孟飛郭霖

(山東建筑大學(xué) 測繪地理信息學(xué)院，山東 濟南250101)

0 引言

大氣氣溶膠是由大氣介質(zhì)和混合于其中的固體或液體顆粒物組成的體系，對大氣中發(fā)生的許多物理化學(xué)過程都有重要的影響[1]。 氣溶膠粒子不僅可以直接或間接影響地—氣系統(tǒng)的輻射平衡[2-3]、氣候變化和空氣質(zhì)量[4]，也會導(dǎo)致大氣能見度的降低，更會對人體健康產(chǎn)生極大的威脅[5]。 隨著經(jīng)濟增長和城市化進程的加快，我國人為氣溶膠排放量增加，大氣能見度下降及區(qū)域性灰霾等問題頻繁發(fā)生，大氣氣溶膠的研究受到了廣泛關(guān)注[6-8]。

氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)是表征大氣氣溶膠光學(xué)特征的最基本參量，是確定大氣氣溶膠輻射氣候效應(yīng)的關(guān)鍵因子[9]。 目前，地基觀測和衛(wèi)星遙感是獲取氣溶膠光學(xué)厚度的兩種重要手段[10]。 由于氣溶膠在時間和空間上的分布具有不均勻性[11]，地面觀測網(wǎng)難以在全球范圍內(nèi)進行連續(xù)觀測[12]，而衛(wèi)星遙感具有連續(xù)、動態(tài)、宏觀、快速的優(yōu)勢，成為近年來的研究熱點[13]。

基于中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)/極地軌道環(huán)境遙感衛(wèi)星Terra C6.1 550 nm AOD 月數(shù)據(jù)，劉海知等[14]分析了我國2001—2017 年AOD 時空分布及變化趨勢，發(fā)現(xiàn)人為氣溶膠高值中心位于華北地區(qū)、華中地區(qū)、長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)和四川盆地，在時間特征上2013 年前全國范圍內(nèi)AOD 以增長為主，而2013—2017 年大部分地區(qū)AOD 呈下降趨勢。孔凡萍[15]利用環(huán)境一號衛(wèi)星HJ-1 的寬覆蓋多光譜數(shù)據(jù)反演得到2015 年北京市氣溶膠光學(xué)厚度，并對其時空變化進行分析。 張磊等[16]利用MODIS MOD04 數(shù)據(jù)分析了廣東省AOD 時空特征及其影響因素，發(fā)現(xiàn)以2007 年為拐點廣東省AOD 呈現(xiàn)先升后降的趨勢，AOD 的高低與人口集中度正相關(guān)、與高程及植被分布負相關(guān)。 劉瑩等[17]利用新一代再分析資料(The Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications 2，MERRA2)數(shù)據(jù)集中的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)，分析了中國地區(qū)AOD 值的時空變化特征，發(fā)現(xiàn)從1990—2017 年全國AOD 整體波動上升。 張瑞芳等[18]利用2001—2018 年的MODIS/Terra C6.1 氣溶膠產(chǎn)品分析了河南省AOD、氣溶膠垂直柱質(zhì)量濃度和細粒子比的時空分布特征，發(fā)現(xiàn)三者空間分布具有典型的地理特征，并在18 年內(nèi)均呈逐年下降趨勢。 已有的研究多利用MODIS 等AOD 反演數(shù)據(jù)對特定地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的時空分布和變化特征進行分析，而MENG 等[19]將可見光紅外成像輻射儀的中間產(chǎn)品(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite Intermediate Product，VIIRS IP)氣溶膠數(shù)據(jù)與相應(yīng)的MODIS 反演氣溶膠數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，二者高度相關(guān)，尤其是可見光紅外成像輻射儀中間產(chǎn)品VIIRS IP AOD 數(shù)據(jù)的空間分辨率可達750 m，較MODIS 等可獲取的有效數(shù)據(jù)量大增，更適合區(qū)域大氣氣溶膠光學(xué)厚度的研究。

