建模过去和未来时空分布的空气过敏花粉在美国连续gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

机载过敏花粉,发出树木、野草和草,是一个主要的引发过敏性气道疾病(AAD),影响5%至30%的人口在工业化国家(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)。据估计,pollen-related哮喘急诊在连续的美国(本土)将在2090年增长14%在高温室气体排放情况下(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)。合作的过敏花粉与空气污染物,如臭氧和颗粒物已经报道,会加剧过敏症患者的广告(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba10gydF4y2Ba)。花粉接触也增强了对呼吸道病毒感染的易感性,包括SARS-CoV-2 (gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba13gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

花粉季节的时间和大小是由不同的生物和物理过程,在特定的环境条件可能会影响单个或多个进程同时进行。温度和降水有直接影响植物物候学(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba)及其变化会导致花粉季开始和持续时间的变化对spring-flowering发散和欲求类群(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba)。气象因素也影响花粉粒的排放和交通。例如,更高的温度,风速,湿度低有利于花粉释放(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba);累积降水量减少空气中的花粉gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba湿沉积(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba)。此外,温度和降水产生长期影响物种分布和改变的花粉生物学多尺度(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba)。有证据表明植物种群正北方气温凉爽(gydF4y2Ba19gydF4y2Ba)以及向更大的地区的水可用性(gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba)。由于上述过程的复杂性和相互依赖关系,基于不同的研究,尤其是在大陆范围内(如美国、欧洲)在大的时间跨度(10到30年)在多个分类单元(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba23gydF4y2Ba),进行评估的影响气候的司机在花粉时机和水平。例如,安德雷格等。gydF4y2Ba22gydF4y2Ba)报告,花粉季节开始前20天,花粉浓度在北美增长了21%,根据花粉的观察(所有类群的总和)从1990年到2018年。gydF4y2Ba

基于观察的方法进行分析,并将历史趋势和花粉指数与气候因素,这完全取决于数据。然而,花粉数据在时间和空间稀缺——在美国,只有∼80花粉取样站(由一个星座的机构与不同的抽样方法和过敏诊所)报告数据的国家过敏局(NAB)美国过敏、哮喘和免疫学(AAAAI) (gydF4y2Ba24gydF4y2Ba)。针对这种局限性,基于流程的建模的排放和运输需要来自多个类群的过敏花粉隔离的影响气候因素对多个基础流程和描述他们的时空分布和相关公众健康的潜在影响。先前的研究的大规模排放和远程传输的花粉进行了总结gydF4y2Ba补充表S1gydF4y2Ba。排放模型可以构建基于物理和生物气候学,模拟过敏的植物的物候阶段的排放。物候阶段一般预测的功能选择的环境因素。花粉粒的运输和命运从花释放后可以使用中尺度气象模拟模型结合大气传输模型。gydF4y2Ba

最近的研究建模花粉排放,交通和命运都集中在实现机械的建模方法。建模框架结合天气研究和预测(WRF)模型和社区多尺度空气质量(CMAQ)模型被用来研究分布的多个过敏花粉在南加州(gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba)。全et al。(gydF4y2Ba27gydF4y2Ba)采用发射模型由Efstathiou et al。(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba)来模拟橡树花粉排放德克萨斯州东南部和排放与CMAQ模型用于预测橡树花粉浓度;然而,模型低估了橡树花粉浓度和无法捕捉其峰值。Sofiev et al。(gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba)模拟桦树花粉排放和运输在欧洲使用系统集成建模的大气成分(SILAM)。机械建模系统也被开发和应用于提供操作预测欧洲的花粉浓度(gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba)。应该指出的是,上述机械模型主要集中在短期历史年花粉浓度的模拟和/或小区域(SILAM除外)。大规模确定性发射和传输/命运模型需要开发和评估为研究气候变化对过敏花粉分布的影响在美国(gydF4y2Ba34gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

