艾 澤，陳權(quán)亮

(成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院 高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225)

1 引 言

氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)指在垂直方向上氣溶膠消光系數(shù)的積分，用來描述氣溶膠對(duì)光削減能力的強(qiáng)弱，能夠較好地反映大氣中氣溶膠濃度，通常用來表征大氣渾濁程度。很多學(xué)者證實(shí)了MODIS AOD資料具有較高的可用性[1～3]。從全球來看，AOD整體呈下降趨勢(shì)，下降明顯的區(qū)域主要在歐洲和北美地區(qū)，東亞地區(qū)[2]、南美南部以及非洲東部呈上升趨勢(shì)[4]。對(duì)于中國(guó)，年平均AOD高值中心主要分布在四川盆地、華北平原以及新疆地區(qū)，低值中心主要在川西高原、黑龍江以及內(nèi)蒙古地區(qū)[5]。

大氣氣溶膠分布易受到氣象條件的影響，氣象條件也會(huì)進(jìn)一步影響氣溶膠的擴(kuò)散、沉降，從而影響氣溶膠濃度。不同氣象條件對(duì)氣溶膠濃度的影響也有著明顯差別。因此，氣象因子和氣溶膠濃度的關(guān)系引起學(xué)者的關(guān)注。大量研究使用能見度、PM2.5、PM10來表征大氣氣溶膠濃度，發(fā)現(xiàn)了氣象要素的變化會(huì)使能見度、PM2.5、PM10產(chǎn)生變化[6]。PM2.5、PM10與AOD有較好的相關(guān)性[7]，因此AOD與氣象因子之間也具有一定的相關(guān)性。

四川地區(qū)為中國(guó)AOD的高值區(qū)[8]，呈現(xiàn)東高西低的分布特征[9]。前人對(duì)四川地區(qū)AOD已經(jīng)開展了一些研究工作。但是，一方面，使用的AOD數(shù)據(jù)分辨率相對(duì)較低，另一方面研究主要圍繞個(gè)別城市開展，對(duì)整個(gè)地區(qū)的AOD與氣象因子的相關(guān)性研究相對(duì)較少[10]。隨著四川地區(qū)的快速發(fā)展，大氣污染問題日益凸顯。并且由于四川盆地獨(dú)特地形條件以及氣候特點(diǎn)，氣象要素與氣溶膠濃度的關(guān)系更為復(fù)雜。因此，本文通過較高精度的AOD 數(shù)據(jù)，分析不同尺度下AOD變化特征及其與氣象因子的關(guān)系，為四川地區(qū)的大氣污染治理提供理論依據(jù)，也可為四川地區(qū)的大氣污染區(qū)域聯(lián)防提供參考。

2 資料與方法

Liu X[9]利用2007～2008年成都市CE-318太陽光度計(jì)測(cè)量的AOD資料與MODIS_3K的AOD資料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者相關(guān)性高(R2=0.91)，說明了成都地區(qū)MODIS數(shù)據(jù)可用來研究和預(yù)測(cè)氣溶膠的變化。本文AOD數(shù)據(jù)選擇MODIS04_3K數(shù)據(jù)，空間分辨率為3km，時(shí)間分辨率為1d，資料時(shí)間段為2008～2017年。氣象數(shù)據(jù)選擇中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國(guó)地面累年值月值數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)包括四川省38個(gè)站點(diǎn)2008～2016年的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速5個(gè)氣象要素的月值數(shù)據(jù)。氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 選取的四川地區(qū)站點(diǎn)分布Fig.1 The distribution of selected weather stations in Sichuan

利用一元線性回歸分析方法的線性回歸系數(shù)來表征AOD變化趨勢(shì)，記作b，并用F檢驗(yàn)對(duì)回歸方程作顯著性檢驗(yàn)。線性回歸系數(shù)的計(jì)算公式如下：

提取38個(gè)站點(diǎn)AOD月均值，計(jì)算不同站點(diǎn)逐月氣象要素與AOD的Pearson相關(guān)系數(shù)，記作r，并對(duì)相關(guān)系數(shù)作顯著性檢驗(yàn)。Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

