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分类号:P4密级:公开研究生学位论文论文题目(中文)中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响CharacteristicsofColdAirActivityinChina论文题目(外文)andItsImpactonRespiratoryDiseases研究生姓名王琪学科、专业大气科学·气象学研究方向极端天气与灾害气象学位级别硕士导师姓名、职称李艳副教授论文工作2014年9月至2017年5月起止年月论文提交日期2017年5月论文答辩日期2017年6月学位授予日期2017年6月校址:甘肃省兰州市 原创性声明本人郑重声明:本人所呈交的学位论文,是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:日期: 中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响中文摘要冷空气活动是影响我国天气气候的重要天气过程,会带来气象要素的剧烈变化,对人群特别是患有天气敏感性疾病的患者健康产生重要影响。尤其在目前全球气候变化的大背景下,与冷空气活动密切相关的极端低温天气气候事件频发,给呼吸系统疾病这类天气敏感性疾病,带来更为显著的影响。本文借助最新发展的风寒指数,系统研究了我国冷季冷空气过程以及风寒指数的时空分布特征;在此基础上,选择南北方代表城市南京和兰州,研究冷空气过程对于呼吸系统疾病的影响及其机理。主要结论如下:(1)中国的冷空气活动呈现北强南弱、北多南少的分布特征。冷空气发生频次在1961-2014年整体呈减少趋势。将冷空气活动分为5个区域,发现4区即江南地区冷空气频次有所增长,其余4个区域频次均减少。冷空气活动有明显的年代际变化特征,在20世纪60、70年代冷空气发生频次偏多,80、90年代频次显著减少,2000年之后又有所回升。单次冷空气强度有所增强,但幅度不大,单次冷空气的持续时间主要为3-4天。风寒指数呈现南北方分布截然不同的特征。随着风寒等级的加大(4--6)相应的日数分布呈现南北的反位相状态,对于存在冷空气过程的风寒指数(-1--6)的日数特征,同样呈现南北反位相分布特征,北方3区(西北地区、黄河中下游流域、东北地区)以中度风寒、重度风寒为主,南方2区(长江流域、华南地区)以轻度风寒为主。风寒等级日数的时间变化也存在一定的年代际特征,但没有冷空气的明显。(2)2005-2008年南京地区体感分布全年主要以热域为主,呼吸系统疾病引起死亡的高峰期出现在每年的1﹑2和12月,与风寒指数分布呈显著的负相关,月平均呼吸系统疾病死亡人数与风寒指数相关系数可达-0.87。气象因子对呼吸系统疾病的影响存在明显的滞后效应,滞后效应在第三天达到最大,相关系数可达0.63。呼吸系统疾病死亡人数异常偏多的冷空气过程中气象要素变化的阈值分别为:气压增幅为8.6hPa,变湿为±0.16,风寒指数为-1.83。选择南京地区一次典型的寒潮过程进行个例分析发现,冷空气过程阻塞高压偏强,配合地面西伯利亚高压显著偏强,由此造成气象要素的显著变化,气压增幅达到22.1hPa、湿度变幅为0.23、风寒指数为-2.3、均超过本文得到的阈值范围,最终I 导致呼吸系统疾病死亡人数异常偏多。(3)对兰州市2001-2005年冷空气过程对于呼吸系统疾病的影响研究发现:兰州市2001-2005年全年体感以冷域为主,呼吸系统疾病入院人数冬季最多,冷季住院人数月分布与中度风寒日数显著相关,相关系数可达0.80。兰州冷空气对呼吸系统疾病有同期、滞后、前期的影响,滞后主要存在于冷空气过后的1-4天,前期影响主要在冷空气过境之前的1-3天,对于65岁以上的人群影响大于65岁以下的。呼吸系统疾病入院患者异常偏多的气象因子阈值分别为:气压8.1hPa、最低温降幅3.9C、风寒指数-1。选择一次寒潮过程进行个例分析发现,此次过程中乌拉尔山阻塞高压偏西偏强,而地面西伯利亚高压同样偏西偏强,冷空气主要影响我国西北地区。兰州地区气压降幅最大达到18.5hPa,日平均温度降幅为12.8C,使得呼吸系统疾病住院人数几乎达到5年日均值的2倍。对比发现:冷空气期间,湿度的变化对南京的影响比较显著,兰州则是最低变温的影响比较显著,这可能是因为兰州常年比较少雨干燥;两个城市冷空气过程中气压的增幅与呼吸系统疾病均有显著的关系;风寒指数与疾病的相关关系南京的大于兰州的。(4)利用WRF(WeatherResearchandForecast)模式模拟了兰州市2005年4月6-9日的一次冷空气过程,分析了WRF模式对于风寒指数的模拟能力。结果显示:WRF模式能够很好的模拟冷空气过程的形势场,也能够很好地模拟冷空气过程期间温度、气压等气象要素骤变的特征,因此其模拟量能够比较好的刻画体感温度和风寒指数的变化特征。这是一次有益的尝试,表明天气模式数值模拟可以提供精确到小时的气象要素值,如果能够获得相应的疾病资料,将会为深入认识气象对于人体健康影响机理以及防控相关疾病提供更多的参考。