我们的团队已经开发出一种大规模空中花粉建模平台,包含了我们最近semi-mechanistic花粉排放模型(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba35gydF4y2Ba,gydF4y2Ba36gydF4y2Ba)。这个新的花粉排放模型耦合在当下研究与我们的改编版本的CMAQ模型(gydF4y2Ba补充图S1gydF4y2Ba)模拟时空分布(每小时36公里×36公里水平分辨率)的橡木和花粉过敏的连续的美国(本土)历史》(2004)和未来(2047)条件。我们选择橡木(spring-flowering)和豚草(夏季/秋季开花)进行分析,因为豚草一年生杂草的分布很广泛,其花粉花粉热的主要原因(gydF4y2Ba37gydF4y2Ba),而橡树是一种最过敏树种在美国(gydF4y2Ba38gydF4y2Ba)。NHANES III的肥胖盛行程度积极的测试反应10常见的过敏原简称26.2%豚草和13.2%白橡木(gydF4y2Ba39gydF4y2Ba)。仿真结果为2004进行评估使用观察花粉AAAAI-NAB监视站的操作在圆锥在那一年(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。过程进行了分析探讨不同物理过程对空气中花粉浓度的贡献以及边界条件的影响,空气中花粉浓度的模拟花粉浓度模式和水平。gydF4y2Ba

材料和方法gydF4y2Ba

模型配置gydF4y2Ba

CMAQ-Pollen建模系统建立了生产每小时空气中花粉浓度在36公里×36公里空间分辨率圆锥(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba36gydF4y2Ba)。列出模型组件的配置gydF4y2Ba补充表S2gydF4y2Ba。气象输入来自气候模拟执行使用社区地球系统模型(CESM),这是缩减规模利用WRF模式(gydF4y2Ba40gydF4y2Ba,gydF4y2Ba41gydF4y2Ba)。在目前的研究中,我们进行了模拟历史年(“2004”)和未来年(“2047”);两年被选为代表的气候条件和21世纪中叶开始。应该注意,模拟的气象信息并不打算完全“匹配”这些实际气象年以来气候模拟进行没有同化每日当地天气观测(gydF4y2Ba40gydF4y2Ba)。花粉运输和命运模型CMAQ-Pollen改编版本4.7.1 CMAQ建模系统(gydF4y2Ba42gydF4y2Ba,gydF4y2Ba43gydF4y2Ba)。花粉粒被视为惰性粗模式气溶胶和物理性质如密度、直径和直径分布和其他相关信息(例如,截止最大气溶胶直径)的粗模式纳入相关CMAQ模块(AERO5),以便CMAQ-Pollen模型能够正确地描述花粉动力学。具体来说,花粉粒被添加到现有的粗建模模式,假设它是完全混合与其他粗气溶胶(如农业和飞尘,浪花)。CMAQ模块描述每个粗气溶胶的直径gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba对数正态分布(gydF4y2Ba44gydF4y2Ba)。由于数据的限制,我们假设的花粉直径是固定的(橡树= 28μm和豚草= 18μm历史和未来几年),设置相关参数(如花粉密度)排放模型中使用的相同(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba)。CMAQ-Pollen模型对2004年和2047年,涵盖了圆锥水平网格间距,36公里×36公里每小时的时间分辨率,34层在垂直方向。垂直空间分辨率(高度)层不同的网格单元和时间,指出CMAQ使用一个σ垂直坐标系统(gydF4y2Ba45gydF4y2Ba基于压力顶部边界(模型被设定为50 hPa)。2004年的仿真结果进行了评估使用58监视器观察花粉AAAAI-NAB站(gydF4y2Ba24gydF4y2Ba2004年)操作在圆锥(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。气源性致敏原抽样方法可能有所不同在监视站(gydF4y2Ba46gydF4y2Ba),Rotorod采样,Burkard采样,Kramer-Collins采样,常用的(gydF4y2Ba47gydF4y2Ba,gydF4y2Ba48gydF4y2Ba)。AAAAI-NAB指南要求取样器是坐落在一个畅通无阻的屋顶地面上至少有一个故事,每个站都必须样品至少每周3天与质量控制(gydF4y2Ba47gydF4y2Ba)。2047年的气象条件对应于一个假设的高温室气体排放场景(代表浓度通路RCP8.5) (gydF4y2Ba40gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

