單楠，楊曉暉，時(shí)忠杰，閆峰

(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，100091，北京)

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系，大氣氣溶膠粒子的粒徑多在0.001 ～10 μm 之間［1］。雖然氣溶膠質(zhì)量僅占整個(gè)大氣質(zhì)量的1/10 億，但其對(duì)全球的能量平衡和水循環(huán)有重大影響［2－4］。大氣氣溶膠粒子可以通過散射、吸收太陽輻射和吸收、發(fā)射紅外輻射直接影響地氣系統(tǒng)輻射能收支，從而影響區(qū)域以至全球的氣候及生態(tài)環(huán)境。氣溶膠粒子還可影響云/降水過程，間接影響氣候［5］。同時(shí)，氣溶膠還是局地光化學(xué)煙霧和區(qū)域空氣污染的主要成分，不僅造成大氣能見度嚴(yán)重下降［6］，而且對(duì)人類健康造成不利影響［7］。氣溶膠作為氣候變化中最不確定的重要因子之一［8］，其時(shí)空分布變化特征引起了國內(nèi)外科學(xué)家和學(xué)者的廣泛關(guān)注［9－12］。作為氣溶膠最基本的光學(xué)特性之一，氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)被定義為介質(zhì)的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，是描述氣溶膠對(duì)光的衰減作用的主要因子。它是目前可以得到的氣溶膠數(shù)據(jù)中覆蓋范圍最廣、較準(zhǔn)確的一種數(shù)據(jù)［13］，也是推算氣溶膠含量、評(píng)估大氣污染程度、確定氣溶膠氣候效應(yīng)的關(guān)鍵因子［14－15］。近年來，工業(yè)的發(fā)展與人類活動(dòng)的加劇引起的氣溶膠排放量的顯著增加，導(dǎo)致了區(qū)域的環(huán)境問題和氣候變化［16］。在2010年NASA 發(fā)布的全球空氣污染形勢圖中，中國的華北、華東、華中全部成為污染重災(zāi)區(qū)。對(duì)中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空變化特征的分析，將有助于研究大氣氣溶膠引起的輻射強(qiáng)迫和水循環(huán)改變對(duì)氣候的影響，探討大氣氣溶膠光學(xué)厚度與大氣污染物及其氣象因素的關(guān)系，提高預(yù)測未來氣候變化的可信度，進(jìn)而為提出合理的對(duì)策提供科學(xué)的依據(jù)。對(duì)我國乃至整個(gè)亞太地區(qū)的生態(tài)、環(huán)境和氣候均產(chǎn)生重要影響［17］。目前我國氣溶膠的研究已經(jīng)取得了很多有價(jià)值的成果，但是多以區(qū)域性研究為主，主要集中在北京［18－21］、西北地區(qū)［22－24］、長江三角洲［25－26］等地，對(duì)整個(gè)中國陸地研究尚少。為了更加全面系統(tǒng)地了解我國陸地上空氣溶膠的時(shí)空分布變化和規(guī)律，筆者利用MODIS 08_C5 氣溶膠產(chǎn)品2000－02—2008－12近9 a 的資料，對(duì)全中國(除南海諸島嶼外，下同)陸地氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空分布情況和季節(jié)變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以揭示陸地氣溶膠光學(xué)厚度與沙塵之間的相關(guān)關(guān)系，為科學(xué)準(zhǔn)確地了解我國大氣氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空分布特征提供參考。

1 研究方法

1.1 資料來源與數(shù)據(jù)處理

美國國家航天局(NASA)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣和地球環(huán)境變化的長期觀測和研究，開始了地球觀測系統(tǒng)計(jì)劃(EOS)。其成功發(fā)射的Terra 和Aqua 衛(wèi)星上搭載的中分辨率成像光譜儀MODIS 傳感器具有廣闊的覆蓋空間，為近一步研究陸地、海洋和大氣特征提供了豐富的資料。利用全球自動(dòng)觀測網(wǎng)(AERONET)的太陽光度計(jì)測得的光學(xué)厚度對(duì)NASA 發(fā)布的MODIS AOD 產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.8［27－28］，說明MODIS 氣溶膠產(chǎn)品達(dá)到了一定的精度。鄧學(xué)良等［12］、段婧等［25］、李成才等［10］分別對(duì)MODIS 產(chǎn)品進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證，并利用其對(duì)中國部分地區(qū)進(jìn)行了氣溶膠光學(xué)厚度的研究。因此，可以認(rèn)為，MODIS 氣溶膠產(chǎn)品已達(dá)到了相應(yīng)的質(zhì)量要求，可以用于研究中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度的分布和變化特征。本文所用的資料取自NASA 的MODIS網(wǎng)站(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/)全球大氣3 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分辨率為1°×1°，時(shí)間序列為2000－02—2008－12。首先對(duì)所獲得的MODIS 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用ENVI、ARCVIEW、ARCGIS 軟件進(jìn)行波段提取、投影、剪裁、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和柵格計(jì)算等，獲得中國陸地2000—2008 年550 nm 處的大氣氣溶膠月平均光學(xué)厚度(AOD)的柵格數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

