基于MODIS 的中國陸地氣溶膠光學厚度時空分布特征

單楠，楊曉暉，時忠杰，閆峰

(中國林業科學研究院荒漠化研究所，100091，北京)

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系，大氣氣溶膠粒子的粒徑多在0.001 ～10 μm 之間［1］。雖然氣溶膠質量僅占整個大氣質量的1/10 億，但其對全球的能量平衡和水循環有重大影響［2－4］。大氣氣溶膠粒子可以通過散射、吸收太陽輻射和吸收、發射紅外輻射直接影響地氣系統輻射能收支，從而影響區域以至全球的氣候及生態環境。氣溶膠粒子還可影響云/降水過程，間接影響氣候［5］。同時，氣溶膠還是局地光化學煙霧和區域空氣污染的主要成分，不僅造成大氣能見度嚴重下降［6］，而且對人類健康造成不利影響［7］。氣溶膠作為氣候變化中最不確定的重要因子之一［8］，其時空分布變化特征引起了國內外科學家和學者的廣泛關注［9－12］。作為氣溶膠最基本的光學特性之一，氣溶膠光學厚度(AOD)被定義為介質的消光系數在垂直方向上的積分，是描述氣溶膠對光的衰減作用的主要因子。它是目前可以得到的氣溶膠數據中覆蓋范圍最廣、較準確的一種數據［13］，也是推算氣溶膠含量、評估大氣污染程度、確定氣溶膠氣候效應的關鍵因子［14－15］。近年來，工業的發展與人類活動的加劇引起的氣溶膠排放量的顯著增加，導致了區域的環境問題和氣候變化［16］。在2010年NASA 發布的全球空氣污染形勢圖中，中國的華北、華東、華中全部成為污染重災區。對中國陸地氣溶膠光學厚度的時空變化特征的分析，將有助于研究大氣氣溶膠引起的輻射強迫和水循環改變對氣候的影響，探討大氣氣溶膠光學厚度與大氣污染物及其氣象因素的關系，提高預測未來氣候變化的可信度，進而為提出合理的對策提供科學的依據。對我國乃至整個亞太地區的生態、環境和氣候均產生重要影響［17］。目前我國氣溶膠的研究已經取得了很多有價值的成果，但是多以區域性研究為主，主要集中在北京［18－21］、西北地區［22－24］、長江三角洲［25－26］等地，對整個中國陸地研究尚少。為了更加全面系統地了解我國陸地上空氣溶膠的時空分布變化和規律，筆者利用MODIS 08_C5 氣溶膠產品2000－02—2008－12近9 a 的資料，對全中國(除南海諸島嶼外，下同)陸地氣溶膠光學厚度的時空分布情況和季節變化特征進行統計分析，以揭示陸地氣溶膠光學厚度與沙塵之間的相關關系，為科學準確地了解我國大氣氣溶膠光學厚度的時空分布特征提供參考。

1 研究方法

1.1 資料來源與數據處理

美國國家航天局(NASA)為了實現對大氣和地球環境變化的長期觀測和研究，開始了地球觀測系統計劃(EOS)。其成功發射的Terra 和Aqua 衛星上搭載的中分辨率成像光譜儀MODIS 傳感器具有廣闊的覆蓋空間，為近一步研究陸地、海洋和大氣特征提供了豐富的資料。利用全球自動觀測網(AERONET)的太陽光度計測得的光學厚度對NASA 發布的MODIS AOD 產品進行驗證，相關系數高達0.8［27－28］，說明MODIS 氣溶膠產品達到了一定的精度。鄧學良等［12］、段婧等［25］、李成才等［10］分別對MODIS 產品進行了相關驗證，并利用其對中國部分地區進行了氣溶膠光學厚度的研究。因此，可以認為，MODIS 氣溶膠產品已達到了相應的質量要求，可以用于研究中國陸地氣溶膠光學厚度的分布和變化特征。本文所用的資料取自NASA 的MODIS網站(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/)全球大氣3 級標準數據產品，分辨率為1°×1°，時間序列為2000－02—2008－12。首先對所獲得的MODIS 衛星遙感數據進行預處理，利用ENVI、ARCVIEW、ARCGIS 軟件進行波段提取、投影、剪裁、數據轉換和柵格計算等，獲得中國陸地2000—2008 年550 nm 處的大氣氣溶膠月平均光學厚度(AOD)的柵格數據。

1.2 研究方法

對中國陸地氣溶膠光學厚度進行時空分布規律的研究中采用的季節劃分標準為:3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12 月至翌年2 月為冬季。

中國陸地氣溶膠空間變化趨勢分析是通過一元線性回歸法，利用每個像元上9 a 的氣溶膠光學厚度月均值求出斜率，利用逐像元的斜率分布進行光學厚度的空間變化分析。如果斜率小于0，則表明呈負變化趨勢，氣溶膠光學厚度減少，反之，則表現為增加趨勢。