关键词:冷空气活动,风寒指数,呼吸系统疾病,人体健康II CharacteristicsofColdAirActivityinChinaandItsImpactonRespiratoryDiseasesAbstractColdairactivityisanimportantweatherprocessthataffectsourweatherandclimate,whichwillbringaboutdramaticchangesofmeteorologicalfactorsandhaveanimportantimpactonhumanhealthandweathersensitivediseases.Especiallyunderthebackgroundofglobalclimatechange,coldweatherandclimateeventscloselyrelatedtoextremelowtemperatureweathereventsoccurmorefrequently,bringingmoresignificantimpactonrespiratorydiseasessuchasweather-sensitivediseases.Inthispaper,westudythetemporalandspatialdistributioncharacteristicsofcoldairandthechillindexinourcountrybymeansofthelatestdeveloppedindex.Onthisbasis,wechooseNanjingandLanzhouastherepresentativesofthenorthandsouthcitiestostudytheeffectsofcoldaironrespiratorydiseasesanditsmechanism.Themainconclusionsareasfollows:(1)China'scoldairactivityischaracterizedbymodeofstrongnorth-southandnorth-southdistribution.Thefrequencyofcoldairwasdecreasingfrom1961to2014asawhole.BydividingthewholeChinaintofiveregions,itwasfoundthatthefrequencyofcoldairinthefourareashasincreased,andthefrequencyoftheotherfourregionshavereduced.Thereareobviousinterdecadalvariationsincoldairactivity.Thefrequencyofcoldairwasmorefrequentinthe1960sand1970s,significantlyreducedinthe1980sand1990s,andreboundedafter2000.Singlecoldairstrengthhasbeenenhancedbutnotsignificantly,it’sdurationismainly3-4days.Thedistributionofwindchillindexshowsdistinctcharacteristicsofoppositedistributionbetweenthenorthandsouth.Withtheincreasementofthewindchillfrom4to-6,thecorrespondingdailydistributionshowsthereversephaseofthenorthandthesouth,andthenumberofthewindchillindex(-1--6)inthecoldairprocessisthesame.The3regionsofthenorthwerecharacterizedasmoderatecoldorseverecold.Southern2regionsareofmildcold-based.Therearealsosomeinterdecadalcharacteristicsofthetimevariationofthenumberofdaysofcoldness,butnotsoobviousascoldairprocess.(2)ThedistributionofsomatosensorydistributioninNanjingareain2005-2008wasmainlydominatedbyheatfield,andthepeakofdeathcausedbyrespiratorydiseasemainlyoccurredin1,2and12monthseachyear,whichwasnegativelycorrelatedwiththedistributionofwindchillIII index.Thecorrelationcoefficientofmonthlyaveragenumberofrespiratorydiseasedeathsandthewindchillindexwas-0.87.Theeffectofmeteorologicalfactorsonrespiratorydiseaseshasasignificantlageffectwiththecorrelationcoefficientupto0.63onthethirdday.Thethresholdsofchangesinmeteorologicalfactorsduringthecoldairprocesswithabnormalhighnumberofrespiratorydiseaseswere:airpressureincreasementwas8.6hPa,humiditywas±0.16,andwindchillindexwas-1.83.AtypicalcoldwaveprocessinNanjingareawasselectedasacasetostudy,showingthattheblockinghighduringtheprocesswerestronger,andtheSiberianhighpressurewassignificantlystronger,whichresultedinasignificantchangeinthemeteorologicalfactors.Theairpressureincreasedby22.1hPa,thehumidityaddedby0.23,thecoldindexof-2.3,aremorethanthethresholdrangeobtainedinthispaper,ultimatelyleadingtoabnormallymorerespiratorydiseasedeaths.