王雁，郭偉，閆世明，李瑩

山西省氣象科學(xué)研究所，山西 太原 030002

由溫室氣體排放引起的全球氣候變暖已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，伴隨著溫室氣體的排放，人類活動還產(chǎn)生了大量的氣溶膠粒子（Boucher et al.，2001）。這些氣溶膠粒子不僅能降低大氣能見度（Cao et al.，2012）、影響大氣環(huán)境（陳永橋等，2005）、危害人類健康（Marambio et al.，2010；郭新彪等，2013），還能夠吸收和散射太陽輻射，部分氣溶膠粒子能夠形成云凝結(jié)核，增加云的光學(xué)厚度和云層反射率，從而降低了到達(dá)地面的短波輻射，導(dǎo)致地面氣溫下降（Ridley et al.，2014；廖禮等，2015），因此關(guān)于氣溶膠氣候效應(yīng)的研究一直是氣候預(yù)測的關(guān)鍵部分。近年來，關(guān)于氣溶膠氣候效應(yīng)的研究多集中在硫酸鹽氣溶膠（Zhang et al.，2012；王東東等，2014）、沙塵氣溶膠（劉沖等，2015；宿興濤等，2016）和黑炭氣溶膠（蔡子穎等，2011；黃文彥等，2015）等方面，研究方法主要是利用中尺度模式或區(qū)域氣候模式模擬氣溶膠對氣候變化的影響（黃文彥等2015；劉沖等，2015；宿興濤等，2016）。吳蓬萍等（2011）利用發(fā)展的 RIEMS對硫酸鹽氣溶膠第一間接輻射及其氣候效應(yīng)進(jìn)行研究，指出東亞地區(qū)硫酸鹽氣溶膠的第一間接輻射強(qiáng)迫為負(fù)，總體上使地表溫度降低，夏秋季平均降溫幅度在重慶及周邊地區(qū)最大可達(dá)1.5 ℃。四川盆地由于其特殊的地理和氣候，氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）為全國之冠，基于衛(wèi)星遙感結(jié)果的多年平均值在0.7左右（李成才等，2003a；Guo et al.，2011），因此，部分學(xué)者將四川盆地 80年代中后期的降溫歸因于大氣氣溶膠對低層大氣的反向散射（張?zhí)煊畹龋?017）。除四川盆地外，中國華北、長江流域、華南等地也是AOD的高值區(qū)（李成才等，2003b）。然而，除四川盆地外，中國其他地區(qū)卻鮮有關(guān)于氣溶膠大量排放而引起地表氣溫下降的報道。近年來，華北地區(qū)的霧霾天氣廣受關(guān)注，過去以煤炭消費為主的能源結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的大氣污染，而不同地區(qū)排放的氣溶膠粒子化學(xué)組成和混合狀態(tài)均存在顯著差異，因此其在氣候變化中的作用仍難以被定量描述（石廣玉等，2008）。本研究根據(jù)邱金桓等（2001）于 2001年發(fā)展的應(yīng)用地面氣象能見度和水汽壓信息確定大氣柱氣溶膠光學(xué)厚度的參數(shù)化模式，反演山西省1981—2016年 AOD，建立長序列資料，分析山西省工業(yè)顯著發(fā)展時期AOD的變化特征及其在氣候變化中的作用，為氣溶膠氣候效應(yīng)研究提供參考。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況及資料選取

山西省位于黃土高原東緣，境內(nèi)地形復(fù)雜，高差懸殊，分布有山地、丘陵、盆地等，以煤炭為主的工業(yè)結(jié)構(gòu)造成山西省較為嚴(yán)重的大氣污染（何維燦等，2016）。大氣中的氣溶膠具有高度可變性，且其分布受地形特征影響顯著，因此利用較為密集的氣象站點能更準(zhǔn)確地反映復(fù)雜地形下的氣溶膠光學(xué)厚度分布特征。本研究收集整理了山西省 109個地面氣象觀測站（山西省全部氣象臺站）1981—2016年逐日的水汽壓、天氣現(xiàn)象、每天4次能見度觀測資料，逐日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫資料，以及大同、太原、侯馬3站的太陽輻射資料。所有站點的氣象資料完整度高（缺測率低于0.02%），均來源于山西省氣象信息中心。20世紀(jì)80年代以來是全球增溫最為迅速的時期（沙萬英等，2002；魏鳳英等，2003），且同期也是山西省經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、氣溫顯著變化的階段，因此本研究時間序列選擇1981—2016年。