其中，i表示為2008～2017年序列號(hào)，Xi表示為第i年對(duì)應(yīng)的AOD值。

3 四川地區(qū)AOD的時(shí)空變化

3.1 時(shí)間變化

圖2 2008～2017年四川地區(qū)年平均(a)、月平均(b)AOD變化Fig.2 Annual average (a) and monthly average (b) AOD change in Sichuan during 2008～2017

如圖2(a)所示，四川地區(qū)年平均AOD隨時(shí)間呈先增加后減少的趨勢(shì)，前3年AOD總體呈上升趨勢(shì)，后7年AOD總體呈下降趨勢(shì)。最大值出現(xiàn)在2010年，AOD為0.46，2013年為次大值，AOD為0.42，最小值出現(xiàn)在2017年，AOD為0.21。這說明四川地區(qū)在近五年來污染問題有所好轉(zhuǎn)。如圖2(b)所示，月平均AOD呈雙峰型分布，其中2月和8月為雙峰的峰值月份。2月達(dá)到最大值，AOD值為0.44，8月AOD值為0.32，最小值出現(xiàn)在10月，AOD值為0.23?？傊?，四川地區(qū)秋季為AOD低值階段，春季為高值階段。

3.2 空間分布

圖3 2008～2017年四川地區(qū)AOD10a平均分布Fig.3 Average spatial distribution of AOD in Sichuan during 2008～2017

如圖3所示，四川地區(qū)10a平均AOD呈現(xiàn)東高西低的分布特征，東部為高值區(qū)，西部為低值區(qū)，其中成都及川東南地區(qū)為東部的AOD高值區(qū)[11-12]。東部地區(qū)平均AOD在0.4以上，成都和川東南地區(qū)平均AOD在0.8以上，川東南部分地區(qū)平均AOD達(dá)到1.0以上。四川西部平均AOD低于0.2。這樣的分布主要由于四川地區(qū)人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)主要集中在四川東部地區(qū)，人為排放源多，東部地形主要為盆地地形，風(fēng)速小、濕度大、對(duì)流弱，氣溶膠粒子不易擴(kuò)散。然而四川西部地區(qū)人口密度低，人為排放源少，風(fēng)速大，有利于氣溶膠粒子的擴(kuò)散。海拔高，森林覆蓋率高，能夠阻擋盆地的氣溶膠粒子向西擴(kuò)散。

如圖4所示，四川地區(qū)逐年AOD分布特征與10a平均AOD分布特征一致，東部均為高值區(qū)，西部均為低值區(qū)。在不同年份中，東部地區(qū)AOD變化最明顯，西部地區(qū)AOD變化不明顯，AOD均小于0.2。在這10年間，四川地區(qū)東部AOD值先增大減小，在2010年達(dá)到最大值，特別在成都和川東南地區(qū)AOD達(dá)到了1.4以上。從2010年后開始，AOD值逐年減小。在2017年四川東部地區(qū)AOD值相比于2010年明顯減小，達(dá)到十年間的最低值，AOD值為0.4～0.6，部分地區(qū)AOD值為0.6～0.8。在東部地區(qū)，2010～2013年為10a間AOD高值階段，2015～2017年為10a間AOD低值階段，這與四川地區(qū)年平均變化一致。

圖4 四川地區(qū)AOD年平均分布2008～2017年 (a)～(j)Fig.4 Annual average spatial distribution of AOD in Sichuan during 2008 to 2017(a)～(j)

圖5 2008～2017年四川地區(qū)AOD1月～12月(a)～(l)月平均分布Fig.5 Average spatial distribution of AOD in Sichuan during 2008 to 2017 from January to December

如圖5所示，四川地區(qū)月平均AOD變化主要體現(xiàn)在東部地區(qū)，除了7月四川西部和南部部分地區(qū)AOD上升到0.4～0.6，其余月份四川西部變化很小，AOD大都低于0.2。2～5月四川盆地AOD呈高值分布特征，AOD值達(dá)到1.0以上，其中2月為2～5月中的高值月，平均在1.2以上。10月～12月東部地區(qū)AOD值相比于全年中其他幾個(gè)月明顯減小，AOD值為0.4～0.8，小部分區(qū)域AOD在0.8以上?？傊?，四川地區(qū)春季AOD達(dá)到最大，冬季、夏季次之，秋季AOD達(dá)到最小，其中成都地區(qū)為四川地區(qū)春季AOD高值區(qū)。