排放模型gydF4y2Ba

花粉细胞的排放通量建模网格的区域gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba计算通过Eq。1:gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaPgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba区域范围的比例是过敏的植物在相应的建模网格单元。向上的排放通量gydF4y2BaFgydF4y2Ba_egydF4y2Ba单元表面是用质量平衡的花粉粒中通量的环境过敏的植物(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba);它是制定使用Eq。2:gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba问gydF4y2Ba_pgydF4y2Ba是一年一度的总排放通量。gydF4y2BalgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba和gydF4y2BalgydF4y2Ba_hgydF4y2Ba分别是每天和每小时开花可能。gydF4y2BaKgydF4y2Ba_egydF4y2Ba和gydF4y2BaKgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba(无量纲)直接排放的集中调整气象因素和再悬浮通量,分别。gydF4y2Ba赖gydF4y2Ba叶面积指数。gydF4y2BaCgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba是一个比例因子相关的直接排放通量的再悬浮。gydF4y2Ba${\mathrm{ugydF4y2Ba}}_{\ast gydF4y2Ba}$和gydF4y2BavgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba分别是特征速度和沉积速度。所有这些术语的右边Eq。2,可以被测量,或者参数化和近似衡量因素。详细的推导过程和排放模型的参数化在Cai中et al。(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba)。排放通量只出现在第一个模型层,到离地面60米。gydF4y2Ba

未来一年排放量计算使用2047年的气象因素,而其余的参数是相同的历史排放模型。三个主要参数(gydF4y2BaKgydF4y2Ba_egydF4y2Ba,gydF4y2BaKgydF4y2Ba_rgydF4y2Ba,gydF4y2BalgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba)导致排放差异的历史和未来的场景:直接排放和再悬浮过程都受温度、风速和湿度(参见方程式在我们排放模型(10 - 14gydF4y2Ba16gydF4y2Ba),和日常开花过程受温度和降水(见gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba在我们的物候学模型(gydF4y2Ba36gydF4y2Ba)]。gydF4y2Ba

物理过程管理运输机载花粉gydF4y2Ba

物理过程管理运输和命运/移除花粉粒从空气云过程,包括干沉积,水平和垂直平流,水平和垂直涡流(湍流)扩散(gydF4y2Ba补充图S1gydF4y2Ba)。干沉积过程是包含在垂直扩散过程作为一个底部通量边界条件模型的层(gydF4y2Ba49gydF4y2Ba),包括重力沉降的影响,这是最重要的过程控制沉积的粗粒子模式。湿沉积是在云中注册流程,包括在云和below-cloud清除;湿沉积取决于降水率和浓度在云水(gydF4y2Ba44gydF4y2Ba)。对流对花粉的影响运输分别治疗通过水平和垂直平流的模块。gydF4y2Ba

初始和边界条件gydF4y2Ba

仿真时间,在2004年至2047年期间选择对应于树木和杂草花粉季节。橡木,圆锥的模拟域从3月1日00:00到23:00运行4月30日,2004年和2047年。豚草,模拟从8月1日00:00到23:00运行的9月30日。3月1日和8月1日之前最早开花的橡木和豚草圆锥,分别;因此,模拟是初始化没有现有的花粉。gydF4y2Ba

边界条件(BC)代表多层网格建模域周围的细胞浓度字段,即。,the eastern and western boundaries of simulation domain bordering the Atlantic and Pacific oceans, and northern and southern boundaries adjoining Canada and Mexico. To investigate the influence of BC on airborne pollen concentrations, two simulations on the CONUS domain were run for oak pollen for the period from March 1st to April 30th, 2004 by prescribing BC values for all 34 layers at the four lateral boundaries as (1) 0 (default) and (2) 10 pollen grains/m^3gydF4y2Ba在每一个时间步的CMAQ-Pollen模型。因为BC值不敏感,模拟空气中花粉浓度(浓度差异低于2花粉粒/米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba对于大多数地区(gydF4y2Ba补充图S6gydF4y2Ba)和东部和西部边界是在海上没有花粉排放,我们设置了BCs的花粉为零。gydF4y2Ba