1.2 能見度資料篩選

利用能見度估算氣溶膠光學(xué)厚度，需要排除降水和霧等自然天氣現(xiàn)象對能見度的影響。參考秦世廣等（2010）的方法對逐日觀測資料作以下處理：（1）每日觀測資料中選取 14:00的能見度觀測值；（2）將能見度觀測時段有降水（雪）和霧的記錄排除；（3）剔除相對濕度高于90%的資料。對數(shù)據(jù)資料進(jìn)行篩選，篩選后109個站點觀測資料使用率平均為91.8%。

1.3 AOD反演計算方法

邱金桓等（2001）在 2001年發(fā)展了氣溶膠光學(xué)厚度模式，該模式比較適合中國特點，表達(dá)式為：

基于該式可計算結(jié)果為波長λ=0.55 μm下的光學(xué)厚度。在這個模式中，氣溶膠光學(xué)厚度依賴于地面能見度和水汽壓、海拔高度、波長和Junge譜參數(shù)。式中，V為海平面能見度；H1=0.886+0.0222V（km）；H2=3.77 km；Junge普參數(shù)v*=-2；Z為氣象臺站海拔高度；f為訂正系數(shù)。應(yīng)用氣溶膠粒子濃度隨高度的分布函數(shù)，在海拔高度Z（km）上的能見度 VZ（km）與訂正到海平面的能見度 V（km）存在如下關(guān)系：

訂正系數(shù)f在不同地區(qū)存在2種不同的模式，對除東北以外的中國其他區(qū)域，f如下式所示：

式中，Pw為地面水汽壓（hPa）。根據(jù)此方法估算得到了 1981—2016年各氣象站氣溶膠光學(xué)厚度長時間序列。

2 結(jié)果與分析

2.1 山西省氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布特征

圖1A所示為山西省1981—2016年AOD多年平均值的空間分布。山西省AOD空間分布呈現(xiàn)南高北低、中部區(qū)域高兩側(cè)山地低的特征，總體上同羅宇翔（2012）的研究結(jié)果相似。山西省北部的大同AOD為0.14，中部太原盆地AOD為0.33，南部地區(qū)侯馬AOD為0.46，區(qū)域差異顯著。山西省AOD在0.10～0.46之間，最低點出現(xiàn)在五臺山地區(qū)（圖A右上角深藍(lán)色區(qū)域），最高點為南部的侯馬市，全省平均值為0.23。從圖1A還可以看出，即使在山西省南部地區(qū)，部分站點的AOD也低于0.2，表明AOD整體上雖然有較為顯著的分布特征，但局部地區(qū)仍存差異。

山西省 AOD的空間分布與山西地形特征密切相關(guān)。圖1B所示為山西省地形圖，山西省東西兩側(cè)以山地為主，由北向南在中間區(qū)域分布著多個盆地。對AOD與海拔高度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，二者相關(guān)系數(shù)為-0.839，通過了0.01顯著性檢驗，表明海拔對AOD有顯著影響，海拔高度下降，大氣厚度增加，氣溶膠光學(xué)厚度增加。秦世廣等（2010）的研究顯示，整體上中國AOD呈現(xiàn)從東南向西北逐漸降低的趨勢，這也基本吻合中國的地形高差特征。

表1所示為山西省不同水平AOD區(qū)域數(shù)量，總體以中低值為主。低值區(qū)（0.1, 0.2]主要分布在高原山地及北部地區(qū)，中值區(qū)（0.2, 0.3]主要分布在忻定盆地、太原盆地、長治盆地等地區(qū)，高值區(qū)主要分布在臨汾運城盆地，AOD在0.4以上的地區(qū)分別是永濟(jì)、臨汾和侯馬。除了地形因素外，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動也對AOD有重要影響，山西省太原、臨汾和運城經(jīng)濟(jì)總量常年位居山西省前三位，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展造成的污染物的較高排放是這些地區(qū)AOD偏高的根本原因。

表1 山西省不同水平AOD分布特征Table 1 Number of stations under different AOD level in Shanxi province

圖1 山西省1981—2016年AOD均值空間分布圖（A）及山西省地形圖（B）Fig. 1 AOD spatial distribution (A) from 1981 to 2016 and topographic (B) in Shanxi Province