3.3 變化趨勢(shì)的空間分布特征

圖6 2008～2017年四川地區(qū)AOD變化趨勢(shì)空間分布特征(a)和顯著性水平(b)Fig.6 Spatial distribution characteristics of AOD trend(a)and significant level(b)in Sichuan during 2008 to 2017

如圖6所示，在10a間AOD變化趨勢(shì)主要呈現(xiàn)西高東低的特征，東部減小，西部增加，這個(gè)分布特征與四川地區(qū)10年平均AOD分布特征相反[11-12]。東部地區(qū)的下降趨勢(shì)絕大多數(shù)通過了0.05甚至0.01的顯著性檢驗(yàn)，變化為-0.4，其中成都和川東南地區(qū)下降最明顯，變化為-0.6～-0.8。四川西北部地區(qū)AOD在近10a有所增加，變化為0～0.2，但是上升趨勢(shì)沒有通過顯著性檢驗(yàn)。四川大部分地區(qū)AOD在這10a間整體呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)，變化趨勢(shì)為-0.2～0.0，下降趨勢(shì)通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域主要在四川南部地區(qū)。

圖7 2008～2017年四川地區(qū)AOD1～12月(a)～(l)的月變化趨勢(shì)空間分布特征及其顯著性水平(m)～(x)Fig.7 Spatial distribution characteristics from January to December (a)～(l) AOD trend and significant level (m)～(x) in Sichuan during 2008 to 2017

如圖7所示，不同月份中，四川西部地區(qū)AOD變化趨勢(shì)變化不大，均增加了0～0.2，東部地區(qū)變化比較明顯，變化趨勢(shì)通過顯著性水平的差異也較大。1月，四川東南部AOD值增加0.6以上，上升趨勢(shì)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，為12個(gè)月中增加最為明顯的月份。2月，整個(gè)四川地區(qū)的變化趨勢(shì)基本沒有通過顯著性檢驗(yàn)。3月至10月，四川東部地區(qū)AOD值出現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中4月、5月、9月AOD值下降最為明顯，這3個(gè)月的下降趨勢(shì)大多通過顯著性檢驗(yàn)，變化在-0.8以上。3月、6月、7月、8月呈下降趨勢(shì)的區(qū)域面積相較于4月、5月、9月明顯縮小。11月、12月四川東部部分地區(qū)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是這樣的上升趨勢(shì)沒有通過顯著性檢驗(yàn)。

4 四川地區(qū)AOD與氣象因子的關(guān)系

由于川西高原AOD值常年低于0.2且變化很小，所以本部分研究四川盆地AOD與氣象因子的相關(guān)性?？傮w來看，四川盆地AOD與氣象因子的相關(guān)性呈現(xiàn)區(qū)域一致的特征。

4.1 氣溫

如圖8(a)所示，四川盆地AOD與氣溫呈正相關(guān)[12]，大部分區(qū)域兩者相關(guān)性通過顯著性檢驗(yàn)。主要原因是在高溫條件下，逆溫層易在四川盆地低層形成，大氣擴(kuò)散條件變差，不利于氣溶膠粒子的擴(kuò)散[13]。氣溫的升高，有利于氣溶膠粒子的二次轉(zhuǎn)化，并且能夠增加氣溶膠粒子在空氣中的懸浮時(shí)間，造成AOD增加[14]。

注：填色部分通過了95%顯著性檢驗(yàn)，藍(lán)線為青藏高原邊界 圖8 四川地區(qū)AOD和氣溫(a)、降水量(b)、相對(duì)濕度(c)、風(fēng)速(d)和氣壓(e)相關(guān)系數(shù)分布Fig.8 Distribution coefficient of AOD and temperature(a), precipitation(b), relative humidity(c),wind speed(d) and pressure(e) in Sichuan