评价模型的性能gydF4y2Ba

以后,如分段”模式配置”中所述,气象输入从全球气候模型缩减规模没有同化每日当地天气观测(gydF4y2Ba40gydF4y2Ba对花粉浓度每小时),我们预测不会充分捕捉精细时间变化。因此,我们计算“平均”和“高档”每小时的预测来减少数据可变性,和评估模型的性能在季节性和每月的时间尺度。应该注意的是,这种升级的每小时花粉数据可以帮助减少不确定性和偏见aerobiological监视(使用不同的程序gydF4y2Ba50gydF4y2Ba)。相关分析个人观察花粉季节平均浓度的花粉监测站(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)与相应的模拟季节性花粉浓度是花粉进行规范化数据(gydF4y2Ba${\mathrm{XgydF4y2Ba}}^{\mathrm{\prime gydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba(gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}-gydF4y2Ba\stackrel{¯gydF4y2Ba}{\mathrm{XgydF4y2Ba}})gydF4y2Ba/gydF4y2Ba\mathrm{年代gydF4y2Ba}$,在那里gydF4y2Ba$\stackrel{¯gydF4y2Ba}{\mathrm{XgydF4y2Ba}}$是样本均值,gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba是样本标准差)。观察到花粉浓度在每个监视站搭配模拟花粉浓度在网格单元包含相应的花粉监测站。模拟花粉浓度来自模拟模型中每小时浓度最低的(表面)层(即。观察以来,层1)花粉通常接近地面。模型的最低层平均延伸从0加速到60米。分数的估计偏差(神奇动物)模拟季节性花粉(日常花粉浓度的总和)报道:gydF4y2Ba

facebook在哪里gydF4y2Ba_我gydF4y2Ba是模拟的部分偏见季节性花粉在车站吗gydF4y2Ba我gydF4y2Ba,SCgydF4y2Ba_{Sim卡gydF4y2Ba,我gydF4y2Ba}是模拟季节性花粉计数在车站吗gydF4y2Ba我gydF4y2Ba,SCgydF4y2Ba_{奥林匹克广播服务公司gydF4y2Ba,我gydF4y2Ba}是观察到的季节性花粉计数在车站吗gydF4y2Ba我gydF4y2Ba。打击和假率是常见的指标评价模拟日常花粉浓度。程序在文献中报道之后计算冲击和假利率三个不同浓度水平(gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba),即10、50和100花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba,分别。并给出了详细的计算gydF4y2Ba补充材料gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

过程分析gydF4y2Ba

流程分析预处理器(PROCAN)一起编译我们的改编CMAQ模型激活过程分析函数(gydF4y2Ba42gydF4y2Ba)CMAQ-Pollen建模系统。进行了流程分析识别每个物理过程的贡献估计空气中花粉浓度。物理现象纳入流程分析包括云过程,干沉积,排放,水平和垂直平流,水平和垂直涡流(湍流)扩散。使用时间序列的执行过程分析模拟每小时浓度的花粉过敏橡树在花粉季节2004年在网格单元包含花粉监测站在亚特兰大过敏和哮喘诊所(坐标:33.97°N, 84.55°W)。这个地区海拔366米,年平均气温为16.8°C,年平均降水量1286毫米。我们选择这个电台(年产量高,峰值浓度)为过程分析为例;对于其他电台,每个进程的贡献花粉预报可以不同,根据气象条件,无论是在空间和时间而变化。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

环境花粉浓度的时空模式gydF4y2Ba

为了检查的时空分布模式模拟空中花粉,每月平均橡木和花粉浓度在地面上在早期和晚期绘制在开花的季节gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba。橡树花粉首次出现在南方圆锥今年3月,然后观察圆锥4月在北方。模拟2004是4500年最大的意思是橡树花粉浓度花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba。花粉出现圆锥和8月在北部和然后转向南方圆锥9月。模拟最大的意思是花粉2×10gydF4y2Ba^4gydF4y2Ba花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba显示模拟平均橡木和花粉浓度不同时间的一天。这些小时浓度配置文件(平均在多个天)表明CMAQ-Pollen模型可以捕捉重要的时空变化,空气中的花粉过敏。与已知昼夜模式一致,每个单元中的橡树花粉浓度的建模网格11:00 UTC高于在18:00 UTC(平均在4月21-Apr 30, 2004),和每个单元中的花粉浓度建模网格UTC高于14时许,在18:00 UTC(平均在9月21-Sept 30, 2004)。gydF4y2Ba

