周 杰， 陳 健①， 張海龍， 王文君

(1.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院， 江蘇 南京 210044； 2.南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院， 江蘇 南京 210044)

地-氣系統(tǒng)的輻射平衡狀態(tài)對(duì)氣候變化起著決定性作用,而其主要受太陽(yáng)短波輻射和地-氣系統(tǒng)長(zhǎng)波輻射的影響。大氣氣溶膠是關(guān)鍵的輻射效應(yīng)因子之一,可以擾動(dòng)輻射平衡,影響全球氣候變化[1]。一般將由氣溶膠所引起的出射輻射通量的變化定義為氣溶膠輻射效應(yīng)[2],通?？煞譃橹苯虞椛湫?yīng)和間接輻射效應(yīng)[3]。氣溶膠直接輻射效應(yīng)(aerosol direct radiative effect,ADRE)指大氣中氣溶膠的含量變化引起地-氣系統(tǒng)能量平衡的擾動(dòng),在數(shù)值上定義為氣溶膠含量變化時(shí)所產(chǎn)生的平均凈輻射變化[4-5],由人為氣溶膠造成的氣溶膠直接輻射效應(yīng)又稱為氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫(aerosol direct radiative forcing,ADRF),研究手段主要集中在地基觀測(cè)、模式模擬和衛(wèi)星遙感3個(gè)方面。筆者主要基于遙感手段開展ADRE的研究。

目前,針對(duì)全球海洋和陸地上空ADRE或ADRF的遙感評(píng)估已經(jīng)開展了大量的研究工作。如晴空海洋上空大氣層頂(top of atmosphere,TOA)的ADRE年均值為-6～-5 W·m-2,ADRF年均值為-1.9～-1.4 W·m-2[6-8]。政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在2013年發(fā)布了第5次評(píng)估報(bào)告,指出氣溶膠輻射作用所造成的有效輻射強(qiáng)迫值為-0.95～0.05 W·m-2,但其研究結(jié)果有很大的不確定性[9-11]。陳林等[11]結(jié)合 MODIS和MISR資料,利用 RAD01 輻射模式計(jì)算了中國(guó)陸地地區(qū)的ADRF,結(jié)果表明陸地上氣溶膠的強(qiáng)吸收性導(dǎo)致地面輻射強(qiáng)迫為大氣層頂輻射強(qiáng)迫的3倍,且對(duì)大氣有很強(qiáng)的加熱作用。朱佳晨等[12]對(duì)東亞地區(qū)ADRF進(jìn)行模擬研究,發(fā)現(xiàn)東亞地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度值較大,夏季在0.3～1.3之間,而冬季在0.3～0.7之間,具有明顯的季節(jié)差異。近年來(lái),ADRE的遙感評(píng)估研究雖然取得了很大的進(jìn)展,但多數(shù)針對(duì)全球或者大區(qū)域尺度,目前針對(duì)高污染地區(qū)ADRE的空間變化研究仍然比較有限。

長(zhǎng)三角是目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度最快、發(fā)展程度最高、最具發(fā)展?jié)撃艿慕?jīng)濟(jì)區(qū)域,也是我國(guó)大氣污染嚴(yán)重的區(qū)域之一,該區(qū)域的大氣污染及其對(duì)氣候的影響也一直廣受關(guān)注。由于氣溶膠輻射效應(yīng)機(jī)制的復(fù)雜性以及相關(guān)研究資料的匱乏,該地區(qū)氣溶膠輻射效應(yīng)的區(qū)域分布、估算精度等方面研究仍存在難點(diǎn),針對(duì)其時(shí)空分布特征的研究較少。因此,筆者以長(zhǎng)三角地區(qū)為研究區(qū),利用MODIS衛(wèi)星資料結(jié)合地面站觀測(cè)數(shù)據(jù)，開展高污染地區(qū)氣溶膠直接輻射效應(yīng)的研究,以期對(duì)該地區(qū)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染治理以及氣候變化評(píng)估等提供理論支持,并為相應(yīng)政策和法規(guī)的制定提供決策參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究區(qū)概況

以廣義的長(zhǎng)三角地區(qū)(26°～36° N,116°～123° E)為研究區(qū),區(qū)域面積約21.07萬(wàn)km2,占我國(guó)國(guó)土總面積的2.19%,主要包括江蘇省、浙江省和上海市。江蘇和上海地形以平原為主,平原面積超過(guò)7萬(wàn) km2,浙江地形自西南向東北呈階梯狀傾斜,西南以山地為主,中部以丘陵為主,東北部是低平的沖積平原。

作為中國(guó)第1大經(jīng)濟(jì)區(qū),長(zhǎng)三角是我國(guó)參與經(jīng)濟(jì)全球化的主體區(qū)域,其經(jīng)濟(jì)總量占全國(guó)GDP的54%,且年增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平[13]。但近年來(lái)長(zhǎng)江流域環(huán)境污染逐年加劇,流域生態(tài)安全和環(huán)境安全問(wèn)題日益突出,長(zhǎng)三角地區(qū)的灰霾天氣引發(fā)公眾和媒體的高度關(guān)注,更引發(fā)人們對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的深度思索。

