巴西圣保罗大气电场（电位梯度）对人为空气污染敏感性的机制依赖性研究

研究摘要

本研究分析了 2018-2024 年期间，特大城市圣保罗的大气电场（通过电位梯度 PG 测量）对人为空气污染的敏感性。研究使用了严格晴天条件下（无降水且基于卫星的局部云量 < 20%）的长期数据集。在评估与污染物的相关性之前，作者构建了城市大气电场的稳健电学气候学，证明其日变化周期在相位和形状上都明显不同于卡内基曲线（Carnegie curve）。圣保罗的大气电场呈现出强烈的日调制特征：早晨出现极大值，下午因对流混合而出现下降；此外，在冬季大气条件较稳定的情况下，电场相对振幅更大。

相关性分析揭示了电场与污染物耦合中存在可重现的层级结构。初级燃烧气体（NOₓ、NO 和 CO）与大气电场表现出最强的关联性，在稳定条件下的日中值系数约为 0.6。相比之下，PM₁₀ 表现出较弱且多变的关联性，这取决于动力学机制。这一层级结构在严格同步的子集和扩展数据集中均得以保持，证实了其并非统计假象。此外，研究证明这种耦合强烈依赖于日变化周期：在边界层稳定且通风较弱的夜间和清晨，相关性较高；但在下午，由于湍流混合增强，相关性显著下降。

本工作的一个重要贡献是对时间滞后的分析。初级气体（NOₓ 和 CO）表现为无滞后的最大相关性，而次级物种和颗粒物（NO₂ 和 PM₁₀）则显示出约一小时的正滞后。这表明电场对初级排放的响应更为即时，而对次级或颗粒物过程的对齐则相对延迟。同样，研究量化了在公认晴天范围内的风速调制作用：虽然风并不直接主导电场的变化，但随着通风增加，它会系统性地削弱电场与污染物的耦合，其中对 PM₁₀ 的影响最为剧烈。

对人为扰动的分析强化了物理层面的解释。2018 年的卡车司机罢工并未在电场中产生持久信号，可能是由于其持续时间有限。相比之下，在 2020 年 COVID-19 封锁期间，在晴天条件下观察到大气电场持续下降；虽然保持了日变化结构，但整个剖面趋向于较低值，这为电场对排放显著减少的敏感性提供了证据。

最后，利用多元线性回归和随机森林模型，评估了大气电场估算 CO、NO₂ 和 PM₁₀ 浓度的预测能力。在稳定的夜间条件下，模型达到接近 0.5 的 R² 值，而考虑完整日变化周期时性能有所下降。稳定机制下线性模型与非线性模型的相似性表明，当大气混合被抑制时，物理耦合主要呈现线性特征。

总体而言，本研究得出结论：城市电场不应被解释为污染的通用指标，而应被视为一种取决于大气边界层动态机制的电学指标。在特大城市环境中，电场对人为排放的敏感性主要在稳定条件和弱通风下显现。

如何引用本项目：