评价模型的性能gydF4y2Ba

CMAQ已被广泛用于研究大小、化学成分、大气颗粒物的浓度,这是分配到三种模式(艾特肯、积累和粗)气溶胶模块,基于它的大小。大多数CMAQ研究都聚焦于粒子的艾特肯和积累模式(gydF4y2Ba51gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba53gydF4y2Ba)。在目前的研究中,花粉粒被视为惰性粗模式气溶胶和CMAQ预测性能的花粉粒数量首次评估。所示gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba,有鼓励观察季节平均浓度之间的一致性和相应的模拟橡木和豚草花粉季节平均浓度。皮尔森相关系数是0.345 (gydF4y2BapgydF4y2Ba值是0.0252)橡木花粉来自42个监测站的数据基础上,和0.399 (gydF4y2BapgydF4y2Ba值是0.0055)花粉基于来自47个监测站的数据。橡树花粉的数据点是均匀分布在45度线。三个花粉监测站有较大的偏差,与其他站相比,我们的模型是无法捕捉。每日的统计分布模拟花粉浓度在每个花粉监测站在花粉季节,而相应的观测数据所示gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba。对于每个花粉监测站,类似的分布仿真结果和观察数据显示相当好的模型性能。我们的模型能够捕捉观察花粉浓度的分布模式的大部分时间。橡树花粉,模型也能够模拟极端数据点与高浓度车站离群值。gydF4y2Ba

图6gydF4y2Ba显示了模拟的部分偏见季节性花粉计数。季节性橡树花粉量的部分偏见是在大多数情况下大于0,表明花粉浓度过高。花粉浓度的部分偏见也大于0对于大多数电台,再次提出过高的观察到的水平。展览空间自相关的部分偏见在某种程度上:例如,我们检测到的空间自相关进行花粉发生和持续时间参数估计会影响花粉的预测(gydF4y2Ba36gydF4y2Ba)。然而,该模型能够捕捉花粉观测所示的变化相关性分析进行了总结gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba。打击和假率指标检查模拟,观察是否超过数点是一致的和共存。gydF4y2Ba补充数据S3、S4gydF4y2Ba现在的命中率和假率预测和观察每日橡树三花粉和花粉浓度水平研究站在2004年在圆锥。机载的平均命中率橡树花粉10的水平,50和100花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba81.9%、74.1%和68.6%。空气的平均命中率花粉10的水平,50和100花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba85.7%、72.1%和72.0%。这表明观测到超过数点的三个阈值大多是正确预测花粉呈现建模系统的发射和传输/命运。机载橡树花粉的错误的利率水平的10个花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba在0%和30%之间的大部分研究,但假率增加水平的50和100年花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba;豚草的假率超过30%,大部分电台,这表明CMAQ-Pollen模型高估了花粉浓度。过程分析结果所示gydF4y2Ba补充图S5gydF4y2Ba表明不同的进程可以扮演他们的角色在决定花粉浓度,根据气象条件和排放每日和季节性变化。gydF4y2Ba