華北地區(qū)近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速，人為活動引起氣溶膠等污染物排放顯著增加，有可能引起區(qū)域的環(huán)境問題和氣候變化。 劉浩等[20]分析了2000—2013 年京津冀魯?shù)貐^(qū)AOD 的時空分布與變化特征，鄭逢斌等[21]統(tǒng)計分析了2006—2015 年華北地區(qū)AOD 的空間分布特性及時間趨勢變化，張西雅等[22]討論了2008—2012 年京津冀地區(qū)AOD 時空分布與城市化的關(guān)系。 考慮到華北地區(qū)一直是我國顆粒物污染最嚴重的地區(qū)之一，而近5 年來“十三五”期間華北平原氣溶膠變化特征的研究還很少展開，并且前期研究的氣溶膠數(shù)據(jù)大多來自MODIS 氣溶膠反演產(chǎn)品，空間分辨率較低。 鑒于此，文章采用VIIRS IP AOD 數(shù)據(jù)，深入研究了華北地區(qū)近年來氣溶膠光學(xué)厚度空間分布與時間變化特征，為研究區(qū)環(huán)境治理提供決策支持。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

華北地區(qū)位于32°～40°N、110°～120°E(如圖1所示)，覆蓋北京、天津、河北、山西、山東、河南等6 個人口和工業(yè)大省及直轄市。 該地區(qū)地勢平坦、河流眾多，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，四季變化明顯，平均溫度在(12.32±10.73)℃，平均相對濕度為61.38%±12.12%[21]。 根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》2018 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，華北地區(qū)的面積僅占全國5.63%，卻貢獻了國內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product，GDP)的25%，承載著全國25.73%的人口數(shù)量、28.55%的機動車，能源消耗占全國的27.7%[23]。 文章所用地圖的審圖號為GS(2021)516 號。

圖1 研究區(qū)域地理位置圖

1.2 研究數(shù)據(jù)

搭載于極軌合作衛(wèi)星(Suomi-National Polarorbiting Partnership，S-NPP)衛(wèi)星上的VIIRS，是監(jiān)測氣溶膠光學(xué)厚度的重要儀器。 VIIRS 提供的22 個光譜波段覆蓋了從0.41 ～12.5 μm 的波長，其中16個為M 波段(最低點分辨率為750 m)，5 個波段為I 波段(最低點分辨率為375 m)[24]，掃描寬度為3 040 km。 與MODIS 相比，VIIRS 具有7 個雙增益波段(M1-M5、M7)，可在低輻射值下仍保持較高的信噪比，從而使M 波段更適用于陸地和大氣環(huán)境觀測。 文章選用的氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)為VIIRS IP AOD 數(shù)據(jù)(除非特別說明，均指550 nm 處的AOD)，時間序列自2014 年1 月至2019 年12 月，空間分辨率為750 m，數(shù)據(jù)下載自網(wǎng)站https:/ /www.bou.class.noaa.gov/。 在分析AOD 季節(jié)變化時，按照氣象學(xué)的慣例，將3 ～5 月定義為春季、6 ～8 月定義為夏季、9～11 月定義為秋季、12 月～次年2 月定義為冬季，并對四季AOD 值分別求平均值后再進行時空變化分析。

1.3 數(shù)據(jù)驗證

為了驗證VIIRS IP AOD 數(shù)據(jù)在華北地區(qū)的適用性， 采用2014—2017 年氣溶膠自動觀測網(wǎng)(Aerosol Robotic Network， AERONET) 北 京 測 站(39.877°N、116.381°E)的Level 2.0 AOD 數(shù)據(jù)。 選擇在VIIRS 衛(wèi)星通過±30 min 內(nèi)的氣溶膠自動觀測網(wǎng)氣溶膠光學(xué)厚度AERONET AOD 數(shù)據(jù)和以AERONET 測站為中心20 km×20 km 范圍內(nèi)的VIIRS IP AOD 數(shù)據(jù)行相關(guān)性分析。 但由于VIIRS和AERONET 對氣溶膠觀測的中心波長和時空尺度不同，對VIIRS IP 550 nm AOD 數(shù)據(jù)進行驗證時，需將440 和870 nm 處的AERONET AOD 監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)插到550 nm 的公共波長，由式(1)表示為

式中α是?ngstr?m 指數(shù)(440～870 nm)。

VIIRS IP 與AERONET 的550 nm 處AOD 散點圖如圖2 所示。 可以看出，VIIRS IP 氣溶膠產(chǎn)品與AERONET 監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.846，斜率為0.829，說明研究區(qū)內(nèi)VIIRS IP AOD 與AERONET氣溶膠數(shù)據(jù)相關(guān)性顯著。 因此，可用VIIRS IP 550 nm的AOD 數(shù)據(jù)研究華北地區(qū)氣溶膠的時空變化特征。

圖2 VIIRS IP 與AERONET 北京測站550 nm AOD 散點圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同城市AOD 時間變化特征

