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        廈漳泉地區(qū)氣溶膠污染特征及影響因素分析

        2022-06-19 03:46:30肖鐘湧陳穎鋒陳坰烽施益強謝先全
        關(guān)鍵詞:漳州市泉州市氣溶膠

        肖鐘湧,陳穎鋒,陳坰烽,施益強,謝先全

        (1.集美大學(xué)港口與海岸工程學(xué)院,福建 廈門 361021;2.集美大學(xué)地理國情監(jiān)測研究中心,福建 廈門 361021)

        0 引言

        大氣氣溶膠粒子中含有各種各樣的有毒化合物,高濃度的氣溶膠粒子直接危害人體健康[1-2]。同時,大氣氣溶膠也是氣候變化的一個重要的不確定來源[2-4]。目前,氣溶膠的研究方法從原位觀測發(fā)展到遙感估算。與地基遙感相比,衛(wèi)星遙感具有全球覆蓋的優(yōu)勢,越來越受重視。如MODIS衛(wèi)星遙感傳感器提供的全球氣溶膠產(chǎn)品,已經(jīng)廣泛用于氣溶膠污染研究中[4-7]。在區(qū)域尺度上,張亮林等[8]利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品研究了中國11年間AOD的空間分布特征及年際和四季變化特征;趙仕偉等[9]利用2006—2015年MODIS/AQUA C6 MYD08-M3產(chǎn)品分析了中國西北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的時空變化特征和形成原因;瑪依拉·熱西丁等[10]利用MODIS/AQUA C6.1 MYD04_L2氣溶膠光學(xué)厚度日數(shù)據(jù),對烏魯木齊市氣溶膠光學(xué)厚度時空分布特征進行了分析。

        福建省廈漳泉地區(qū)正處于經(jīng)濟快速發(fā)展的階段,人為活動強烈,工業(yè)污染物排放增加,產(chǎn)生了大量的人為氣溶膠粒子。因此,研究該地區(qū)的氣溶膠質(zhì)量濃度具有區(qū)域代表性。本研究第一次利用Terra-MODIS和Aqua-MODIS兩個傳感器反演的氣溶膠產(chǎn)品,合成不同時間尺度信息,利用時空分析方法對廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的時空變化特征進行研究,并分析廈漳泉3個城市的差異及其影響因素,以期為廈漳泉地區(qū)空氣質(zhì)量評價和空氣污染預(yù)防與治理提供科學(xué)依據(jù)。

        1 數(shù)據(jù)來源與處理

        本文使用的MODIS氣溶膠產(chǎn)品時間跨度為2002年1月—2017年12月,存儲格式為HDF數(shù)據(jù)格式,空間分辨率為3 km×3 km。先從HDF文件里面提取出氣溶膠數(shù)據(jù),然后處理成ArcGIS可以讀寫的Shapefile文件格式。在數(shù)據(jù)處理和分析上,通過計算區(qū)域平均值來分析氣溶膠的時間變化特征;對多年的數(shù)據(jù)求平均值,分析該地區(qū)的空間分布特征;并利用變異系數(shù)研究時間上的波動和空間上的異質(zhì)性。時間上的波動情況和空間的異質(zhì)性分別用時間和空間變異系數(shù)來表征。變異系數(shù)(CV)為標(biāo)準(zhǔn)差(σ)與平均數(shù)(μ)的比值,計算公式為:CV=σ/μ。其中:CV為時間變異系數(shù)時,σ和μ分別根據(jù)時序變化的數(shù)據(jù)來計算;而CV為空間變異系數(shù)時,σ和μ分別根據(jù)區(qū)域空間分布的數(shù)據(jù)來計算。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 氣溶膠質(zhì)量濃度的時序特征