气候变化对花粉过敏的影响gydF4y2Ba

我们花粉发射和传输/命运模型也被用于研究潜在的气候变化影响的属性在圆锥过敏花粉季节。gydF4y2Ba补充数据S8, S9gydF4y2Ba展示的空间分布均值和最大每小时的橡木和花粉浓度在2004年和2047年。均值和最大浓度变化明显在九个气候区域的圆锥。橡树花粉的平均和最大浓度最高发生在中部,东南和南部地区。花粉,最高每小时平均和最大浓度发生在西部北中部,南部和西南地区。模拟平均每小时的橡树花粉浓度范围从1到2442花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba2004年和2360年从1到花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba2047年;模拟最大小时橡树花粉浓度变化从12到27306年花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba2004年和29175年从3到花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba在2047年。的减少意味着每小时浓度和最大小时浓度增加可以用这一事实来解释数据的分散在很多地方与最大最小值将会增加。例如,标准偏差的显著增加每小时橡树花粉浓度观察在爱达荷州,俄勒冈州和内华达州和大部分地区在堪萨斯州(gydF4y2Ba补充图S10gydF4y2Ba),这些区域有减少的意思(gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba)和增加最大(gydF4y2Ba补充图S15AgydF4y2Ba)每小时橡树花粉浓度。这表明花粉季节的变化会增加大面积地区气候变化下的圆锥。模拟的意思是每小时的花粉浓度范围从1到11567花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba2004年和12187年从1到花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba2047年;模拟最大小时浓度的花粉不同从23到3.6×10gydF4y2Ba^5gydF4y2Ba花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba从76年到2004年的3.7×10gydF4y2Ba^5gydF4y2Ba花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba在2047年。gydF4y2Ba

补充数据S11 S12gydF4y2Ba目前模拟开始日期和季节的长度橡木和豚草花粉季在2004年和2047年。橡树花粉季在2004年和2047年开始在美国南部,3月和4月在北方,而花粉从美国北部的8月,9月,然后转向美国南部。橡树花粉季节的长度范围从12到2004年的46天,10到2047年的46天,和长度不同的花粉季30至2004年57天,32至58天圆锥。gydF4y2Ba补充数据向S14系列gydF4y2Ba显示的时间期间,橡木和花粉浓度超过了阈值(13花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba橡木和30花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba在圆锥豚草)在2004年和2047年。阈值的选择是基于临床症状过敏疾病敏感的患者(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba54gydF4y2Ba,gydF4y2Ba55gydF4y2Ba)。橡树花粉超过数点范围从0到1462 h在2004年和2047年从29到1436 h,最高的数字出现在南部,东南部,西南部和西部气候地区。豚草花粉超过数点范围从0到1208 h在2004年和2047年从29到1234 h,最高的数字在西方北中部、西南、西、西北气候地区。gydF4y2Ba

图7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba和gydF4y2Ba补充图S15gydF4y2Ba目前的五个花粉指数的变化,具体地说,平均每小时的浓度,开始日期,季节的长度,最大浓度小时,超过数小时橡树花粉从2004年到2047年。平均值和标准偏差的变化在这五个橡木花粉指数为每个气候地区进行了总结gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba,表明气候变化的影响在橡树花粉在九个圆锥气候地区之间差异极大。每小时的平均和最大浓度的橡树花粉预计将增加在东北,南部和东南部地区,但减少在西北方向,西部和东部北中部,北中部地区。东北地区估计经验平均最高每小时平均和最大浓度的增加橡木花粉。橡树花粉季节早些时候估计开始在中部,东北、南部和东南地区。此外,橡树花粉季长度估计缩短为大部分地区1 - 2天,除了东南和西南地区。的小时数在橡树花粉浓度超过阈值13花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba估计最东北地区,增加了31.6%。gydF4y2Ba

图9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba和gydF4y2Ba补充图S16gydF4y2Ba现在五花粉指数的变化对花粉从2004年到2047年。区域的平均值和标准偏差的变化五个花粉指数进行了总结gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba。豚草花粉对气候变化的响应也在九个气候地区之间差异极大。每小时的平均和最大浓度的花粉预计将显著增加在西北、东南、西南和西部地区。的花粉季预计1 - 3天前开始,有更长的花粉季所有九个气候区域。的小时数,花粉浓度超过30花粉粒/ m的阈值gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba估计增长1.2% -34.3%在六个九的气候地区,虽然有一个减少在中部,东部北北中部地区中部和西部。当然,它应该认识到,这些专门对应一个潜在的变化,温室气体排放量高的场景(RCP8.5)和只应解释在这种情况下。gydF4y2Ba