為了更好地了解不同城市之間的AOD 值，分別計算了每個城市中AOD≤0.5、1.0≥AOD ＞0.5 和AOD＞1.0 的天數(shù)百分比，如圖3 所示。 北京AOD值較低天數(shù)所占百分比最高，而其值較高天數(shù)所占百分比最低，說明5 個城市中北京的空氣質(zhì)量最好，而濟南和鄭州的AOD 高值天數(shù)所占百分比＞40%，空氣質(zhì)量較差。

圖3 2014—2019 年華北典型城市AOD不同閾值天數(shù)百分比圖

2014—2019 年華北5 個典型城市AOD 月均值的變化如圖4 所示。 可以看出，6 年內(nèi)5 個城市的AOD 月均值在0.287～1.195 之間，其變化幅度較大，月份間的差值明顯，呈中高兩低的走勢。 從1 月份開始，隨著溫度的升高，AOD 值逐漸增加，在6～8 月間迅速增加至全年最大值，然后開始呈現(xiàn)下降趨勢，在12 月份其值達到最低。 這與此前研究華北地區(qū)全年AOD 濃度的結(jié)論相同[25]。 此外，根據(jù)長江三角洲AOD 月間變化研究顯示[26]，長江三角洲AOD變化整體呈W 形，與華北地區(qū)特征差異較大，說明了其變化具有較強的區(qū)域性。

圖4 2014—2019 年華北典型城市AOD 月均變化趨勢圖

5 個城市AOD 的季節(jié)變化情況如圖5 所示，每個城市的AOD 值呈現(xiàn)夏季最高，春秋兩季次之，冬季最低的特點。 這種情況主要是由于華北地區(qū)冬夏的氣溫、濕度相差較大，夏季高溫高濕有利于“氣—?！鞭D(zhuǎn)化過程中生成氣溶膠，且夏季混合層發(fā)展較高，水溶性氣溶膠吸濕膨脹也會導(dǎo)致夏季平均AOD值高于其他季節(jié)[27]。 濟南四季的AOD 值明顯高于其他城市，可能是由于濟南三面環(huán)山，地勢南高北低，冷性反氣旋自北向南流動，不利于氣溶膠擴散。5 個城市中鄭州市夏、冬兩季的AOD 差值最大為0.674，而天津的差值最小為0.590。

圖5 2014—2019 年華北典型城市AOD 季節(jié)變化趨勢圖

近6 年來5 個城市AOD 的年均值變化如圖6所示，具體數(shù)值見表1 和2。 2014—2019 年5 個城市AOD 年均值由高到低為濟南(0.835)、鄭州(0.831)、石家莊(0. 745)、天津(0. 702)、北京(0.651)。 由于2016 年為“十三五”規(guī)劃起始年份，以2016 年為界，AOD 時間變化特征可分為:第一階段(2014—2016 年)，北京AOD 年均值呈先降后升，鄭州、石家莊的AOD 年均值在2015 年達到歷年最大值后呈下降趨勢；2016 年北京、鄭州、石家莊的AOD 均值較2014 年都有所增加，鄭州增長率最大(12.3%)，北京增長率最小(2.4%)；濟南AOD 均值在2014—2016 年間下降幅度較小(1.4%)，天津2016 年AOD 均值比2014 年降低14.9%。 第二階段(2016—2019 年)，北京AOD 年均值在2017 年達到峰值后緩慢下降，其增長率為0.2%；鄭州AOD 年均值在2017 年增大后逐漸下降，2019 年AOD 均值較2016 年降低14.4%；濟南和石家莊AOD 值逐年下降，石家莊下降幅度最大(18.5%)。 可以看出，在“十三五”期間，5 個城市AOD 年均值整體呈下降趨勢，濟南、鄭州、石家莊的AOD 年均值下降趨勢更為明顯。