1.2 MODIS數(shù)據(jù)及預(yù)處理

MODIS(中分辨率成像光譜儀)傳感器是裝載在地球低軌道觀測(cè)(LEO)Terra(上午星)和Aqua(下午星)2顆衛(wèi)星上的主要光學(xué)遙感設(shè)備,擁有分布在0.4～14 μm電磁波譜范圍內(nèi)的36個(gè)光譜通道。其中1～2通道的地面分辨率為250 m,3～7通道為500 m,8～36通道為1 000 m,掃描寬度為2 330 km。MODIS數(shù)據(jù)級(jí)別分為0～5級(jí),產(chǎn)品共6類,包含大氣、陸地、冰雪和海洋4個(gè)專題數(shù)據(jù)的44種產(chǎn)品[14-16]。這些數(shù)據(jù)在對(duì)陸地、海洋以及大氣動(dòng)態(tài)現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)和科學(xué)研究中起到關(guān)鍵作用。

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在2006年4月發(fā)布了AOD的C5產(chǎn)品,主要算法為暗像元算法[17]。2008年,NASA結(jié)合深藍(lán)算法反演了亮地表地區(qū)的AOD結(jié)果,發(fā)布了C5.1產(chǎn)品[18]。為了提高C5.1產(chǎn)品的空間分辨率[9],NASA進(jìn)一步發(fā)布了C6數(shù)據(jù)集,將分辨率從10 km提高到3 km,產(chǎn)品的精度也有一定提高。該研究最終選取2014年3月1日至2015年2月28日間的MOD04-C6版本氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù),該產(chǎn)品是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的EOS-HDF格式,空間分辨率為3 km。

1.3 地面觀測(cè)數(shù)據(jù)

CE-318太陽(yáng)光度計(jì)是一種自動(dòng)跟蹤掃描太陽(yáng)光度計(jì),由法國(guó)CIMEL公司制造,是大氣光學(xué)特性觀測(cè)的一種基本儀器,被廣泛用于反演氣溶膠光學(xué)厚度和計(jì)算大氣透過(guò)率等參數(shù)[19-20]。該研究最終選取CE-318地面觀測(cè)站完成云處理的L1.5級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。研究采用的地面觀測(cè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)來(lái)自于南京信息工程大學(xué)(32.206° N,118.717° E)北辰樓的CE-318太陽(yáng)光度計(jì)數(shù)據(jù),時(shí)間范圍為2014年3月1日—2015年2月28日。由于在用6S模型模擬輻射效應(yīng)時(shí)選擇氣溶膠含量參數(shù)為550 nm處的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD),因此在獲取原始CE-318數(shù)據(jù)后，要將實(shí)測(cè)AOD值轉(zhuǎn)為550 nm處的AOD值,再模擬計(jì)算輻照度,最后進(jìn)行輻射效應(yīng)的結(jié)果驗(yàn)證[21-22]。轉(zhuǎn)換公式為

(1)

DAO=DAO，440/440-a×550-a。

(2)

式(1)～(2)中,DAO,440和DAO,870分別代表440和870 nm處的AOD值。從原始數(shù)據(jù)中選取對(duì)應(yīng)研究數(shù)據(jù)的84 d晴朗無(wú)云狀態(tài)下的驗(yàn)證資料,但由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也有部分缺失,只有16組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)匹配。

2 研究方法

2.1 計(jì)算原理

晴空條件下的氣溶膠直接輻射效應(yīng)指在晴空條件下,地面和大氣上界短波輻射通量在分別考慮氣溶膠存在和不考慮氣溶膠存在時(shí)兩者間的差值。在此次模擬計(jì)算中,保證其他參數(shù)不變的條件下一次取MODIS反演的AOD值,一次取值0,兩者計(jì)算的差值即為氣溶膠直接輻射效應(yīng)。計(jì)算公式為

ΔFTOA=FTOA(a)-FTOA,

(3)

ΔFSFC=FSFC(a)-FSFC,

(4)

F=Fdown-Fup。

(5)

式(3)～(5)中,ΔFTOA和ΔFSFC分別為大氣層頂和地表的氣溶膠直接輻射效應(yīng),W·m-2;FTOA(a)和FSFC(a)分別為有氣溶膠時(shí)大氣層頂和地表凈輻射通量密度，W·m-2;FTOA和FSFC分別為無(wú)氣溶膠時(shí)大氣層頂和地表凈輻射通量密度，W·m-2;Fdown和Fup分別為向下和向上輻射通量，W·m-2;F為凈輻射通量密度，W·m-2。大氣氣溶膠直接輻射效應(yīng)值可正可負(fù),取決于氣溶膠粒子自身反射和對(duì)太陽(yáng)輻射吸收的相對(duì)能力以及地面反照率等因素。

2.2 6S模型及反演流程

式(3)～(5)中,大氣層頂和地表的輻射通量密度是借助6S(second simulation of the satellite signal in the solar spectrum)輻射傳輸模式進(jìn)行的。6S指在無(wú)云狀況時(shí),模擬傳感器在0.25～4.0 μm光譜波段內(nèi)衛(wèi)星探測(cè)器接收到輻射值的理論數(shù)據(jù)[23-25]。