讨论gydF4y2Ba

大型机械的不断变化的气候条件下花粉预报是罕见的;这是一个很少的努力旨在开发和基于流程的建模申请物种高度过敏花粉在大陆范围内。建模结果表明,气候变化预计将增加空气中的花粉加载到本世纪中叶在本土,而更重要的增加会发生花粉是历史上少见的领域。例如,超过40%的增长意味着橡树花粉浓度会发生在东北和西南地区(gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba),相对较低的水平(< 200花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba)在20世纪初的观察;超过20%的增加意味着豚草浓度会发生的大部分地区东北和东南部地区(gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba),相对较低的水平(< 500花粉粒/ mgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba)观察到本世纪初。这一发现基本上是符合豚草在欧洲的长期预测的研究(gydF4y2Ba56gydF4y2Ba考虑不同的植物入侵场景),报道说,敏化豚草将在本世纪中叶的两倍多。在美国,最近的一项研究也表明潜在的豚草向北扩张由于气候变化(gydF4y2Ba37gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

花粉过敏的效果是重要的评估与花粉相关过敏原暴露症严重程度的指标。我们的模型可以同时检测一致(例如,东北部)和相反的(例如,东南)模式的橡木和豚草的变化在不同的气候区域。一般气候变化将导致更高的负载和延长花粉季节时间的增加温度和有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba水平(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba)。然而,这些影响可能被其他调制,菌种,可以抵消因素甚至扭转预测模式(gydF4y2Ba57gydF4y2Ba)。例如,一些树种如桦木(gydF4y2Ba58gydF4y2Ba)和橡木(gydF4y2Ba59gydF4y2Ba)可能会下降的人口,因为它们是敏感温度增加,夏季干旱。基于已有研究探讨taxa-specific监控位置在大陆规模效应(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba23gydF4y2Ba),而机械的基于流程的模型用于分析未来多个类群花粉模式(缺席gydF4y2Ba34gydF4y2Ba)。最近的一项研究采用“climate-flexible”排放模型(gydF4y2Ba34gydF4y2Ba)项目为13个最流行的花粉排放在空气中飞行的花粉类群相比在美国和花粉的由气候变化时机和级分类单元(gydF4y2Ba60gydF4y2Ba)。应该注意的是,该研究使用缩放因子(如降水因子)来调整花粉排放通量和量化的一些“平均”效应为多个基本流程;此外,在大气中扩散和传输的花粉没有调查。gydF4y2Ba

大气传输的重要性已经被公认为花粉预测(gydF4y2Ba61年gydF4y2Ba)。例如,7-year-long (2005 - 2011) SILAM模型模拟进行整个欧洲豚草,突显出重要作用形成高浓度的远程传输模式(gydF4y2Ba32gydF4y2Ba)。我们的模拟结果表明,在空气中飞行的花粉分布模式(gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba)一般遵循发射模式gydF4y2Ba图4gydF4y2BaCai et al。(gydF4y2Ba16gydF4y2Ba),符合发现Kurganskiy et al。(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba);此外,远程运输在区域尺度气候驱动浓度变化具有重要的影响。等领域内华达和德克萨斯州北部,没有橡木覆盖率(空白区域gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba)预计有20%增加-100%机载橡树花粉在本世纪中叶;麻萨诸塞州和维吉尼亚州等领域,没有豚草覆盖率(空白区域gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba)预测在空气中的花粉20% - -80%增加到本世纪中叶。注意,相同的土地利用和植被覆盖度是应用于本研究模拟历史和未来集中模式。对于大型物种覆盖的地区,在空气中花粉浓度排放过程中起着主导作用;而其他进程的贡献(如风力水平平流)大幅变化,根据气象条件在特定领域(gydF4y2Ba补充图S5gydF4y2Ba)。没有相关物种的地区覆盖,成为零排放和大气传输过程驱动空气中花粉浓度。gydF4y2Ba