2.2 山西省氣溶膠估算結(jié)果與已有研究比較

邱金桓等（2001）計算的 1990年太原 AOD為0.39，本研究計算的太原1990年AOD為0.28，36年平均為 0.33，本研究結(jié)果偏低的主要原因是數(shù)據(jù)篩選后對部分天氣條件下能見度資料進(jìn)行了剔除。根據(jù)秦世廣等（2010）的研究，山西省AOD值在全國屬于中等水平，絕大部分地區(qū)高于0.3，中南部地區(qū)高于0.4，局部地區(qū)高于0.5，與本研究結(jié)果相比，整體上偏高。原因主要有兩方面，一是選取的站點位置不同，站點分布、密度也不同；二是時間序列不同，本研究更加關(guān)注20世紀(jì)80年代以后的變化。鄭小波等（2011）利用MODIS資料計算2000—2009年山西省AOD結(jié)果為0.33，同本文結(jié)果較為接近?？傮w上，本研究反演的山西省AOD結(jié)果與前人的研究都較接近，數(shù)據(jù)稍低主要原因是由于山西省地形復(fù)雜，且所選擇的氣象站點較為密集。

2.3 山西省氣溶膠光學(xué)厚度的時空變化

2.3.1 山西省氣溶膠光學(xué)厚度的空間變化特征

圖2所示為山西省1981—2016年AOD均值空間變化圖，此處直接用氣象站點顯示山西省 AOD空間變化特征。由圖可知，AOD值呈上升趨勢的地區(qū)占多數(shù)，達(dá)到 79個。從空間位置看，各個盆地上升站點較為密集，近 36年來，太原盆地、臨汾盆地和長治盆地AOD上升幅度均超過0.08，運城盆地上升了0.04，忻定盆地及其東側(cè)也有AOD值上升區(qū)，但幅度較小，僅為0.02。相對而言，AOD值下降的區(qū)域較為分散，太原盆地東側(cè)（呂梁山山脈）和西側(cè)（太行山中部地區(qū)）均有小范圍的集中區(qū)域，平均下降幅度在0.02左右。

圖2 山西省1981—2016年AOD空間變化圖Fig. 2 Spatial variation of AOD from 1981 to 2016 in Shanxi Province

圖3 山西省1981—2016年AOD變化趨勢圖Fig. 3 Variation trend of AOD from 1981 to 2016 in Shanxi Province

圖4 山西省不同季節(jié)AOD變化趨勢Fig. 4 Variation characteristics of AOD in different seasons in Shanxi Province

2.3.2 山西省氣溶膠厚度的長期變化趨勢

圖3和表2所示為1981—2016年山西省AOD的變化趨勢及其在不同海拔高度下的變化特征?？傮w上，山西省AOD上升趨勢顯著。AOD最低值出現(xiàn)在1986年（0.19），最高出現(xiàn)在2016年（0.27），然而這種上升趨勢并不是完全呈線性，在 2008—2013年之間出現(xiàn)了一個明顯的低谷，平均值為0.23，這可能與2008年北京舉辦奧運會大力減排以及隨后爆發(fā)的世界金融危機(jī)造成山西整體經(jīng)濟(jì)下滑有關(guān)，2013年之后又表現(xiàn)為跳躍性上升。

根據(jù)山西省地形分布特征，將氣象站點按海拔高度劃分為 3個水平（海拔低于 500 m的站點、500～1000 m的站點和大于1000 m的站點）進(jìn)行分析。從圖3可知，不同海拔下AOD的變化特征存在顯著差異，3個海拔AOD均呈顯著上升趨勢（表2），表明 AOD的增加具有全省域和整體性特征；海拔低于500 m的地區(qū)不僅是AOD值最大的地區(qū)，也是AOD上升最快的地區(qū)，對全省AOD增加貢獻(xiàn)最大。

2.3.3 山西省不同季節(jié)氣溶膠變化趨勢

圖4和表3所示為山西省不同季節(jié)AOD變化趨勢。按氣象上季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)：冬季為12—翌年2月，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月。山西省AOD冬季最高，春秋季總體相差不大，夏季AOD最小。山西省冬季由于采暖需要，污染物排放量大，且降水稀少，風(fēng)速較小，多盆地的地形特征造成了污染物的集中，使得冬季 AOD濃度偏高；春季風(fēng)速偏大，易出現(xiàn)揚塵天氣，因此春季AOD波動性較大；夏季雨水充沛，濕沉降作用明顯，污染物濃度總體較低。從時間特征看，冬季、夏季和秋季AOD都呈顯著上升趨勢，其中冬季AOD上升最顯著，對全年的AOD變化貢獻(xiàn)最大；春季AOD變化趨勢不明顯。