6S模型的主要輸入?yún)?shù)包括觀測(cè)幾何條件(太陽(yáng)天頂角asol、太陽(yáng)方位角phio、衛(wèi)星天頂角avis和衛(wèi)星方位角phiv等)、大氣參數(shù)、氣溶膠參數(shù)、目標(biāo)高程以及地表反照率等。參考程晨[26]對(duì)南京信息工程大學(xué)站點(diǎn)和太湖站點(diǎn)吸收性粒子組成的研究,將氣溶膠類型確定為大陸型氣溶膠;通過(guò)MOD04產(chǎn)品獲取氣溶膠光學(xué)厚度、太陽(yáng)天頂角、太陽(yáng)方位角、衛(wèi)星天頂角和衛(wèi)星方位角的逐像元數(shù)據(jù);模式計(jì)算中下墊面特性假設(shè)為朗伯面,反射率采用MODIS地表反射率數(shù)據(jù);其余參數(shù)均由6S模型提供。通過(guò)IDL編程調(diào)用6S輻射傳輸模型,計(jì)算研究區(qū)地表和大氣層頂在有、無(wú)氣溶膠2種情況下的總輻射通量來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬過(guò)程,波段為整個(gè)短波波段(0.25～4 μm),技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technological flow chart

3 結(jié)果與討論

3.1 反演結(jié)果與精度評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算、篩檢后,得到2014年3月至2015年2月期間共84 d晴空下長(zhǎng)三角地區(qū)地表和大氣層頂ADRE計(jì)算結(jié)果。圖2為地表和大氣層頂?shù)闹苯虞椛湫?yīng)年均值。輻射效應(yīng)為負(fù)值說(shuō)明氣溶膠的存在將更多的太陽(yáng)光反射回外部空間,地表輻射效應(yīng)絕對(duì)值較大意味著氣溶膠阻擋了到達(dá)地表的太陽(yáng)光,對(duì)地表產(chǎn)生了降溫效應(yīng)。該研究中討論的ADRE強(qiáng)度大小均是取絕對(duì)值后的結(jié)果,負(fù)號(hào)只作為代表降溫效應(yīng)的一種符號(hào)。

圖2 2014年長(zhǎng)三角地區(qū)氣溶膠直接輻射效應(yīng)(ADRE)Fig.2 Aerosol direct radiation effects in the Yangtze River Delta in 2014

由圖3可以看出,地表和大氣層頂ADRE變化范圍分別在-31.60～-0.61 W·m-2(均值為-11.91 W·m-2)和-3.48～-0.10 W·m-2之間(均值為-1.28 W·m-2)。參考YU等[27-28]分別基于地面觀測(cè)資料分析和模式模擬全球陸地上空氣溶膠地表(-11.9和-7.6 W·m-2)和大氣層頂(-4.9和-3.0 W·m-2)的直接輻射強(qiáng)迫值,筆者通過(guò)衛(wèi)星反演所得結(jié)果(-11.91和-1.28 W·m-2)具有一定可靠性。從ADRE空間分布來(lái)看,地表與大氣層頂直接輻射效應(yīng)值的分布區(qū)域與變化趨勢(shì)在整體上趨于一致,絕對(duì)值均呈現(xiàn)北高南低態(tài)勢(shì),直接輻射效應(yīng)絕對(duì)值較大(地表直接輻射效應(yīng)值為-31.60～-20.54 W·m-2、大氣層頂輻射效應(yīng)值為-3.48～-2.61 W·m-2)的區(qū)域主要集中在北部。

翟天勇[29]統(tǒng)計(jì)分析了2000—2013年間長(zhǎng)三角地區(qū)AOD年均值變化,同樣得出AOD高值區(qū)基本分布在長(zhǎng)三角北部區(qū)域,而低值區(qū)一般分布在南部,這不但與長(zhǎng)三角北部區(qū)域地形、人口密度分布和城市工業(yè)分布等人為活動(dòng)有關(guān),也受到地表反照率的影響。ZHUANG等[30]對(duì)南京地區(qū)氣溶膠輻射效應(yīng)的研究表明,地表反照率可以顯著影響ADRE,亮表面將更多的太陽(yáng)輻射反射到大氣中,從而導(dǎo)致更多的太陽(yáng)輻射被氣溶膠重吸收和再散射。從ADRE空間變化差異來(lái)看,長(zhǎng)三角北部區(qū)域差值較大,最大強(qiáng)度區(qū)間值(地表-31.60～-20.54 W·m-2,大氣層頂-3.48～-2.16 W·m-2)多分布在該區(qū)域;而南部地區(qū)輻射效應(yīng)值分布較為平均,地表輻射效應(yīng)值多分布在-15.8～-0.61 W·m-2之間,大氣層頂輻射效應(yīng)值多分布在-1.66～-0.10 W·m-2之間,這與肖鐘湧等[3]的研究結(jié)論一致。在長(zhǎng)三角北部主要以城市為主的地區(qū),ADRE空間變化比較明顯;而在南部以植被覆蓋為主的地區(qū),ADRE差異較小。這主要是由于長(zhǎng)三角北部的人為活動(dòng)較為強(qiáng)烈,而南部地區(qū)森林覆蓋度較高,人為排放氣溶膠較少。