        為研究廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的時序變化特征,對該區(qū)域的數(shù)據(jù)進行月合成、插值和區(qū)域統(tǒng)計。圖1為2002—2017年廈漳泉地區(qū)區(qū)域氣溶膠質(zhì)量濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的變化。標(biāo)準(zhǔn)差是利用區(qū)域內(nèi)每個像元的數(shù)值來計算,它能說明氣溶膠質(zhì)量濃度空間分布的差異。從圖1可以得出,2002—2017年氣溶膠質(zhì)量濃度呈逐漸減少的趨勢。具體的變化趨勢可以分為三個階段:1)2002—2007年間呈現(xiàn)平緩的增長。2002年氣溶膠質(zhì)量濃度為22.1μg/cm2,到2007年末為28.1μg/cm2,增長了6.0μg/cm2,大約增長了27.10%。2)2008—2011年,沒有明顯的變化,較為穩(wěn)定。2008年初氣溶膠質(zhì)量濃度為25.7μg/cm2,2011年末為25.5μg/cm2。3)2012年后,氣溶膠質(zhì)量濃度開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢。2012年初氣溶膠質(zhì)量濃度為28.8μg/cm2,到2017年末為17.0μg/cm2,減少了11.8μg/cm2,大約少了41.00%。從2002年到2017年16年的時間里,氣溶膠質(zhì)量濃度減少了5.1μg/cm2,大約減少了23.10%。由于這16年城市化和工業(yè)化進程減緩,生態(tài)環(huán)境逐步恢復(fù),森林覆蓋面積漸漸提高,使得排放進入大氣的人為氣溶膠逐漸減少。由圖1還可以看出,廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度平均值波動較大,最大值出現(xiàn)在2012年4月,大約為50.2μg/cm2;最小值出現(xiàn)在2016年12月,大約為9.9μg/cm2。

        從圖2可看出3市變化特征大體相似,但是廈門市平均氣溶膠質(zhì)量濃度高于漳州市、泉州市。廈門市多年平均氣溶膠質(zhì)量濃度為(40.1±3.8)μg/cm2,漳州市為(22.5±2.6)μg/cm2,泉州市為(24.7±2.7)μg/cm2。廈門市的氣溶膠污染較大,主要在于市域面積較小,郊區(qū)森林覆蓋較高的區(qū)域也小,經(jīng)濟發(fā)展水平又較高;而漳州市和泉州市的市域較大,有大量的偏遠(yuǎn)山區(qū),森林覆蓋率高,空氣質(zhì)量好,因而氣溶膠質(zhì)量相對較低。由圖2還可看出,漳州市和泉州市2002—2017年氣溶膠質(zhì)量濃度在時間變化上與整個區(qū)域的變化特征相似,可以分為三個階段;并可分析得出漳州市和泉州市的變化特征相似性較高,相關(guān)系數(shù)達到0.92。同時圖2也顯示,廈門市2002—2017年的氣溶膠質(zhì)量濃度的時序變化,可分為二個階段:2002—2012年氣溶膠質(zhì)量濃度呈現(xiàn)增長的趨勢,2012年出現(xiàn)最大值,年平均值為45.0μg/cm2;2013—2017年出現(xiàn)逐漸下降的趨勢,2017年平均值為37.6μg/cm2,與2012年相比約下降了16.34%。

        2.2 氣溶膠質(zhì)量濃度的月變化特征

        圖3~圖5反映出廈漳泉地區(qū)氣溶膠呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。在時間分布上,區(qū)域氣溶膠質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在4月,為(37.1±7.2)μg/cm2。在空間分布上,整個區(qū)域的氣溶膠質(zhì)量濃度4月普遍大于其他月份,空間異質(zhì)性最小,空間變異系數(shù)為0.39。究其原因在于:春季天氣回暖,大氣的相對濕度增大,細(xì)粒子模態(tài)的氣溶膠吸濕效應(yīng)增強,而且東季風(fēng)減弱,不利于污染物擴散[11],氣溶膠停留在大氣中的時間較長,從而導(dǎo)致氣溶膠質(zhì)量濃度達到最大值。