(3)AstudyontheeffectofcoldairprocessonrespiratorydiseasesinLanzhouCityfrom2001to2005showed:thesomatosentoryofLanzhouCitywasmainlycolddaysinthewholeyearfrom2001to2005,andthenumberofpatientsadmittedtorespiratorydiseaseswasthehighestinwinter.Thedistributionofhospitalizationincoldreasonswassignificantlycorrelatedwithmoderatenumberofcolddaysandthecorrelationcoefficientwas0.8.Impactsofoldairontherespiratorydiseasesarethesameperiod,lag,earlyimpact.Lagimpactwasmainlyafterthecoldair1-4days,andtheearlyimpactwasmainlybeforethecoldair1-3days.theimpactarestrongerforpeopleover65yearsofagethanwhowasunder65years.Respiratorysystemdiseasesinpatientswithunusuallyhighmeteorologicalfactorthresholdwere:airpressurewas8.1hPa,thelowesttemperaturedroppmentwas3.9C,windchillindexwas-1.Choosingacoldwaveprocessforacaseanalysis,itisshownthattheprocessofUralmountainblockinghighwasmorewestandstronger,andthegroundSiberianhighpressurewasalsomorewestandstronger,resultinginthatcoldairmainlyaffectednorthwestChina.Themaximumpressuredroppmentof18.5hPaandtheaveragedailytemperaturedroppmentof12.8C,makethenumberofrespiratorydiseasehospitalization2timesofthe5-yearmean.ComparedwithNanjingandLanzhouthechangeofhumidityhasamoresignificanteffectonNanjingthanthatinLanzhou.Lanzhouisthemostsignificanteffectedbythedailyminimumtemperaturechange,whichmaybeduetotherelativelydrydrierconditioninLanzhou.Therespiratorysystemdiseaseissignificantlyrelatedtotheincreaseofairpressureinthetwocities,whilethecorrelationbetweenwindchillindexandtherespiratorysystemdiseaseismoresiginificantinNanjingthaninLanzhou.IV (4)UsingWRF(WeatherResearchandForecast)modeltosimulatethecoldairprocessofLanzhouCityinApril6to9,2005,thesimulationabilityofWRFmodelforwindchillindexwasanalyzed.TheresultsshowthattheWRFmodelcansimulatethesituationfieldofthecoldairprocesswell,andcansimulatethesuddenchangesofthemeteorologicalfactorssuchastemperatureandairpressureduringthecoldairprocess.Therefore,thesimulationcanreflectthecharacteristicsofthewindchillindexandsomatosensorytemperature.Thisisausefulattempttoshowthattheweathermodelnumericalsimulationcanprovideaccuratehourlymeteorologicalelements.Ifthecorrespondingdiseaseinformationcouldbeaccessed,itwillbein-depthunderstandingoftheimpactofweatheronhumanhealthmechanismsandrelateddiseasesandgivemorereferencestothepreventionandcontrol.Keywords:coldair,windchillindex,respiratorydiseases,humanhealthV 