4.2 降水量

如圖8(b)所示，四川盆地AOD與降水量相關(guān)性較低[15],兩者相關(guān)性沒有通過顯著性檢驗(yàn)。這說明降水對(duì)四川盆地的氣溶膠濃度變化不起主導(dǎo)作用，對(duì)其削減作用很弱。氣溶膠和降水量的關(guān)系較為復(fù)雜，首先氣溶膠濃度的增加會(huì)降低云滴有效粒子半徑，推遲或抑制降水；其次，降水能夠有效清除氣溶膠。氣溶膠主要通過兩種間接效應(yīng)對(duì)降水產(chǎn)生影響[16]。四川盆地氣溶膠粒子增多會(huì)增加云中的凝結(jié)核和水云云滴有效粒子半徑，并且顯著減少云水路徑。這些變化會(huì)使降水減少，大雨發(fā)生率增加，小雨發(fā)生率減小[17]。大雨發(fā)生后，雨強(qiáng)的減少會(huì)使氣溶膠濃度升高[18]。因此，四川盆地AOD與降水相關(guān)性較低。

4.3 相對(duì)濕度

如圖8(c)所示，在四川盆地AOD與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)[19-20]，其中川東南為顯著的負(fù)相關(guān)中心，兩者相關(guān)性在0.4以上。造成這樣分布的主要原因是四川東部地區(qū)相對(duì)濕度較高。高相對(duì)濕度的條件下，相對(duì)濕度的增大，一般伴隨著雨雪天氣的出現(xiàn)，降水的增加會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生一定的沖刷作用，產(chǎn)生對(duì)氣溶膠的濕清除作用[21]。四川地區(qū)東部相對(duì)濕度高，相對(duì)濕度增加易產(chǎn)生濕清除。成都市主要的污染物以PM10為主[22]，2～10μm粒徑范圍內(nèi)的氣溶膠粒子數(shù)濃度會(huì)隨著相對(duì)濕度的增加而減小[23]，這就說明了四川盆地AOD與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)的原因。

4.4 風(fēng)速

如圖8(d)所示，四川盆地AOD與風(fēng)速相關(guān)性較低，絕大多數(shù)區(qū)域兩者相關(guān)性沒有通過顯著性檢驗(yàn)。風(fēng)速的大小直接影響污染物的擴(kuò)散速度，四川盆地地形獨(dú)特，常年為靜風(fēng)區(qū)，盆地內(nèi)各區(qū)域的地面風(fēng)速相較于全國(guó)其他城市普遍偏小，地面風(fēng)速年均值都在2m/s 以下[24]。因此，四川盆地的低風(fēng)速對(duì)氣溶膠粒子濃度的影響不大。

4.5 氣壓

如圖8(e)所示，在四川盆地AOD與氣壓呈負(fù)相關(guān)。四川省降水量和氣壓呈正相關(guān)[25]，由于氣壓上升，降水增加，對(duì)氣溶膠粒子產(chǎn)生了濕清除，一定程度上使AOD減少。氣壓本身對(duì)氣溶膠濃度的影響較弱[26]，當(dāng)氣壓發(fā)生明顯變化的時(shí)候會(huì)伴隨明顯天氣變化，從而影響氣溶膠的濃度。高壓條件下，一般出現(xiàn)晴好天氣，太陽輻射增加了氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)速度，從而降低氣溶膠濃度，AOD與氣壓呈負(fù)相關(guān)。在低壓天氣，沒有降水條件下，大氣比較穩(wěn)定，氣溶膠不易擴(kuò)散，從而使得濃度增加，AOD與氣壓呈負(fù)相關(guān)。如果產(chǎn)生降水，雨水的作用會(huì)使得氣溶膠濃度降低，AOD與氣壓呈正相關(guān)。

5 結(jié)論與討論

5.1 四川地區(qū)2008～2017年AOD呈先增大后減小趨勢(shì)，2010年為最大值，2017年為最小值，分別為0.46和0.21。月均值變化上呈現(xiàn)雙峰型分布，2月和8月為兩個(gè)峰值月份，分別為0.44和0.32；四川地區(qū)東部為AOD高值區(qū)，西部為低值區(qū)；10a間東部地區(qū)AOD呈顯著下降趨勢(shì)，西部地區(qū)呈上升趨勢(shì)但是沒有通過顯著性檢驗(yàn)；四川地區(qū)東部1月AOD表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，4月、5月、9月表現(xiàn)為顯著下降趨勢(shì)。

5.2 在AOD與氣象因子的相關(guān)性研究上發(fā)現(xiàn)：四川盆地AOD與氣象因子的相關(guān)性呈現(xiàn)區(qū)域一致的特征，AOD與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度和氣壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與降水量和風(fēng)速相關(guān)性不顯著。