        從5月到10月,整個區(qū)域的空間分布特征相近,其原因可能是:1)由于夏季的降水清除了一部分氣溶膠粒子,降低了氣溶膠質(zhì)量濃度。2)在植被覆蓋較多、人為影響較小的地區(qū)受到生物氣溶膠的影響較大。3)夏季空氣中相對濕度大,氣溶膠粒子吸濕增長現(xiàn)象更為明顯。4)夏季的太陽輻射更加強烈,光化學(xué)反應(yīng)強本應(yīng)使氣溶膠保持較高的濃度;但是,夏季主要為雨季,大量的降水可以清除大氣中的氣溶膠粒子,使得從5月開始?xì)馊苣z質(zhì)量濃度有較大的下降。

        氣溶膠質(zhì)量濃度最小值常出現(xiàn)在11或12月。秋末冬初,整個區(qū)域的氣溶膠質(zhì)量濃度出現(xiàn)最低值,區(qū)域平均為(18.4±5.2)μg/cm2。主要原因為:受冷高壓系統(tǒng)影響,北方來的干冷氣團空氣相對比較潔凈,空氣相對濕度小,氣溶膠的吸濕增長效應(yīng)不明顯;另外,本地排放較小,使得氣溶膠質(zhì)量濃度較小。

        冬季1月,整個區(qū)域的氣溶膠質(zhì)量濃度開始增大,平均為(21.8±11.1)μg/cm2,空間變異系數(shù)為0.51,相較夏季和秋季而言,空間異質(zhì)性較高。在12月份變異系數(shù)達到最大值0.28后,空間異質(zhì)性也進一步增大,空間變異系數(shù)大約為0.65,說明氣溶膠質(zhì)量濃度的空間差異最大。從圖4的變異系數(shù)可以得出,9月變異系數(shù)最小(0.15),說明這個月份的氣溶膠質(zhì)量濃度的波動最小;9月后,波動的情況增大;在12月達到最大值,之后逐漸下降,下降持續(xù)到第二年的8月。廈漳泉地區(qū)3個城市氣溶膠特性的季節(jié)變化一致,但是從數(shù)值上,廈門市12個月的氣溶膠質(zhì)量濃度明顯高于漳州市和泉州市。3個城市的氣溶膠質(zhì)量濃度在時間上波動的情況有較大的差異,其波動最小值,漳州市出現(xiàn)在9月,其他兩個市是在8月;波動最大值3市都出現(xiàn)在12月,特別是漳州市波動的幅度最大。

        2.3 氣溶膠質(zhì)量濃度的空間分布特征

        從圖5可以注意到2002—2017年區(qū)域氣溶膠質(zhì)量濃度的值為10~85μg/cm2,平均約為(26.3±13.2)μg/cm2,變異系數(shù)約為0.5。

        氣溶膠質(zhì)量濃度的高值區(qū)主要出現(xiàn)在廈門市、漳州市和泉州市沿海的城區(qū),泉州市沿海城區(qū)質(zhì)量濃度最高,三個市沿海城區(qū)的高值分別為85,75,65μg/cm2。沿海高值區(qū),從泉州市城區(qū)向南蔓延至漳州市城區(qū)。由于城市化和經(jīng)濟的快速發(fā)展,在工農(nóng)業(yè)較發(fā)達、人類活動頻繁的地區(qū),氣溶膠的人為排放較高,即氣溶膠質(zhì)量濃度在一定程度上反映出當(dāng)?shù)氐墓I(yè)廢氣排放量。此外,氣溶膠與氣象條件、地表特征和地形等因素密切相關(guān)。在廈漳泉地區(qū)的西北部,人為活動較少,且有大片森林覆蓋,而林地植被葉片表面具有一定的濕潤度和粗糙度,對大氣氣溶膠具有顯著的阻滯作用,同時可以吸附大氣中的氣溶膠粒子,起到清除粒子的作用,因此,這些地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度較小。在廈漳泉沿海的城區(qū),人為活動比較為強烈,汽車尾氣和工業(yè)廢氣排放大,同時,城市地表特征也影響氣溶膠的擴散,導(dǎo)致氣溶膠光學(xué)厚度較高,氣溶膠質(zhì)量濃度較高,可達85μg/cm2。