對(duì)中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行時(shí)空分布規(guī)律的研究中采用的季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)為:3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12 月至翌年2 月為冬季。

中國陸地氣溶膠空間變化趨勢分析是通過一元線性回歸法，利用每個(gè)像元上9 a 的氣溶膠光學(xué)厚度月均值求出斜率，利用逐像元的斜率分布進(jìn)行光學(xué)厚度的空間變化分析。如果斜率小于0，則表明呈負(fù)變化趨勢，氣溶膠光學(xué)厚度減少，反之，則表現(xiàn)為增加趨勢。

氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢公式為

式中:Sslope為氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢;AAODi為第i像元?dú)馊苣z光學(xué)厚度月均值。

氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢與年份之間的關(guān)系采用相關(guān)系數(shù)方法進(jìn)行分析，即把光學(xué)厚度值和時(shí)間分別看作2 個(gè)變量，用得到的R 表示光學(xué)厚度與年份之間的相關(guān)程度，其公式為

式中: Rxy為變量x 和y 的相關(guān)系數(shù);n 為樣本數(shù);xi為第i 像元時(shí)間變量;yi為第i 像元年氣溶膠光學(xué)厚度月均值;為變量時(shí)間x(文中取1，2，3，…，9)的平均值，為變量年氣溶膠光學(xué)厚度月均值yi的平均值。

從2 個(gè)方面對(duì)中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空變化趨勢進(jìn)行分析。一是利用空間平均方法分析氣溶膠光學(xué)厚度全年及春季、夏季、秋季和冬季的變化特征和變化趨勢;二是基于逐個(gè)像元分析氣溶膠光學(xué)厚度的空間趨勢，以揭示其變化的空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溶膠光學(xué)厚度年均值空間分布特征

2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值空間分布圖(圖1)顯示，全國氣溶膠光學(xué)厚度存在非常明顯的空間分布特征。高值中心位于南疆盆地、長江及黃河中下游地區(qū)、華南沿海、四川盆地，中心值超過0.5，而青藏高原、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)等則處于氣溶膠光學(xué)厚度低值區(qū)。

圖1 2000—2008 年中國陸地(除南海諸島外)氣溶膠光學(xué)厚度年均值空間分布圖Fig.1 Annual spatial distribution of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

從2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)年均值分布圖(圖2)看，整個(gè)中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布存在明顯的季節(jié)變化，且不同地區(qū)季節(jié)變化特征不同。黃河下游和長江中下游地區(qū)在全年內(nèi)都處于氣溶膠高值區(qū)。可能是因?yàn)檫@些地區(qū)快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重的大氣污染，對(duì)氣溶膠的光學(xué)厚度產(chǎn)生了顯著的影響。青藏高原地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度值經(jīng)歷了由春到夏逐漸增大，秋季再次減少的過程，隨季節(jié)變化明顯，該地區(qū)人口稀少，受人為活動(dòng)影響小;但是稀疏的地表植被和較少的降水易引起沙塵天氣，可能是其氣溶膠的主要來源。四川盆地、華南沿海和兩廣地帶氣溶膠光學(xué)厚度值夏季略有減少，可能由于降水頻繁，雨水的清除和濕沉降縮短了氣溶膠的生命期。而南疆盆地及其周圍地區(qū)主要屬于沙漠氣候，降水偏少，極易發(fā)生沙塵天氣，有利于氣溶膠的形成，全年的氣溶膠光學(xué)厚度值都偏高。

圖2 2000—2008 年中國陸地(除南海諸島外)氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)年均值分布圖Fig.2 Seasonal spatial distribution of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

2.2 氣溶膠光學(xué)厚度年均值時(shí)間變化趨勢

圖3 是2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值逐年變化圖。可以看出，氣溶膠光學(xué)厚度的年均值經(jīng)歷了先減少后增加的變化過程。2000—2004 年，氣溶膠光學(xué)厚度值從0.194 減少到0.180，2004 年后開始逐步增加，到2008 年增加到0.195，與2000 年基本持平。對(duì)于2004 年氣溶膠光學(xué)厚度極低值的出現(xiàn)還需要收集更多的資料對(duì)其進(jìn)行分析，本文暫不討論。分別對(duì)2000—2004 年和2004—2008 年2 個(gè)時(shí)間段氣溶膠光學(xué)厚度年均值與年份進(jìn)行回歸分析，表明前一時(shí)間段氣溶膠光學(xué)厚度年均值年波動(dòng)幅度比較大，平均值為0.193，而后一階段的氣溶膠光學(xué)厚度年均值與年份之間具備較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.858(P=0.063)，通過了0.1 的顯著性檢驗(yàn)，增加的趨勢較顯著。

圖3 2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值逐年變化圖Fig.3 Interannual variations in AOD in China during 2000—2008

彩圖4 為全國氣溶膠光學(xué)厚度年均值的線性趨勢圖，彩圖5 為氣溶膠光學(xué)厚度年均值與年份的相關(guān)系數(shù)。從圖4 可以看出，各個(gè)柵格單元的斜率值均為負(fù)值，表明全國氣溶膠光學(xué)厚度值在2000—2008 年顯現(xiàn)減少趨勢，且數(shù)值大小由西向東(紅－黃－綠－深藍(lán)，)逐漸減少，說明東部氣溶膠光學(xué)厚度變化速率慢，東部地區(qū)頻繁的人類活動(dòng)導(dǎo)致的大氣污染以及多變的氣象變化與氣溶膠光學(xué)厚度的復(fù)雜關(guān)系可能是導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因。圖5 則表明氣溶膠光學(xué)厚度年均值隨年份變化不顯著。

圖6 為2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值各季節(jié)變化趨勢圖?？梢钥闯?，2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值季節(jié)變化趨勢顯示，春夏季氣溶膠光學(xué)厚度年均值總是大于秋季和冬季，且夏秋季氣溶膠光學(xué)厚度變化波動(dòng)較大。氣溶膠光學(xué)厚度年均值春季達(dá)到最大值，為0.239，其次是夏季和冬季，其值分別為0.225 和0.158，秋季最小，為0.149。線性趨向分析顯示，春夏季氣溶膠光學(xué)厚度值呈減小趨勢，秋冬季呈增加趨勢，但是各個(gè)季節(jié)氣溶膠光學(xué)厚度值隨年份增加均不顯著。

圖4 氣溶膠光學(xué)厚度年均值的線性趨勢Fig.4 Linear trend distribution of mean annual AOD

圖5 氣溶膠光學(xué)厚度年均值與年份的相關(guān)系數(shù)Fig.5 Related coefficient of mean annual AOD and year

圖6 2000—2008 年中國陸地(除南海諸島外)氣溶膠光學(xué)厚度年均值各季節(jié)變化趨勢Fig.6 Seasonal variations of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值隨季節(jié)的線性變化趨勢圖(彩圖7)顯示，全國氣溶膠光學(xué)厚度年均值呈現(xiàn)較弱的減小趨勢，并且各個(gè)地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度年均值變化季節(jié)差異明顯，夏季氣溶膠光學(xué)厚度年均值多年來以增加為主，顯著區(qū)為中國的青藏高原、內(nèi)蒙古西部和貴州的西南部，而秋季顯著增加的地區(qū)轉(zhuǎn)移到兩廣地帶。冬季北方地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度年均值增加可能與風(fēng)沙天氣增多和取暖燃煤有關(guān)。同一季節(jié)不同地區(qū)的線性趨勢分布情況不同，體現(xiàn)了明顯的區(qū)域特征。從彩圖8 可以看出，春夏季北方大部分地區(qū)隨著年份的增加，氣溶膠光學(xué)厚度年均值出現(xiàn)了較明顯的變化，這可能與近些年來沙塵天氣頻繁對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)生了顯著影響。而秋冬季長江中下游、東南沿海以及兩廣地帶氣溶膠光學(xué)厚度值隨年份變化的增強(qiáng)趨勢表現(xiàn)明顯，其原因可能是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展產(chǎn)生的工業(yè)污染造成了氣溶膠光學(xué)厚度的增加，而春夏季豐富的降水可能對(duì)其氣溶膠光學(xué)厚度增加有抵消作用。