目录中文摘要.....................................................................................................IAbstract.....................................................................................................III第一章绪论.............................................................................................11.1研究目的与意义...............................................................................................11.2研究现状..........................................................................................................21.2.1冷空气活动及风寒指数研究................................................................21.2.2冷空气对呼吸系统疾病影响的研究....................................................41.3本文研究内容..................................................................................................5第二章资料与方法................................................................................72.1资料..................................................................................................................72.2研究方法..........................................................................................................82.2.1冷空气的定义........................................................................................82.2.2风寒指数定义........................................................................................82.2.3统计学方法............................................................................................9第三章中国冷空气的时空分布特征....................................................123.1单站冷空气的分布特征..............................................................................123.1.1单站冷空气的空间分布特征..............................................................123.1.2单站冷空气的时间变化......................................................................173.2分区冷空气活动特征....................................................................................193.2.1区域冷空气活动的时间变化..............................................................203.3全国性冷空气活动特征................................................................................243.4本章小结.........................................................................................................26第四章风寒指数的分布特征..............................................................28 4.1风寒指数的空间分布特征............................................................................284.1.1单站空间分布特征..............................................................................284.2风寒指数的时间分布特征............................................................................324.3本章小结........................................................................................................37第五章冷空气活动对南京地区呼吸系统疾病的影响......................395.1呼吸系统疾病死亡人数与舒适度分布........................................................395.2呼吸系统疾病死亡人数与气象要素的相关性分析....................................405.3冷空气过程对呼吸系统疾病死亡人数的影响............................................415.42005年3月10-12日冷空气过程个例分析.............................................435.5本章结论与讨论............................................................................................45第六章冷空气对兰州市呼吸系统疾病的影响..................................476.1呼吸系统疾病的入院人数与风寒指数的特征............................................476.2兰州冷空气事件和呼吸系统疾病的相关性分析........................................486.32005年4月6-9日冷空气过程的个例分析.............................................506.4本章总结与讨论............................................................................................54第七章一次致病严重的冷空气过程的数值模拟................................557.1模拟设计方案................................................................................................557.2模拟结果分析................................................................................................567.3小结................................................................................................................61第八章全文结论与讨论......................................................................628.1总结................................................................................................................628.2特色与创新....................................................................................................638.3本文存在的问题及下一步工作计划............................................................63参考文献...................................................................................................65硕士期间研究成果...................................................................................69致谢...........................................................................................................70 兰州大学硕士学位论文中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响第一章绪论1.1研究目的与意义近几十年来,天气气候的改变已得到人们的广泛认可和关注,天气气候的[1-2]变化已对自然生态和社会各个方面产生着影响,不仅造成了愈来愈多的自然灾害,而且对人类健康也产生了多方面的直接或间接的影响,因此倍受关注。