        廈漳泉市區(qū)和郊縣城區(qū)的內(nèi)部空間分布較為一致,反映出了城市/工業(yè)型氣溶膠和自然型氣溶膠空間分布特征的差異。高值區(qū)時間變異系數(shù)較小,這些區(qū)域主要是本地源排放,因而年際間波動較小;而低值區(qū)由于受到周邊其他區(qū)域的影響,年際間波動較大。

        3 結(jié)論

        本研究利用Terra-MODIS和Aqua-MODIS兩個傳感器反演的氣溶膠產(chǎn)品,合成月、季、年不同時間尺度的氣溶膠信息,利用時空分析方法研究了廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的時空變化特征,以及廈漳泉3個城市的差異。具體的結(jié)論如下:

        1)2002—2017年廈漳泉地區(qū)區(qū)域氣溶膠質(zhì)量濃度呈逐漸減少的趨勢,具體的變化趨勢可以分為三個階段:在2002—2007年間呈現(xiàn)平緩的增長,這個階段增長了6.0μg/cm2,約增長了27.10%;2008—2011年,沒有明顯的變化;2012年后,氣溶膠質(zhì)量濃度開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢,這個階段減少了11.8μg/cm2,約少了41.00%。從2002年到2017年的16年里,氣溶膠質(zhì)量濃度減少了5.1μg/cm2,約少了23.10%,說明該地區(qū)的空氣質(zhì)量有較明顯的改善。

        2)2002—2017年漳州市和泉州市氣溶膠質(zhì)量濃度時間序列的變化特征與廈漳泉整個區(qū)域的相似。但廈門市氣溶膠質(zhì)量濃度的時序變化有點不同,它分為2個階段:2002—2012年氣溶膠質(zhì)量濃度呈現(xiàn)增大的趨勢,增長持續(xù)到2012年末出現(xiàn)最大值;2012年后逐漸下降,這一趨勢持續(xù)到2017年末。廈漳泉地區(qū)3個城市12個月氣溶膠質(zhì)量濃度的變化特征一致。從數(shù)值上看,廈門市各月的氣溶膠質(zhì)量濃度明顯高于漳州市和泉州市。

        3)廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。最大值出現(xiàn)在4月,區(qū)域平均值為(37.1±7.2)μg/cm2,空間異質(zhì)性最?。贿M入5月,氣溶膠質(zhì)量濃度出現(xiàn)較大的下降;從5月到10月,整個區(qū)域的氣溶膠空間分布特征相近,9月份的氣溶膠質(zhì)量濃度的波動最??;到12月份,氣溶膠質(zhì)量濃度出現(xiàn)最低值,(18.4±5.2)μg/cm2,同時空間異質(zhì)性達到最大(空間變異系數(shù)約為0.65)。

        4)廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的分布空間異質(zhì)性明顯,變化范圍為10~85μg/cm2。2002—2017年多年區(qū)域平均氣溶膠質(zhì)量濃度大約為(26.3±13.2)μg/cm2。氣溶膠質(zhì)量濃度的高值區(qū)主要出現(xiàn)在泉州市、廈門市和漳州市沿海的城區(qū),三個城區(qū)的高值分別為85,75,65μg/cm2,泉州市城區(qū)最高。高值區(qū)時間變異系數(shù)較小,年際間波動較小,可以反映出這些區(qū)域的氣溶膠質(zhì)量濃度主要受本地源排放的影響。而低值區(qū)明顯受到周邊其他區(qū)域的影響,年際間波動較大。

        致謝:本研究MODIS數(shù)據(jù)來自美國戈達地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心(Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center),作者在此表示感謝。

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