為了對(duì)反演結(jié)果的精度進(jìn)行評(píng)價(jià),對(duì)衛(wèi)星過(guò)境前后30 min 的AERONET站點(diǎn)資料與MODIS產(chǎn)品反演結(jié)果進(jìn)行時(shí)空匹配，由于站點(diǎn)數(shù)據(jù)存在缺失,最終只獲得16組數(shù)據(jù)。由圖3可以看出,地表輻射效應(yīng)的擬合精度R2=0.92,大氣層頂輻射效應(yīng)擬合精度R2=0.95,說(shuō)明地表、大氣層頂輻射效應(yīng)模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差精度均在可接受范圍內(nèi),衛(wèi)星遙感反演的氣溶膠輻射效應(yīng)結(jié)果與CE-318資料數(shù)據(jù)具有很好的相關(guān)性。

圖3 輻射效應(yīng)實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比情況Fig.3 Observed and measured radiation effects

進(jìn)一步分析研究結(jié)果的誤差來(lái)源,其主要因素可能是6S模型的參數(shù)設(shè)定(包括大氣模式假定)的誤差(設(shè)定為中緯度夏季或中緯度冬季)以及氣溶膠類型假定的誤差(設(shè)定為大陸型氣溶膠)等;除此之外,輻射觀測(cè)本身的誤差和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性也會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的影響。雖然6S模型參數(shù)的這種假定會(huì)帶來(lái)一定的誤差,但在缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下,這種假定仍然是目前使用較多的一種方式。以上驗(yàn)證表明,該研究的ADRE計(jì)算結(jié)果比較可靠,可以用于進(jìn)一步的時(shí)空分析。

3.2 長(zhǎng)三角地區(qū)氣溶膠直接輻射效應(yīng)特征分析

受云、霧以及圖像質(zhì)量的影響,在2014年3月1日—2015年2月28日共365 d研究資料中,共篩選出84 d可以使用的MODIS氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)(MOD04),3月—次年2月每月可用天數(shù)分別為12、7、7、4、3、4、3、12、7、10、6和9 d。

根據(jù)氣象部門習(xí)慣的季節(jié)劃分方法,3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12—次年2月為冬季。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,春季和冬季晴空天數(shù)較多,夏季和秋季晴空天氣較少,基本與春季多風(fēng)干燥、夏季炎熱多雨、秋季陰冷潮濕、冬季寒冷干燥的四季氣候特點(diǎn)契合。筆者進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了4個(gè)季節(jié)ADRE均值影像圖,如圖4～5。

從氣溶膠直接輻射效應(yīng)的空間分布上來(lái)看,在春、夏和秋3季,江蘇和上海地區(qū)受氣溶膠輻射的影響強(qiáng)于浙江地區(qū)。具體表現(xiàn)為春、夏和秋3季江蘇和上海地表ADRE絕對(duì)值多數(shù)在20 W·m-2以上,而浙江則大多分布在20 W·m-2以下;大氣層頂ADRE的空間分布趨勢(shì)近似,春、夏和秋3季江蘇和上海大氣層頂ADRE絕對(duì)值多數(shù)在2 W·m-2以上,而浙江則大多分布在2 W·m-2以下。這一現(xiàn)象不僅與浙江地區(qū)多山地、地表反射率低有關(guān),也與江蘇和上海工業(yè)企業(yè)較多,污染嚴(yán)重相關(guān)。而冬季該現(xiàn)象剛好相反,浙江地區(qū)的地表、大氣層頂ADRE強(qiáng)度高于江蘇和上海,浙江地表ADRE絕對(duì)值多數(shù)分布在6.4 W·m-2以上,大氣層頂ADRE絕對(duì)值多數(shù)在0.6 W·m-2以上,江蘇和上海雖也有高值分布,但整體偏小。其原因可能是冬季地面綠色植被減少,環(huán)境凈化能力較其余季節(jié)低,所以在天氣狀況相同情況下,浙江地區(qū)的氣溶膠輻射效應(yīng)比江蘇和上海強(qiáng)。此外,在江蘇南部,也就是蘇州、無(wú)錫和常州地區(qū),氣溶膠輻射效應(yīng)顯著增大,這是由于該地區(qū)大規(guī)模的工業(yè)和城市化建設(shè)造成的污染較其他地區(qū)嚴(yán)重,人類活動(dòng)產(chǎn)生的氣溶膠排放大致和人口密度呈正比[31],而氣溶膠與污染物濃度有一定的正相關(guān)關(guān)系。

地表春、夏季ADRE絕對(duì)值的高值區(qū)分別分布在31.94～52.36和29.27～60.01 W·m-2之間,秋、冬季ADRE絕對(duì)高值分別分布在23.73～41.67和13.38～22.63 W·m-2之間;大氣層頂春、夏季ADRE絕對(duì)高值分別分布在3.35～5.59和3.37～6.65 W·m-2之間,秋、冬季ADRE絕對(duì)高值分別分布在2.21～3.37和1.28～2.08 W·m-2之間,表明長(zhǎng)三角地區(qū)ADRE在春、夏季最強(qiáng),并且地表和大氣層頂ADRE相關(guān)性很大,數(shù)值上看大氣層頂ADRE絕對(duì)值小于地表,但兩者所表現(xiàn)的季節(jié)性變化趨勢(shì)一致;空間分布上地表與大氣層頂ADRE整體趨勢(shì)也趨于一致。由圖4～5影像的明亮程度變化可以看出,長(zhǎng)三角區(qū)域中江蘇和上海地區(qū)受氣溶膠輻射影響的季節(jié)性變化明顯,相比之下,浙江地區(qū)輻射效應(yīng)的季節(jié)性差異小,四季變化幅度不大,地表輻射效應(yīng)絕對(duì)值變化范圍多數(shù)均分布在0～10 W·m-2區(qū)間,大氣層頂輻射效應(yīng)絕對(duì)值變化范圍多數(shù)均分布在0～1 W·m-2區(qū)間。這一特征與其所處地理位置、工業(yè)發(fā)展程度和污染治理水平等因素有很大相關(guān)性,劉建軍[32]的研究中也指出氣溶膠直接輻射效應(yīng)同樣受各地區(qū)各季節(jié)地形、地面含水狀況、陸地類型、地面反照率和大氣水汽分布等因素的影響。