气候变化对空气中的花粉过敏的影响是复杂的,涉及到多个进程拥有大量不确定性和相互依赖关系。除了增加温度和CO的结果gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba水平(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba),降水量等气候条件改变模式和海平面上升也可能影响物种分布和花粉生产(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba62年gydF4y2Ba)。应该注意的是,目前的研究主要集中在量化重要的“独立”气候的影响因素(包括温度、降水、湿度和风力)排放和交通高度过敏的花粉(橡树和豚草)圆锥。未来土地利用变化和其他相关因素应该进一步考虑和融入建模平台。作为一个例子,Hamaoui-Laguel et al。(gydF4y2Ba63年gydF4y2Ba)开发了一个全面和综合的基于流程的建模框架,包含了物候学,植物种群动态、花粉生产、发布和大气传输来评估未来空中花粉浓度的变化(每日);长期使用的框架进一步预测和定量分析气候变化对花粉过敏的影响在欧洲(gydF4y2Ba56gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

先前的研究建模的影响气候变化通常基于长期预测的花粉浓度在大陆或全球范围内(gydF4y2Ba56gydF4y2Ba,gydF4y2Ba60gydF4y2Ba)。外推法对过去和未来的行为可以提高通过计算模拟多个年的平均值;尤其如此,经验和简化预测模型(gydF4y2Ba60gydF4y2Ba)。相比之下,基于过程的模型能够隔离效果的具体因素和更健壮和可翻译的(gydF4y2Ba补充图S5gydF4y2Ba),由于机械的模式从底层提取过程可以很容易地扩展到过去和未来条件。应该认识到,目前的研究基于流程的建模结果产生一个历史》(2004)和一个未来(2047)年为了描述合理从头到本世纪中叶花粉浓度的变化在一个特定的(RCP8.5)情况下,没有占年际变化。广泛的工作正在扩展CMAQ-Pollen模型应用涉及多年长期花粉浓度的预测气候变化的背景下。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

一个CONUS-wide CMAQ-Pollen建模系统将花粉排放和交通已经发展到模拟时空分布的橡木和豚草花粉过敏。通过相关分析模型性能评估,统计分布,冲击和假率,部分偏差使用观察花粉在连续监视站在2004年美国(本土)。建模结果显示鼓励与观察花粉浓度和一致性模型捕获重要的日/季节性模式和空间变化对橡树和豚草花粉。五个花粉指数(每小时每小时平均浓度,最大浓度,开始日期,季节的长度,和超过数小时)计算和比较每个花粉物种在九个气候区域的圆锥为2004和2047。据估计,花粉季节早些时候开始,持续时间更长RCP8.5场景下所有的九个气候区域,增加平均花粉浓度在大多数地区。橡树花粉季节气候变化的响应不同气候地区,整个九最大的提高花粉浓度预测东北地区。我们发现远程运输气候驱动浓度变化有明显影响,特别是对花粉是历史上少见的领域。这些影响是受到多个潜在进程可以孤立和解释gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba流程分析和集成。额外的定量研究结合建模工作,将考虑替代方案关于未来植被模式的长期预测空气过敏花粉,需要扩大和改善气候变化的理解对过敏性疾病的影响。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

模型参数和输出可按照客户要求定制。请求访问这些数据集应该指向panosg@ccl.rutgers.edu。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

所有作者的文章和批准提交的版本。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

这项研究是由环境因素和疾病中心EOHSI (NIEHS格兰特P30ES005022)和新泽西的临床转化科学联盟(NIH资助UL1TROO3017)。提供了额外的支持下由美国环境保护署(EPA)明星格兰特EPA - rd - 83454701 - 0到罗格斯大学,和臭氧研究中心由新泽西州环境保护部门(批准aq05 - 011)。在这篇文章中表达的观点是作者的,不一定代表资助机构的观点或政策。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

我们感谢NAB提供空中花粉数据和琳达埃弗雷特女士和先生乔治·m·Grindlinger (Rutgers)编辑和技术援助。在这篇文章中表达的观点是作者的,不一定代表的观点或政策美国环境保护署。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些资助机构、出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

补充材料gydF4y2Ba

本文的补充材料在网上可以找到:gydF4y2Bahttps://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/falgy.2022.959594/full补充材料gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba