展趋势，在北半球和遥远的美国站，在90年代中期和21世纪初（Collaud科恩等，2013）已显著下降。其他研究已在遥远的区域调查了混浊引起的颗粒趋势，但不一定是它们对可见性或视觉场景的影响（马尔默等人，2002; Murphy等，2011;，2012A，2013年）。

演示在给定的场景视觉空气质量随着时间的推移的变化的影响是交流可见性趋势的有效方法。为此，我们使用可视化软件（空气资源目前的雾度水平专家，柯林斯堡，CO）模拟TIONAL公园和早期对应等偏远地区的NA-图像。为了重建对于长期（1990—2011）和短期水平（2000—2011）的个别IMPROVE位点，以及用于变窄的时间段区域聚集的场所的20％雾霾的b分机，我们依据RHR准则计算了雾霾水平。我们同样也评估了IMPROVE的年平均颗粒物质量浓度的改变和EPA的国家排放库存的年度总排放的气体。结合灰霾和颗粒物质量浓度和气体排放趋势的分析，并论证场景变化的影响是一种有效的手段来评价视觉空气质量趋势。这个评价旨在将国家目标和监管方案减少微粒浓度，从而改善在美国偏远地区可视性，是非常有用的评估。

1.实验
每三天IMPROVE网络收集从午夜到午夜本地时间的24小时样本浓度，再在环境条件下移植。无机阴离子通过离子分析色谱纠正，碳气溶胶（有机，OC和元素，EC）通过热光学分析反射率（TOR）纠正，元素浓度系统蒸发散是由X-射线荧光确定的，同时PM2.5和PM10质量浓度是通过重力称重确定的。关于提高网站定位的更多详细信息，取样、分析方法和网络的一般的详细说明和数据分析已经早前报告过了（马尔默等人，1994年a;手。等，2011年，2012b）。在本研究的数据缩减和分析之后进行了IMPROVE数据咨询（HTTP：//vista.cira.colostate.edu/improve/Data/QA_QC/Advisory.htm）。IMPROVE数据可用于下载(http://vista.cira.colostate.edu/IMPROVE).

假设外部混合，在550nm的波长重构环境下，订正的IMPROVE算法（皮奇福德等人，2007）被用来重建b分机。该算法可用于细粒（PM2.5）颗粒硫酸铵（4.125XS），硝酸铵（1.29 4 NO 33），聚甲醛（1.8 OC），海盐（1.8 2 Cl ），土壤和粗质（PM 10和PM 2.5）的散射。并且通过EC的吸收，它也同样可用于特异性位点瑞利散射（〜10毫米）。吸湿效应可用于以每月气候平均相对湿度值（美国EPA，2001年，2003年）为基础产生的每月特定地点的生长曲线（F（RH））。当保持美国各地的典型的区域和季节湿度模式，气候RH值减轻了RH年际波动的影响。气候上应用F（RH）值，避免了相对湿度对趋势的影响。生长曲线只适用于吸湿物种（鎓硫酸盐，硝酸铵和海盐）。20％雾霾和纯净b分机计算为20％的平均最高和最低b分机，基于RHR完整性标准（美国EPA，2003），分别计算出每个站点每年的完整数据。以前研究已证明修改后的算法能够准确地重建测量b分机。重建b分机的报道这里可以下载（http://views.cira.colostate.edu/fed）。

泰尔线性回归被用来计算b分机趋势，因为它能最大限度地减少异常值对回归结果的影响（泰尔，1950）。通过计算从b分机分散的回归斜率，用b分机的中位数超过时间段的趋势再乘以100％来计算个别站点趋势。特定的站点，考虑70％完整的年份以上的时间段，长期（1990—2011）和短期（2000—2011）趋势被用于计算。短期趋势从2000年开始采取利用网络扩张来满足RHR监测的要求。趋势是在90％的水平上认为是显著（P lt;0.10）的;显着性水平采用肯德尔头计算统计。通过汇总数据计算，区域趋势被成三个独立的美国大陆区域，包括的站点东，在山间/西南，和西海岸。网站在插页地图上显示后来的数字。此区域是基于在雾霾的b内线空间模式来定义的。在感兴趣的时间段，区域的发展趋势是通过在正常每年的b分机来计算,b分机的中位数给定地点，然后在每年一个区域的站点内,计算这些规范b分机的几何平均值，最后计算趋势上年度区域平均的规范b分机值。 区域趋势在时间上缩短了周期（1992-2011和2002-2011长期（LT）和短期（ST）的位点）分别地去计算不同地域覆盖范围，相对于特定站点的趋势，早些年网络发行和扩产能偏置趋势。

使用WinHaze2.9.9.1模式（空气资源模拟专家，柯林斯堡，CO）模拟了在不同场景的雾霾的b分机的变化的影响。 WinHaze用图像处理以合成气溶胶和辐射传输模块，来代表空气质量和环境条件的影像（马尔默等人，1983; Molenar等人，1994）。模型输入要求指定颗粒浓度，物种依赖的吸湿性和光学性质（即，质量消光化效率）和相对湿度，或测量和重新配置气溶胶的光学性能，如b分机。我们根据重建b分机值的开始和结束的趋势周期来输入雾霾，来说明在对应于场景变化计算出的发展趋势。场景模拟了约50国家公园和在b分机有效的趋势荒野地区。

2.阴霾趋势

通过图1和2分别展示的2000年到2002年和2009年至2011年平均20％雾霾的b分机的等值线图，相同的比例适用于同样的地图。在补充材料中类似

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