圖4 地表直接輻射效應(yīng)(ADRE)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of ADRE on land surface

進(jìn)一步按照行政區(qū)域統(tǒng)計(jì)浙江、上海和江蘇3地的各季節(jié)ADRE均值,結(jié)果見表1。在季節(jié)變化趨勢(shì)上,浙江和江蘇地區(qū)ADRE呈現(xiàn)由春季到冬季遞減的規(guī)律,與羅燕等[33]的研究結(jié)果一致。陳林等[11]研究表明春季是我國(guó)氣溶膠光學(xué)厚度最大的季節(jié),這與春季部分地區(qū)會(huì)受到沙塵襲擊有關(guān)。另外,江蘇地區(qū)ADRE季節(jié)變化幅度大于浙江,地表和大氣層頂?shù)拇憾珹DRE差值分別達(dá)16.45和1.92 W·m-2,且相鄰季節(jié)的變化更為明顯;浙江地區(qū)的地表和大氣層頂春冬ADRE差值僅3.57和0.55 W·m-2,變化幅度較小。然而,上海地區(qū)ADRE季節(jié)變化趨勢(shì)不同于浙江和江蘇,具體表現(xiàn)為春、秋季強(qiáng)于冬、夏季,且各季節(jié)變化明顯,地表和大氣層頂?shù)拇?、冬季ADRE差值分別達(dá)12.74和1.52 W·m-2。這可能與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的季節(jié)變化有關(guān),也可能受不同季節(jié)氣溶膠粒子的時(shí)空變化影響。此外,上海區(qū)域面積遠(yuǎn)小于浙江和江蘇,地表覆蓋類型相對(duì)簡(jiǎn)單,這也可能是導(dǎo)致上海ADRE季節(jié)變化趨勢(shì)不同于其余兩地的原因。

圖5 大氣層頂直接輻射效應(yīng)(ADRE)的空間分布Fig.5 Direct radiation effects on top of the atmosphere

表1浙江、上海和江蘇各季節(jié)地表和大氣層項(xiàng)直接幅射效應(yīng)(ADRE)均值統(tǒng)計(jì)

Table1SeasonalmeansofADREinSubregions

項(xiàng)目季節(jié)浙江上海江蘇地表 春-1025-1747-2266夏-954-689-1610秋-831-768-1316冬-668-473-621大氣層頂春-125-194-249夏-116-078-189秋-075-063-118冬-070-041-057

利用研究數(shù)據(jù)反演得到12個(gè)月共24幅地表和大氣層頂?shù)腁DRE均值影像圖,統(tǒng)計(jì)其均值,結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出,地表ADRE絕對(duì)均值在5.94(2月)～ 21.78(4月)W·m-2范圍內(nèi),大氣層頂ADRE絕對(duì)均值則在0.73(12月)～ 2.45(4月) W·m-2范圍內(nèi),且地表和大氣層頂?shù)腁DRE具有很強(qiáng)的相關(guān)性,但大氣層頂ADRE變化幅度小于地表。地表和大氣層頂?shù)腁DRE月均值基本按月交替上升下降,總體呈下降趨勢(shì),季節(jié)表現(xiàn)與肖鐘湧等[3]的研究一致,各季節(jié)ADRE絕對(duì)值由大到小依次為春季(15.86 W·m-2)>夏季(12.39 W·m-2)>秋季(10.25 W·m-2)>冬季(6.27 W·m-2)。

圖6 地表和大氣層頂直接輻射效應(yīng)(ADRE)月均值統(tǒng)計(jì)Fig.6 Monthly means of radiation effects