自IPCC第四次报告以来,气候变化影响人类自然环境和社会环境的证据不断[3-4]增多,气候和天气变化在一定程度上影响着人类健康。IPCC第五次报告明确提到气候的变化影响人体健康。IPCC工作组副主席RobertWatson曾告诫人们:“人类生物气象学即医疗气象学是需要我们深入研究的领域,气候变化对人类健康影响值得我们给予高度的关注”。中国气象局发布的《应用气象研究计划(2009-2014年)》领域3“城市与健康气象”也将气候变化背景下天气敏感性疾病(循环系统疾病、呼吸系统疾病、免疫系统疾病等)发病和流行诱发机制及预报技术列为优先研究的课题。在目前极端天气气候事件多发、对人群造成重大影响的大背景下,研究气候变化对于人体健康影响,进而逐步发展基于天气预报的健康气象预报,是我国由治疗为主向预防为主的重心前移的必要基础。气候-健康之间的关系在未来会带来更多的健康危机,气候的变化可能会加剧极端天气事件的发生,导致世界许多地方气候敏感性疾病的发病率和死亡率增加,尤其极端低温天气气候事件的发生,会使得相关敏感性疾病人群受到更[5-6]大的影响。事实上,近几年极端低温天气气候事件在全球许多地区已悄然而至,并呈现出愈演愈烈之势,这对于已适应了暖冬气候的相关人群而言,由低温严寒造成的超额死亡和相关疾病发病、加重的情形日趋严重。如2009年冬季,北半球多数国家受寒潮活动影响,气温明显偏低,俄罗斯中部、东欧、蒙古国东部和美国中西部12月份的平均气温均极端偏低。低温严寒造成多国超额死亡事件发生,其中仅波兰由严寒导致的超额死亡人数就超过了120人;2010年冬季,从亚洲、南美洲到大洋洲、欧洲,全球很多国家都出现了数十年不遇的暴雪、寒流,12月份仅欧洲地区因低温严寒造成的超额死亡人数就超过了224名;2011年冬季,低温严寒天气又席卷欧洲和东亚,对多国人群健康造成重大影响,俄罗斯、瑞典等高纬度国家死伤严重。冷空气活动带来的低温寒潮事件已对人类生存、人体健康造成危害,所以其对人体健康的影响需要我们更加深入的研究,从而做到将其预报化,以降低异常天气气候事件的发生对人类的影响。在以全球变暖为突出特征的气候背景下,气温的变化对人体健康的影响尤为突出,1 兰州大学硕士学位论文中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响其中低温寒潮等异常天气事件带来的气象要素的一系列变化容易使人体受到一[7-8]些非特异性的刺激。国家气候中心的统计表明,“1952-2007年,我国暖冬现象持续增长10%,全国性暖冬时段集中在1980s以来的近30年”。近几十年的暖冬气候使得我国相关人群已逐渐适应了暖冬和气温年(日)较差变小的气候环境,削弱了人体自身调节、适应和应对气候变化的能力。尤其在气温较低的[9]冷季,冷空气活动频繁,导致温度下降等一系列气象要素的变化,从而诱发天气气候敏感性疾病发病,呼吸系统疾病就是典型的这类疾病。呼吸系统疾病作为一种最为常见的多发病,已经成为威胁人类健康和生命的主要疾病之一。据2012年主要疾病死亡原因统计,呼吸系统疾病死亡率在城市位居第三,农村则占首位,是导致我国居民死亡的重要疾病。影响呼吸系统[10]疾病的因子很多,气象条件是其中重要的影响因子,气象要素包括温度、风[11]速、气压等因子均对呼吸系统疾病有不同程度的影响。但我国目前关于冷空气活动对呼吸系统的研究还比较少,且其研究多是从单一的气象因子角度,而气象要素之间是相互联系的,往往是多个因子的共同作用导致人生病或死亡,因此了解和研究冷空气对呼吸系统疾病的影响及影响机理有着重要的现实意义[12-13]和迫切需求。另外,不同的城市之间,其冷空气活动特征不同,对呼吸系统疾病的影响也不同,需要对其进行对比研究。因此,本论文基于这一需求,利用最新发展的风寒指数,研究中国冷空气活动的时空分布和风寒指数特征,利用南京和兰州这两个不同气候区代表城市的呼吸系统疾病资料,分析低温寒潮事件对呼吸系统疾病的影响,揭示低温事件对呼吸系统疾病影响及其机理,从而做到有效的预防,对未来天气预报的更全面化发展和疾病的预防有一定指示意义。1.2研究现状1.2.1冷空气活动及风寒指数研究冷空气过程是冷气团移动并引起天气变化的过程,冷空气的入侵对社会各[14]个方面均有不同程度的影响。中央气象台总结资料发现影响我国的冷空气源[15]地主要有三个,不同源地的冷空气的发生频次和强度各有不同,其中来自新地岛以西洋面的冷空气发生次数最多,强度最大;新地岛以东洋面的发生次数最少,但气温低,可达到寒潮强度;冰岛以南洋面的发生次数较多,但强度较[16]弱。冷空气从寒潮关键区入侵我国的路径主要有四条:西北路、东路、西路、2 兰州大学硕士学位论文中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响[15]东路及西路。由于其大气环流背景的差异,冷空气的来源和侵入我国的路径不尽相同,对我国不同地区也有着不同的影响。[17-18]近几十年来,我国冬季气温表现出了显著的年代际变化特征,在1960-1987年期间,全国冬季气温普遍偏低,这时期我国冬季寒潮爆发频次偏多;而在1988-1998年期间,全国冬季气温普遍偏高,这时期我国冬季寒潮爆[19]发频次偏少,全国气温偏暖,而从2004年之后又出现偏冷特征,特别是2008[20]年以来,冬季极端冷事件明显增多。王宗明等研究了欧亚大陆1949-2009年o的强冷空气活动特征发现:我国冷空气活动存在年代际活动特征,30N以南年[21]活动频次显著减少。康志明等研究发现1951-2006年间我国寒潮逐年活动频[22]次下降明显;周琳等指出我国大部分地区的冷空气活动频次呈减少趋势;Li[23]等对东北地区春季强冷空气和寒潮的研究发现其活动频次存在年代际变化,[24]近十几年其发生频次有所增加,但幅度不大;朱晨玉分析我国近50年寒潮的时空特征发现,近年来,中国南方的寒潮发生频次增加。