圖6 華北地區(qū)典型城市AOD 年均變化圖

表1 華北地區(qū)典型城市AOD 年均值表

表2 華北地區(qū)典型城市AOD 增長率表

2.2 華北地區(qū)AOD 空間變化特征

2014—2019 年的華北地區(qū)年均AOD 空間分布如圖7 所示，2014—2019 年AOD 標(biāo)準(zhǔn)方差空間分布如圖8 所示。 標(biāo)準(zhǔn)方差越大，說明華北地區(qū)的AOD 值與其均值相差得越遠。 根據(jù)圖7、8 可知，華北地區(qū)AOD 呈現(xiàn)南高北低的格局:高值主要聚集在華北地區(qū)東南部，低值區(qū)主要出現(xiàn)在河北北部地區(qū)；河北南部、山東西部、河南北部和山西省太原—晉中—臨汾一線的AOD 標(biāo)準(zhǔn)方差明顯高于周圍地區(qū)，屬于氣溶膠高濃度地區(qū)。 從地形分布來看，AOD 高值區(qū)主要在地勢較低的平原地區(qū)，其低值區(qū)則主要集中在海拔較高的山地。 此外，AOD 空間分布差異還與工業(yè)發(fā)展和人類活動有關(guān)，山東省是農(nóng)作物的主產(chǎn)區(qū)，夏季焚燒秸稈增加了氣溶膠的排放；河北省南部是省內(nèi)主要的工業(yè)區(qū)，其工業(yè)生產(chǎn)排放的大氣污染物較多。 北京、天津、濟南、鄭州、石家莊有較為明顯的亮斑，說明這些地區(qū)城市化水平較高，經(jīng)濟發(fā)展的速度較快，人為氣溶膠排放量要高于周圍地區(qū)，而相比之下山西AOD 值則處于較低水平。

圖7 2014—2019 年華北地區(qū)年平均AOD 值分布圖

圖8 華北地區(qū)2014—2019 年AOD 標(biāo)準(zhǔn)方差空間分布圖

華北地區(qū)2014—2019 年四季平均AOD 值空間分布如圖9 所示。 從四季分布來看，研究區(qū)內(nèi)AOD的區(qū)域分布特征與年平均分布特征基本相似，但呈現(xiàn)出了明顯的季節(jié)變化。 在春季，全區(qū)AOD 較高，河北省南部和山東省西部有明顯的高值區(qū)，工業(yè)活動、化石燃料燃燒是AOD 處于高值的主要原因。 山西省全境和河北省北部AOD 處于較低水平。 在夏季，全區(qū)平均AOD 達到全年最大值，高值區(qū)明顯擴張，除河北省北部和山西省西北部外，其他地區(qū)基本都處于高濃度水平，主要集中在河北省石家莊及周圍城市、河南省鄭州市、天津市及山東省西部。 山西省出現(xiàn)黃色次高值，沿著太原—臨汾一線逐漸過渡到與河南省的交界處。 夏季AOD 值普遍偏高的原因與秸稈焚燒以及高溫高濕有利于霧霾的形成有關(guān)。 在秋季，全區(qū)范圍內(nèi)AOD 值大幅下降，高值在北京、天津、山東省西南部和河北省南部，山西省和河北省北部AOD 處于較低水平。 而在冬季，由于冬季風(fēng)盛行，加速了氣溶膠的擴散和傳輸，全區(qū)內(nèi)AOD 基本處于較低水平，除山東省西部還處于黃色中值區(qū)外，其他區(qū)域基本處于藍綠色低值區(qū)。

圖9 華北地區(qū)AOD 季節(jié)平均值空間分布圖

3 結(jié)論

在利用AERONET 數(shù)據(jù)驗證VIIRS IP 550 nm氣溶膠產(chǎn)品可用性的基礎(chǔ)上，選取北京、天津、濟南、鄭州和石家莊等5 個典型城市，分析了華北地區(qū)2014—2019 年的氣溶膠時空分布特征和演變規(guī)律，主要結(jié)論如下:

(1) 2014—2019 年，5 個城市中北京AOD 低值的天數(shù)所占百分比最高，而濟南、鄭州AOD 高值的天數(shù)百分比＞40%；AOD 月均差異明顯，其高值主要出現(xiàn)在6 ～8 月，1 和12 月的AOD 值則最低；夏季AOD 均值最高、冬季最低、春季和秋季AOD 值相近；5 個城市AOD 年均值由高到低為濟南(0.835)、鄭州(0.831)、石家莊(0.745)、天津(0.702)、北京(0.651)。

(2) 天津、濟南、鄭州、石家莊2019 年AOD 均值較2016 年有明顯下降，石家莊的下降幅度最大為18.5%，而天津的下降幅度最小為3.4%；北京AOD年均值增長率為0.2%，但整體始終保持較低水平。

(3) 華北地區(qū)2014—2019 年AOD 空間分布大體呈南高北低的格局，高值區(qū)分布在河北南部、山東西部和河南北部，低值區(qū)則主要出現(xiàn)在河北北部；氣溶膠空間分布受人類活動的影響明顯，5 個城市AOD 值高于周圍地區(qū)。