其中,2014年3—4月受春季沙塵天氣現(xiàn)象影響,地表與大氣層頂ADRE絕對(duì)值均達(dá)全年最高值,至2014年5月ADRE絕對(duì)值月均值明顯下降,主要原因可能與雨水較多和上海亞信峰會(huì)召開期間對(duì)各污染單位的監(jiān)管有關(guān)。6月受副熱帶高壓影響,天氣炎熱,尾氣排放加劇,且弱對(duì)流空氣不利于氣溶膠粒子擴(kuò)散,導(dǎo)致地表、大氣層頂ADRE絕對(duì)值月均值均出現(xiàn)增長(zhǎng)現(xiàn)象,考慮地表覆蓋類型復(fù)雜,城鎮(zhèn)工業(yè)化等因素影響氣溶膠粒子擴(kuò)散,所以6月地表ADRE絕對(duì)值增長(zhǎng)強(qiáng)度高于大氣層頂。另外,7月地表與大氣層頂ADRE絕對(duì)值月均值降到全年較低值,考慮到2014年8月南京青奧會(huì)舉辦前相關(guān)部門對(duì)污染企業(yè)和建筑行業(yè)的嚴(yán)格管控,排放到大氣中的污染物銳減以及梅雨季節(jié)氣溶膠顆粒物沉降加速可能是ADRE絕對(duì)值月均值接近全年低值的主要原因。8—9月地表ADRE絕對(duì)值保持穩(wěn)定,大氣層頂有所減弱,9—10月正值農(nóng)作物秋收季節(jié),考慮秸稈焚燒產(chǎn)生的大量煙塵會(huì)導(dǎo)致ADRE絕對(duì)值的增強(qiáng),但該時(shí)段ADRE絕對(duì)值為降低趨勢(shì),這可能與禁止秸稈焚燒的相關(guān)監(jiān)管政策有關(guān)。11—次年2月大氣層頂ADRE絕對(duì)值一直相對(duì)穩(wěn)定地保持在全年較低值,無(wú)明顯變化;地表ADRE絕對(duì)值除在1月有小幅增長(zhǎng)外,其余月份沒(méi)有顯著波動(dòng),均值降至全年最低水平,同樣保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),這與冬季天氣狀況較穩(wěn)定有關(guān)。人為因素方面,近年來(lái)我國(guó)禁止燃放煙花爆竹的相關(guān)政策也起到了一定作用。除此之外,3—9月的ADRE標(biāo)準(zhǔn)偏差值較高,其離散程度較下半年整體偏大,這可能是雨水和沙塵天氣共同作用的結(jié)果,降水可使顆粒物沉降,沙塵現(xiàn)象可提高氣溶膠的空間分布差異。

4 結(jié)論

以長(zhǎng)三角地區(qū)為研究區(qū),基于MODIS數(shù)據(jù)的AOD產(chǎn)品,利用6S模型計(jì)算了該地區(qū)的氣溶膠直接輻射效應(yīng),并分析了這種高污染地區(qū)其時(shí)空分布特征,主要結(jié)論如下:

(1)利用2014年3月1日至2015年2月28日共84 d的MOD04數(shù)據(jù)計(jì)算了地表和大氣層頂?shù)腁DRE,并借助CE-318地面實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,衛(wèi)星遙感計(jì)算的氣溶膠輻射效應(yīng)結(jié)果與CE-318資料數(shù)據(jù)具有很好的擬合精度R2,其中地表R2=0.92,大氣層頂R2=0.95。

(2)長(zhǎng)三角地區(qū)地表與大氣層頂直接輻射效應(yīng)的空間分布均呈現(xiàn)北高南低的規(guī)律,氣溶膠直接輻射效應(yīng)的常年高值主要集中在江蘇南部的蘇州、無(wú)錫和常州地區(qū)。

(3)地表和大氣層頂ADRE具有很強(qiáng)的相關(guān)性,但大氣層頂輻射效應(yīng)變化幅度小于地表輻射效應(yīng),地表和大氣層頂ADRE絕對(duì)均值分別在5.94～21.78和0.73～2.45 W·m-2之間。

(4)在季節(jié)變化方面,ADRE絕對(duì)值表現(xiàn)為春季最大,夏季次之,冬季最小。其中江蘇、上海地區(qū)受氣溶膠輻射影響的季節(jié)性變化明顯,浙江地區(qū)輻射效應(yīng)的季節(jié)性差異小,四季變化幅度不大,地表輻射效應(yīng)絕對(duì)值變化范圍多數(shù)均分布在0～10 W·m-2區(qū)間,大氣層頂輻射效應(yīng)絕對(duì)值變化范圍多數(shù)均分布在0～1 W·m-2區(qū)間。

[1] 羅云峰,周秀驥,李維亮.大氣氣溶膠輻射強(qiáng)迫及氣候效應(yīng)的研究現(xiàn)狀[J].地球科學(xué)進(jìn)展,1998,13(6):572-581.[LUO Yun-feng,ZHOU Xiu-ji,LI Wei-liang.Advances in the Study of Atmospheric Aerosol Radiative Forcing and Climate Change[J].Advance in Earth Sciences,1998,13(6):572-581.]

[2] 鄧學(xué)良,何冬燕,潘德爐,等.衛(wèi)星遙感中國(guó)海域氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫[J].氣象學(xué)報(bào),2010,68(5):666-679.[DENG Xue-liang,HE Dong-yan,PAN De-lu,etal.Aerosol Direct Forcing Estimated From Satellite Data Over the China Sea[J].Acta Meteorologica Sinica,2010,68(5):666-679.]

[3] 肖鐘湧,江洪.長(zhǎng)江三角洲地區(qū)大氣頂氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫遙感估算[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2013,33(5):799-807.[XIAO Zhong-yong,JIANG Hong.Estimations of Aerosol Direct Radiative Forcing at the Top of the Atmosphere Using Remote Sensing Data in Yangtze River Delta Region,China[J].China Environmental Science,2013,33(5):799-807.]

[4] 宋姚,麻金繼.利用 MODIS 數(shù)據(jù)計(jì)算北京地區(qū)的氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào),2012,7(6):445-451.[SONG Yao,MA Jin-ji.Estimation of Aerosol Direct Radiative Forcing in Beijing Area Using MODIS Data[J].Journal of Atmospheric and Environmental Optics,2012,7(6):445-451.]