在这种背景下,系统研究我国冷空气过程的时空分布特征,并以此为背景,研究其对于呼吸系统疾病的影响,具有重要的科学和现实意义。但如何将气候变化与人体健康有效的链接起来,是非常重要的问题。人生活在自然环境下,其身体健康受到多种因素的影响,其中天气气候因素对人体健康的影响是多种气象要素的综合作用,利用考虑多种要素协同作用的舒适度[25]指数来评估气候健康效应是有效的,也是气象服务的重要指标。最初,Siple[26]等根据在南极洲不同条件下裸露皮肤冻结的情况提出了第一个风寒指数经验[27][28]公式;Massey提出湿度会加强风速的冷效应,从而导致冻伤;Tromp在1959[29]年结合气温和湿球温度提出了不适指数;1966年,Terjung根据人类对温度、相对湿度、风寒、太阳辐射的生理和心理反应的调查研究提出了舒适度指数和风效指数;Schlatter在Siple等的基础上提出了贴近人体舒适感觉的风寒相当温[30][31]度;1991年,毛政旦在Siple等和Schaltter公式的基础上改进建立了更适合低风速下的风寒相当温度;2001年美国和加拿大气象服务公布了订正后的风寒指数公式,用于预报服务。上述研究可以看出,湿度、日照等因素影响人体的舒适感觉,所以仅用风速和温度来衡量人体对自然环境的舒适感觉存在不足。中国气象局在气象预报服务中,认为舒适指数在夏季以炎热指数为主,冬[32-33][34]季则以风寒指数为主。吴滨等用炎热指数计算了不同温热条件下的福州[35]市人体舒适度变化。吴兑分析对比4种舒适度的计算方法后,发现各种类型舒适感觉的指标都是基于温湿指数的变形,风速与日照因素不能忽视,不同公[36,57]式具有其适应性和局限性。舒适度指数是目前应用较为广泛的指标之一,3 兰州大学硕士学位论文中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响是从气象角度评价人体对不同气候条件是否感到舒适感的一项生物气象指标,[38]是综合多项对人类健康有显著影响的气象要素后设计的综合指数。王式功等基于黄金分割法提出的舒适度指数计算方法,综合考虑了纬度(与日照相关)、月份等时间和地形要素,同时结合温度、降水、湿度、风速等气象要素,具有[39,40]普遍适用性。本文的研究时间主要集中在冷空气活跃频繁的冷季,风寒指数是舒适度在低温条件下的集中体现,表征在冷条件下人们对气候条件感到舒适的程度。因此本文利用黄金分割法计算风寒指数来研究冷空气对呼吸系统疾病的影响,可以将冷空气过程与呼吸系统疾病有效的联系起来。1.2.2冷空气对呼吸系统疾病影响的研究[41-42]近几十年来我国大部分地区的气温呈上升趋势,对于已经适应了这种气候状态的人们,对冷空气过程带来的一些系列气象要素的骤变如温度下降、[43][44]气压增加的适应能力降低,诱发呼吸系统疾病,导致死亡率增加。WR等通过对英国慢性呼吸系统患者的调查发现冷空气对患者呼吸气流的阻力存在影[45]响。Latvala等调查芬兰的滑雪者发现暴露于寒冷和干燥空气下的滑雪者的支[46]气管哮喘的患病率高于普通人群的。Raatikka等对与冷相关的疾病症状的芬兰全国2002年的健康调查发现,尽管芬兰人一般很适应寒冷的气候,但冷事件发生时,大量人们仍会出现感冒症状,25%的男性、29%的女性出现呼吸道问[47]题,甚至导致死亡。HyrkäsH等针对芬兰20-27岁之间的年轻人调查发现:尽管年轻人身体素质较好,但冷空气仍会加重其哮喘和过敏性鼻炎的症状,造成咳嗽、鼻塞、呼吸短促、胸痛等症状。TheEurowinterGroup(欧盟生物医学[48]成立的联合研究组)研究欧洲大部分地区发现当温度在18C以下,温度每下降1C,呼吸系统疾病死亡率有显著提高,冷空气带来的降温对呼吸系统疾病[49]患者有不利影响。Aquilina等对美国13个健康成年人的持续实验测试后,指出对于上呼吸道感染疾病,冷空气会导致气道出现高反应性,不利于患者本身。[50]Cruz从机制上指出了冷空气诱发鼻炎可能是一种人体的补偿机制,是为了维持鼻粘膜的动态平衡。对美国12个城市的调查研究结果显示:在寒冷的天气条[51]件下,温度的变幅对呼吸系统疾病死亡有较大影响。[52]我国学者也做了相关研究。例如,莫运政等对北京市呼吸系统急诊患者[53]研究发现低温时呼吸系统患者人数显著大于高温时的。施海龙以辽宁省朝阳市为研究对象探讨干旱区影响呼吸道疾病的气象因子,发现平均气压、蒸发量、[54]平均降水量对呼吸道发病率影响较大。高少华等指出12月-次年1月冷空气活动频繁,导致气温大幅度下降,人体调节功能不能适应,西安地区呼吸道疾[55]病高发。李艳等分析兰州市冷空气与呼吸系统疾病的关系,发现冷空气对呼4 兰州大学硕士学位论文中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响[56]吸系统疾病有同期、滞后和前期的影响。张莹等通过研究南京市气象因子与循环系统、呼吸系统疾病的关系,发现低温是诱发患者死亡的主要气象要素;[57]耿迪等研究了南京市不同季节呼吸疾病与气象要素的关系,发现冬季是呼吸[58]系统疾病的死亡高峰期,低温是其主要原因。苏斌基于钦州市2003年呼吸系统门诊资料发现,冬春季节是呼吸道疾病发生的高峰期、夏季最少,冷空气过[59]后的升温期易导致感冒的发生。韩健康等建立了湖州市气象因子与呼吸道疾病的预报模型,拟合度为0.38,发现低温干燥易使人患病。对台湾1994-2003年的温度影响呼吸系统和心脑血管疾病的研究表明:低温使得呼吸系统疾病死[60]亡率增加。从现有的研究来看,我国寒潮或者冷空气过程对于疾病的影响,大多集中在单个城市,缺乏系统的对于我国不同气候区冷空气过程对于呼吸系统疾病影响及其机理的研究。