2.4 山西省AOD的氣候效應(yīng)分析

2.4.1 山西省1981—2016氣候變化特征

圖5所示為1981年以來山西省年平均氣溫的變化趨勢和突變特征。結(jié)果顯示，山西省 1981年以來年平均氣溫存在兩個不同的變化階段（圖5A），1981—1998年呈顯著上升趨勢，年均增幅在0.06 ℃左右，1998年以后氣溫增幅顯著放緩。運用M-K檢驗進(jìn)行突變分析，結(jié)果顯示，年平均氣溫在1998年左右發(fā)生突變（圖5B），氣溫在1998年達(dá)到最高后，上升趨勢不再顯著。有研究指出，相對于1979—1998年，全球地表溫度增溫速率在1999年度之后的 10年間明顯偏低，此即全球變暖趨緩（停滯）現(xiàn)象（Chen et al.，2014；蘇京志等，2016）；盡管氣溫上升趨勢顯著減緩，但 1999—2016年平均氣溫顯著高于 1981—1998年，即近年來地表氣溫一直維持在較高水平。對山西省不同季節(jié)升溫幅度進(jìn)行分析，結(jié)果顯示（圖略），在顯著升溫階段，冬季升溫幅度最顯著，其次是秋季和夏季，春季氣溫變化最不明顯。

表2 不同海拔高度AOD特征及變化趨勢Table 2 Characteristics and variation trend of AOD in different altitude in Shanxi Province

表3 山西省不同季節(jié)AOD特征及變化趨勢Table 3 Characteristics and variation trend of AOD in different seasons in Shanxi Province

圖5 山西省氣溫年際變化特征Fig. 5 Characteristics of temperature variation in 1981—2016 in Shanxi Province

2.4.2 山西省AOD對氣候變化的影響

氣溶膠能減少到達(dá)地面的太陽輻射量，從而影響地面氣溫。對大同、太原和侯馬AOD和太陽總輻射進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，AOD與大同市太陽總輻射量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.135，未達(dá)到顯著水平，與太原市和侯馬市呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.525和-0.441，這表明，氣溶膠能減少到達(dá)地面的太陽輻射量，對高AOD地區(qū)太陽輻射影響更加顯著。上世紀(jì) 50年代以來，中國存在一個以四川盆地為中心的變冷區(qū)，這個變冷中心可以用AOD增加來解釋。楊琨等（2008）、張?zhí)煊畹龋?017）利用四川盆地的氣溫進(jìn)行合成分析后指出，氣溶膠的冷卻效應(yīng)可以解釋80年代到90年代中期的氣溫偏低現(xiàn)象，其中冬季氣溫對于AOD的響應(yīng)最明顯。氣溶膠的冷卻效應(yīng)在四川盆地體現(xiàn)為地表氣溫的下降，在中國大部分地區(qū)氣溫顯著升高的背景下，氣溶膠的冷卻效應(yīng)可能體現(xiàn)為對氣候變暖的減緩作用。山西省氣溫變化顯著主要發(fā)生在1981—1998年之間，全省109個氣象站點，排除因遷站而導(dǎo)致氣溫顯著變化的五臺山站，保留其余108個站點氣溫資料，然后對108站1981—1998年的年、季節(jié)平均氣溫及日最高氣溫的增溫趨勢進(jìn)行逐一分析，計算得出這 18年各站氣溫的年均增溫速率，再與同期（1981—1998年）AOD平均值進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表4。

表4 山西省AOD同1981—1988年間氣溫增速的相關(guān)關(guān)系Table 4 The correlation between AOD and air temperature increasing rate in Shanxi

在山西省顯著增溫時期，AOD與年平均氣溫增溫速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平，表明氣溶膠雖對氣候變暖有一定的減緩作用，但效果不明顯。從季節(jié)看，冬季平均氣溫增速和最高氣溫增速均與AOD呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即AOD越大，氣溶膠對增溫的抑制作用越大，氣溫的增速越慢。

圖6 隨著AOD增大冬季平均氣溫增速、最高氣溫增速的變化特征Fig. 6 Change characteristics of average air temperature increase rate and maximum air temperature increase rate with the increase of AOD in winter