[5] 段麗潔.蘭州地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度和地面總輻射強(qiáng)迫反演研究[D].蘭州:蘭州大學(xué),2006.[DUAN Li-jie.Retrieval of Aerosol Optical Depth and Total Surface Radiative Forcing Over Lanzhou Areas[D].Lanzhou:Lanzhou University,2006.]

[6] HYE-RYUN O H,CHANG-HOI H O,CHOI H S.Comments on "Direct Radiative Forcing of Anthropogenic Aerosols Over Oceans From Satellite Observation"[J].Advances in Atmospheric Sciences,2013,30(1):10-14.

[7] KAUFMAN Y J,BOUCHER O,TANRé D,etal.Aerosol Anthropogenic Component Estimated From Satellite Data[J].Geophysical Research Letters,2005,32(17):317-330.

[8] CHRISTOPHER S A,ZHANG J L,KAUFMAN Y J,etal.Satellite-Based Assessment of Top of Atmosphere Anthropogenic Aerosol Radiative Forcing Over Cloud-Free Oceans[J].Geophysical Research Letters,2006,33(15):198-210.

[9] 范學(xué)花,陳洪濱,夏祥鰲.中國(guó)大氣氣溶膠輻射特性參數(shù)的觀測(cè)與研究進(jìn)展[J].大氣科學(xué),2013,37(2):477-498.[FAN Xue-hua,CHEN Hong-bin,XIA Xiang-ao.Progress in Observation Studies of Atmospheric Aerosol Radiative Properties in China[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,2013,37(2):477-498.]

[10] 邱金桓,呂達(dá)仁,陳洪濱,等.現(xiàn)代大氣物理學(xué)研究進(jìn)展[J].大氣科學(xué),2003,27(4):628-652.[QIU Jin-huan,LU Da-ren,CHEN Hong-bin,etal.Modern Researeh Progressesin AtrnosPherie Physies[J].Chinese Journal of Atmospherie Seienees,2003,27(4):628-652.]

[11] 陳林,石廣玉,王標(biāo),等.基于衛(wèi)星觀測(cè)資料的氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫研究[C]∥第 27 屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)應(yīng)對(duì)氣候變化分會(huì):人類發(fā)展的永恒主題論文集.北京：[出版者不祥],2010：10-25.[CHEN Lin,SHI Guang-yu,WANG Biao,etal.Study on Direct Radiation Forcing of Aerosol Based on Satellite Observation Data[C]∥The 27th Annual Meeting of the Chinese Meteorological Society to Deal With Climate Change Sub-Venue-the Eternal Theme of Human Development.Beijing:[s. n.],2010:10-25.]

[12] 朱佳晨,傅云飛.東亞地區(qū)氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫的模擬研究[C].天津:中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)S9 大氣成分與天氣、氣候變化,2015.[ZHU Jia-chen,FU Yun-fei.Simulation of Direct Radiative Forcing in Aerosols in East Asia[C].Tianjin:China Meteorological Society Annual Meeting S9 Atmospheric Composition and Weather,Climate Change,2015.]

[13] 吳劍飛,陳琳,仇惠棟.長(zhǎng)三角區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控大氣污染,讓藍(lán)天常在碧水長(zhǎng)流[EB/OL].(2015-03-14)[2017-03-30].http:∥epaperyzwbnet/html-t/2015-03/14/content-220322htm?div=-1.[WU Jian-fei,CHEN Lin,CHOU Hui-dong.Yangtze River Delta Regional Defense Joint Control of Air Pollution,so That the Blue Sky Often Clear Water[EB/OL].(2015-03-14)[2017-03-30].http:∥epaperyzwbnet/html-t/2015-03/14/content-220322htm?div=-1.]

[14] 劉榮高,劉洋,劉紀(jì)遠(yuǎn).MODIS科學(xué)數(shù)據(jù)處理研究進(jìn)展[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2009,19(2):141-147.[LIU Rong-gao,LIU Yang,LIU Ji-yuan.Research Progress of MODIS Scientific Data Processing[J].Progress in Natural Science,2009,19(2):141-147.]

[15] 黃善鵬.基于MODIS數(shù)據(jù)遼寧地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度反演研究[D].大連：遼寧師范大學(xué)，2016.[HUANG Shan-peng.Inversion of Aerosol Optical Thickness in Liaoning Area Based on MODIS[D].Dalian:Liaoning Normal University,2016.]

[16] 相云.MODIS 1B資料處理方法研究與軟件實(shí)現(xiàn)[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.[XIANG Yun.Study on MODIS 1B Data Processing Algorithm and Program[D].Beijing:China Agricultural University,2005.]

[17] REMER L A,KAUFMAN Y J,TANRé D,etal.The MODIS Aerosol Algorithm,Products,and Validation[J].Journal of the Atmospheric Sciences,2005,62(4):947-973.

[18] LEVY R C,REMER L A.Second Generation Operational Algorithm:Retrieval of Aerosol Proerties Over Land From Inversion of MODIS Spectral Reflectance[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres,2007,112:1-21.

[19] 陳征.CE318太陽(yáng)光度計(jì)基本結(jié)構(gòu)與安裝使用[J].陜西氣象,2002(5):43-44.[CHEN Zheng.Installation and Using of CE318 Solar Photometer′s Basic Structure[J].Journal of Shanxi Meteorology,2002(5):43-44.]