圖7 氣溶膠光學(xué)厚度年均值隨季節(jié)的線性變化趨勢Fig.7 Linear trend distribution of seasonal AOD

圖8 各個(gè)季節(jié)氣溶膠光學(xué)厚度年均值與年相關(guān)系數(shù)Fig.8 Related coefficient of seasonal AOD and year

圖9 顯示了氣溶膠光學(xué)厚度月均值在不同年份的逐月變化情況?？芍?，氣溶膠光學(xué)厚度在一年中呈現(xiàn)先增加再減小的明顯趨勢，并在4 和11 月份達(dá)到年內(nèi)最大值和最小值，其多年平均值分別為0.258 和0.131;因此，春季是氣溶膠光學(xué)厚度的高值季節(jié)。

圖9 氣溶膠光學(xué)厚度月均值年內(nèi)變化趨勢Fig.9 Annual variations in mean monthly AOD

2.3 氣溶膠光學(xué)厚度與沙塵之間的關(guān)系

為了探究氣溶膠光學(xué)厚度與沙塵的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)了2000—2008 年全國每月發(fā)生沙塵的次數(shù)。從沙塵多年逐月變化趨勢圖(圖10)上可以看出，一年中沙塵在4 月發(fā)生的次數(shù)最多，占全年總發(fā)生次數(shù)的33.79%，與氣溶膠光學(xué)厚度年內(nèi)逐月變化趨勢表現(xiàn)了較好的一致性。圖11 是以中國陸地各月沙塵總次數(shù)為橫軸，以相對(duì)應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度月均值為縱軸點(diǎn)繪的關(guān)系圖?？梢姡律硥m發(fā)生次數(shù)10 次以上區(qū)域，沙塵月發(fā)生次數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度之間呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.779(P ＜0.01)，而在月發(fā)生沙塵次數(shù)10 次以下地區(qū)，沙塵次數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度之間沒有明顯的關(guān)系，亦即氣溶膠光學(xué)厚度并不隨著沙塵次數(shù)產(chǎn)生明顯的規(guī)律性變化;因此，根據(jù)沙塵高發(fā)區(qū)主要分布在我國北方地區(qū)的實(shí)際，可以認(rèn)為，中國北方地區(qū)(黃淮以北)沙塵可能是氣溶膠光學(xué)厚度的主要影響因素，而在黃淮以南地區(qū)(包括西南地區(qū))工業(yè)污染可能是氣溶膠光學(xué)厚度的主要影響因素。

圖10 沙塵發(fā)生次數(shù)月均值年內(nèi)變化趨勢Fig.10 Annual variations of mean monthly dust frequency

圖11 氣溶膠光學(xué)厚度月均值與沙塵發(fā)生總次數(shù)關(guān)系圖Fig.11 Relationship between mean monthly AOD and the total times of dust occurrence

3 結(jié)論

1) 我國氣溶膠光學(xué)厚度的多年平均分布具有明顯的地域特征，其高值中心位于南疆盆地、長江和黃河下游地區(qū)、華南沿海以及四川盆地，且氣溶膠光學(xué)厚度呈現(xiàn)逐年減小的趨勢，東部地區(qū)較西部地區(qū)減小不明顯。

2) 氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)變化顯著，且全國各地區(qū)情況不同，黃河下游、四川盆地和長江中下游地區(qū)常年處于氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)，青藏高原和新疆東部從春到夏逐漸增大，秋季再次減少，直到冬季達(dá)到其最低值。南疆盆地全年的氣溶膠光學(xué)厚度值都偏高。長江中下游地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度年內(nèi)變化顯著，冬春季節(jié)氣溶膠光學(xué)厚度較高。

3)2000—2008 年氣溶膠光學(xué)厚度年內(nèi)變化都表現(xiàn)為4 月達(dá)到最大值，11 月為最小值，并且與全國發(fā)生沙塵天氣月均值的變化趨勢一致。

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