圖6 所示為1981—1998年山西省冬季平均氣溫和最高氣溫增速隨 AOD的變化特征，結(jié)果顯示，隨著AOD的增加，其增溫速率顯著下降，即山西省AOD越大的地區(qū)，冬季氣溫增速越慢。山西省冬季 AOD每增加 0.1，平均氣溫增速減小0.019 ℃·a-1，最高氣溫增速減少 0.020 ℃·a-1。一方面，冬季 AOD為全年最高；另一方面，1981—1998年間山西省冬季取暖以燃煤為主，由于當(dāng)時技術(shù)所限基本無脫硫設(shè)施，因此冬季大氣氣溶膠硫酸鹽含量也較高，從而減緩了氣候變暖的進(jìn)程。羅宇翔等（2012）研究顯示，中國春季AOD高值區(qū)的面積最大，其次是夏季，面積最小的是冬季，因此中國其他地區(qū)氣溶膠對增溫的抑制作用是否也發(fā)生在冬季，這有待進(jìn)一步的研究。氣溶膠的環(huán)境和氣候效應(yīng)是把雙刃劍（張小曳，2007），減少氣溶膠的排放有利于環(huán)境和人類健康，同時也可能降低對大氣的冷卻效應(yīng)，加速氣候變暖的進(jìn)程。

2.4.3 山西省AOD對氣溫日較差的影響

氣溶膠與氣溫日較差關(guān)系密切，白天大氣氣溶膠向上反射太陽短波輻射，減少到達(dá)地面的太陽輻射，阻止地表氣溫升高；夜間，大氣氣溶膠向下反射地表長波輻射，減少地表熱量散失，阻止地表氣溫降低，因此氣溶膠的存在能使氣溫日較差變小。圖7所示為山西省氣溫日較差與AOD的變化特征，二者之間的相關(guān)系數(shù)見表5。結(jié)果表明，山西省AOD與氣溫日較差呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著AOD的升高，氣溫日較差有下降趨勢。就季節(jié)來看，冬季和夏季的負(fù)相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著水平，其中冬季負(fù)相關(guān)系數(shù)的絕對值最大。冬季氣溶膠濃度高，AOD較大，對太陽輻射影響大；夏季太原輻射最強(qiáng)烈，氣溶膠對太陽輻射的反射作用也最強(qiáng)（廖禮等，2015）。Zhang et al.（2010）應(yīng)用WRF-Chem模式模擬美國大陸地區(qū)氣溶膠的氣候效應(yīng)，結(jié)果表明氣溶膠分別能夠減少1月和7月的太陽輻射多達(dá)9%和16%，表明氣溶膠的冷卻效應(yīng)在冬夏可能更加顯著。氣溶膠在不同季節(jié)的氣候效應(yīng)的差異除了與濃度相關(guān)外，與氣溶膠本身的化學(xué)組成和混合狀態(tài)也有密切關(guān)系，這些都會影響氣溶膠的總輻射和吸收特性（張小曳，2007）。

表5 山西省AOD與氣溫日較差相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlation coefficient between AOD and temperature daily range

3 結(jié)論

山西省氣溶膠光學(xué)厚度的多年分布具有典型的地理特征，整體上呈現(xiàn)為由北向南增加、由中部盆地向兩側(cè)山地減小的特征，呈現(xiàn)較為清晰的盆地特征。AOD全省多年平均值為0.23，不同地區(qū)AOD年均值變化范圍為0.10～0.46。

山西省AOD在 1981—2016年間整體上升趨勢明顯，但并不是完全呈線性，在2008—2013年間有1個低谷。除春季外，冬季、夏季和秋季AOD均呈顯著上升趨勢，其中以冬季變化幅度最大。山西省AOD上升的地區(qū)有79個，占72%，主要分布在太原盆地、臨汾盆地、運城盆地及長治盆地等地區(qū)。AOD分布和變化與海拔密切相關(guān)，海拔越低，AOD越大，低海拔地區(qū)的 AOD上升對全省AOD增加的貢獻(xiàn)最大。

山西省氣溫在1981—2016年間存在1個顯著升溫過程和 1個升溫停滯過程，氣溶膠的氣候冷卻效應(yīng)對山西省1981—1998年間的氣候變暖有一定的減緩作用，尤其對冬季增溫有顯著抑制作用，即山西省AOD越大的地區(qū)，冬季氣溫增速越慢，冬季AOD每增加0.1，平均氣溫增速減小0.019 ℃·a-1，最高氣溫增速減少 0.020 ℃·a-1。此外，山西省 AOD與氣溫日較差存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著AOD的增加，山西省氣溫日較差有下降的趨勢；冬夏季負(fù)相關(guān)系數(shù)的絕對值大于春秋季節(jié)，負(fù)相關(guān)關(guān)系更加顯著。

圖7 山西省年、季日較差和AOD變化特征Fig. 7 Variation of year and seasonal Temperature daily range and AOD over Shanxi Province from 1981 to 2016

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