[20] 任宜勇,李霞,呂鳴,等.CE318太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)資料應(yīng)用前景及其解讀[J].氣象科技,2006,34(3):349-352.[REN Yi-yong,LI Xia,Lü Ming,etal.Application Prospect of Measurement by Sun Photometer CE318 and Retrieval Methodology[J].Meteorological Science and Technology,2006,34(3):349-352.]

[21] 劉玉杰,牛生杰,鄭有飛.用CE-318太陽(yáng)光度計(jì)資料研究銀川地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度特性[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2004,27(5):615-622.[LIU Yu-jie,NIU Sheng-jie,ZHENG You-fei.Optical Depth Characteristics of Yinchuan Atmospheric Aerosols Based on the CE-318 Sun Tracking Spectrophotometer Data[J].Journal of Nanjing Institute of Meteorology,2004,27(5):615-622.]

[22] 張志薇,王宏斌,張鐳,等.中國(guó)地區(qū)3個(gè)AERONET站點(diǎn)氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫分析[J].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào),2014,31(3):297-305.[ZHANG Zhi-wei,WANG Hong-bin,ZHANG Lei,etal.Aerosol Direct Radiative Forcing at Three AERONET Sites in China[J].Journal of University of Chinese Academy of Sciences,2014,31(3):297-305.]

[23] 買買提依明·買買提,塔西甫拉提·特依拜,買買提沙吾提,等.基于6S模型的遙感數(shù)據(jù)大氣校正應(yīng)用研究[J].水土保持研究,2011,18(3):15-18.[MUHAMMADEMIN·Muhammad,TASHPOLAT·Tiyip,MAMATSAWUT,etal.Study on Atmospheric Correction of Remote Sensing Data Application Based on 6S Model[J].Research of Soil and Water Conservation,2011,18(3):15-18.]

[24] 盧士慶,陳渭民,高慶先.使用6S模型由GMS5衛(wèi)星資料反演陸地大氣氣溶膠光學(xué)厚度[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2006,29(5):669-675.[LU Shi-qing,CHEN Wei-min,GAO Qing-xian.Using 6S Model to Retrieve Aerosol Optical Depth Above Land From GMS5 Satellite Data[J].Journal of Nanjing Institute of Meteorology,2006,29(5):669-675.]

[25] 王新強(qiáng),楊世植,朱永豪,等.基于6S模型從MODIS圖像反演陸地上空大氣氣溶膠光學(xué)厚度[J].量子電子學(xué)報(bào),2003,20(5):629-634.[WANG Xin-qiang,YANG Shi-zhi,ZHU Yong-hao,etal.Aerosol Optical Thickness Retrieval Over Land From MODIS Data Based on the Inversion of the 6S Model[J].Chinese Journal of Quantum Electronics,2003,20(5):629-634.]

[26] 程晨.基于HJ-1衛(wèi)星的南京氣溶膠光學(xué)厚度反演和時(shí)空變化分析[D].南京:南京信息工程大學(xué),2014.[CHENG Chen.Inversion and Spatial-Temporal Change Analysis of Aerosol Optical Depth in Nanjing Based on HJ-1 Satellite[D].Nanjing:Nanjing University of Information Science & Technology,2014.]

[27] YU H,KAUFMAN Y J,CHIN M,etal.A Review of Measurement-Based Assessments of Aerosol Direct Radiative Effect and Forcing[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2006,6(3):613-666.

[28] YU H,FEINGOLD G,REMER L A,etal.Atmospheric Aerosol Properties and Climate Impacts,Chapter 2[J].Usclimate Change Science Program,2009,28:302-307.

[29] 翟天勇.長(zhǎng)江三角洲地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)厚度長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)空特征分析[D].上海:華東師范大學(xué),2014.[ZHAI Tian-yong.Analysis of Spatio-Temporal Variability of Aerosol Optical Depth in the Changjiang River Delta,China[D].Shanghai:East China Normal University,2014.]

[30] ZHUANG B L,WANG T J,LI S,etal.Optical Properties and Radiative Forcing of Urban Aerosols in Nanjing,China[J].Atmospheric Environment,2014,83:43-52.

[31] 黃觀,劉志紅,劉偉,等.北疆地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空特征[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2015,31(3):286-292.[HUANG Guan,LIU Zhi-hong,LIU Wei,etal.Spatio-Temporal Characteristics of Aerosol Optical Depth in North Xinjiang[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2015,31(3):286-292.]

[32] 劉建軍.長(zhǎng)三角太湖地區(qū)云和氣溶膠輻射特性的地基遙感研究[D].南京:南京信息工程大學(xué),2012.[LIU Jian-jun.Ground-Based Remote Sensing of Cloud and Aerosol Radiative Properties Over Taihu Area in the Yangtze Delta Region[D].Nanjing:Nanjing University of Information Science & Technology,2012.]

[33] 羅燕,吳澗,王衛(wèi)國(guó).利用MODIS-GOCART氣溶膠資料研究中國(guó)東部地區(qū)氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),2006,22(6):638-647.[LUO Yan,WU Jian,WANG Wei-guo.Study of the Direct Radiative Forcing in East China With MODIS-Gocart Assimilated Aerosol Optical Depth[J].Journal of Tropical Meteorology,2006,22(6):638-647.]