另外,新型风寒指数的利用也明显不够,因此,利用新型的风寒指数,系统对比研究冷空气对于我国南北方城市呼吸系统疾病的影响,就显得非常的必要和急迫,因疾病资料获取的限制,本文选取南京和兰州作为南北方代表城市进行分析。1.3本文研究内容本文基于全球气候变化、极端低温天气气候事件频发的大背景下,利用风寒指数这一综合指数,着眼于天气敏感性疾病-呼吸系统疾病,主要研究了我国的冷空气活动分布特征、存在冷空气过程的时间里我国风寒指数的时空分布特征。在此气候背景研究基础上,选择南北方代表城市南京和兰州,开展低温寒潮事件对于呼吸系统疾病的影响及其影响机理的研究,并选择典型个例利用WRF模式进行模拟,探讨利用更加精细的数值预报产品进行冷空气过程影响呼吸系统疾病预测的可能性。本文章节目录如下:第一章绪论:重点介绍了研究冷空气活动影响呼吸系统疾病的意义,以及国内外相关研究。第二章资料与方法:介绍本文所使用的资料以及研究方法。第三章中国冷空气的时空分布特征:研究分析我国冷空气活动的时空分布特征。第四章风寒指数的分布特征:研究分析我国风寒指数的时空分布特征。第五章冷空气活动对南京地区呼吸系统疾病的影响:利用南京市2005-20085 兰州大学硕士学位论文中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响年疾病资料和同期气象资料分析冷空气与呼吸系统疾病的关系。第六章冷空气过程对兰州市呼吸系统疾病的影响:基于2001-2005年兰州市呼吸系统疾病患者入院资料及同期气象资料,分析冷空气对兰州市呼吸系统疾病的影响。第七章针对一次致病严重的冷空气过程进行WRF模式数值模拟第八章全文总结与讨论6 兰州大学硕士学位论文中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响第二章资料与方法2.1资料(1)气象台站观测资料:国家气象台整编的1951年1月1日-2014年12月31日中国大陆地区900个常规气象站观测站的逐日气象要素观测资料,主要包括气压、气温、相对湿度、风速、降水量等要素。由于各台站观测长度不一致,为了保证数据的一致性和质量,截取1961年之后的时间,并剔除存在缺省值的和迁移距离水平上超过10km、垂直方向超过20m的台站,最终共有461个台站资料,台站分布如图2-1。并根据冷空气活动的季节,选择其活动频繁的季节作为研究时期,11、12月及次年的1、2、3、4月,共6个月,这几个月平均气温在一年中较低,统称为冷季。图2-1461个台站分布(2)再分析资料:美国国家大气研究中心(NationalCenterforAtmosphericResearch,NCAR)和美国国家环境预报中心(NationalCenterforEnvironmentalPrediction,NCEP)提供的2005年1月1日-2008年12月31日、2001年4月7-9日逐日再分析数据,水平分辨率为2.5×2.5,以及2005年4月6-9日的最终分析资料(FNL),水平分辨率为1×1,时间间隔为6小时。(3)疾病资料:2005年1月1日-2008年12月31日根据死因及国际疾病分类整理的南京市区及范围之内呼吸系统疾病逐日死亡人数资料,来源于江苏省疾7 兰州大学硕士学位论文中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响病预防控制中心。2001年1月1日-2005年12月31日呼吸系统疾病住院病人病例资料,来自于兰州大学第一医院、第二医院、甘肃省人民医院和兰州军区兰州总医院,这四所医院都是大型综合性三甲医院,资料具有很好的代表性。2.2研究方法2.2.1冷空气的定义关于冷空气的定义:中央气象台定义:过程降温超过5C,温度负距平大于4C,记为一次一般冷空气活动;过程降温超过8C,温度负距平大于4C,记为一次强冷空气过程;过程降温超过10C,温度负距平大于5C,记为一次寒潮天气过程。过程降温是指冷空气过程连续降温的第一天与最后一天的日平均温度之差,温度负距平是指冷空气过程日平均气温最低日即过程最后一天的日平均气温与该日历史多年平均气温之差。[22]周琳等则以过程降温和日最低温小于等于5C来定义冷空气过程,其中过程降温大于等于6C,小于8C记为一次一般冷空气过程;过程降温大于等于8C,小于10C记为强冷空气过程;过程降温大于等于10C为寒潮过程。还有一些不同的定义,本文主要结合这两种方法的来定义冷空气过程,如表2-1。表2-1冷空气定义强度(C)过程降温(T)温度距平(ΔT)寒潮T≥10ΔT≥6强冷空气8≤T<10ΔT≥4一般冷空气T≥6ΔT≥42.2.2风寒指数定义风寒指数是舒适度指数在冷环境下的集中体现,目前使用比较广泛的是美国国家气象服务中心(NWS)和加拿大气象服务中心(WSC)2001年公布并经订正[61]的风寒指数公式应用,仅考虑了温度和风速的影响,没有考虑湿度、气压等其他气象要素的影响,具有一定的局限性,且考虑到地域差异,在南京、兰州[38]地区是否适用还有待考究。王式功等基于黄金分割法提出的舒适度计算方法[37]考虑了纬度、湿度和降水的影响,并得到了的实践应用。本文将使用其舒适度计算方法得到风寒指数。计算方法如下:8 兰州大学硕士学位论文中国冷空气的活动特征及其对呼吸系统疾病的影响Tb=22.7*[1.0-0.3sin(φ-23.5)]-|0.3cos[15*(M-1)]|(1)其中Tb为“最佳舒适温度”,φ为纬度,M为月份。计算体感温度的公式为:当Ta≥Tb时Tg=Ta+14*{exp[0.05*(Ta-Ts)*(RH-RHs)]-1}-0.03*(Ta-Tb)*V(2)当Ta
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