氣溶膠光學厚度變化趨勢公式為

式中:Sslope為氣溶膠光學厚度變化趨勢;AAODi為第i像元氣溶膠光學厚度月均值。

氣溶膠光學厚度變化趨勢與年份之間的關系采用相關系數方法進行分析，即把光學厚度值和時間分別看作2 個變量，用得到的R 表示光學厚度與年份之間的相關程度，其公式為

式中: Rxy為變量x 和y 的相關系數;n 為樣本數;xi為第i 像元時間變量;yi為第i 像元年氣溶膠光學厚度月均值;為變量時間x(文中取1，2，3，…，9)的平均值，為變量年氣溶膠光學厚度月均值yi的平均值。

從2 個方面對中國陸地氣溶膠光學厚度時空變化趨勢進行分析。一是利用空間平均方法分析氣溶膠光學厚度全年及春季、夏季、秋季和冬季的變化特征和變化趨勢;二是基于逐個像元分析氣溶膠光學厚度的空間趨勢，以揭示其變化的空間分布特征。

2 結果與分析

2.1 氣溶膠光學厚度年均值空間分布特征

2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學厚度年均值空間分布圖(圖1)顯示，全國氣溶膠光學厚度存在非常明顯的空間分布特征。高值中心位于南疆盆地、長江及黃河中下游地區、華南沿海、四川盆地，中心值超過0.5，而青藏高原、內蒙古和東北地區等則處于氣溶膠光學厚度低值區。

圖1 2000—2008 年中國陸地(除南海諸島外)氣溶膠光學厚度年均值空間分布圖Fig.1 Annual spatial distribution of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

從2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學厚度季節年均值分布圖(圖2)看，整個中國陸地氣溶膠光學厚度的空間分布存在明顯的季節變化，且不同地區季節變化特征不同。黃河下游和長江中下游地區在全年內都處于氣溶膠高值區?？赡苁且驗檫@些地區快速的經濟發展造成了嚴重的大氣污染，對氣溶膠的光學厚度產生了顯著的影響。青藏高原地區氣溶膠光學厚度值經歷了由春到夏逐漸增大，秋季再次減少的過程，隨季節變化明顯，該地區人口稀少，受人為活動影響小;但是稀疏的地表植被和較少的降水易引起沙塵天氣，可能是其氣溶膠的主要來源。四川盆地、華南沿海和兩廣地帶氣溶膠光學厚度值夏季略有減少，可能由于降水頻繁，雨水的清除和濕沉降縮短了氣溶膠的生命期。而南疆盆地及其周圍地區主要屬于沙漠氣候，降水偏少，極易發生沙塵天氣，有利于氣溶膠的形成，全年的氣溶膠光學厚度值都偏高。

圖2 2000—2008 年中國陸地(除南海諸島外)氣溶膠光學厚度季節年均值分布圖Fig.2 Seasonal spatial distribution of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

2.2 氣溶膠光學厚度年均值時間變化趨勢

圖3 是2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學厚度年均值逐年變化圖。可以看出，氣溶膠光學厚度的年均值經歷了先減少后增加的變化過程。2000—2004 年，氣溶膠光學厚度值從0.194 減少到0.180，2004 年后開始逐步增加，到2008 年增加到0.195，與2000 年基本持平。對于2004 年氣溶膠光學厚度極低值的出現還需要收集更多的資料對其進行分析，本文暫不討論。分別對2000—2004 年和2004—2008 年2 個時間段氣溶膠光學厚度年均值與年份進行回歸分析，表明前一時間段氣溶膠光學厚度年均值年波動幅度比較大，平均值為0.193，而后一階段的氣溶膠光學厚度年均值與年份之間具備較好的相關性，相關系數為0.858(P=0.063)，通過了0.1 的顯著性檢驗，增加的趨勢較顯著。

圖3 2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學厚度年均值逐年變化圖Fig.3 Interannual variations in AOD in China during 2000—2008

彩圖4 為全國氣溶膠光學厚度年均值的線性趨勢圖，彩圖5 為氣溶膠光學厚度年均值與年份的相關系數。從圖4 可以看出，各個柵格單元的斜率值均為負值，表明全國氣溶膠光學厚度值在2000—2008 年顯現減少趨勢，且數值大小由西向東(紅－黃－綠－深藍，)逐漸減少，說明東部氣溶膠光學厚度變化速率慢，東部地區頻繁的人類活動導致的大氣污染以及多變的氣象變化與氣溶膠光學厚度的復雜關系可能是導致此現象的原因。圖5 則表明氣溶膠光學厚度年均值隨年份變化不顯著。

圖6 為2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學厚度年均值各季節變化趨勢圖?？梢钥闯?，2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學厚度年均值季節變化趨勢顯示，春夏季氣溶膠光學厚度年均值總是大于秋季和冬季，且夏秋季氣溶膠光學厚度變化波動較大。氣溶膠光學厚度年均值春季達到最大值，為0.239，其次是夏季和冬季，其值分別為0.225 和0.158，秋季最小，為0.149。線性趨向分析顯示，春夏季氣溶膠光學厚度值呈減小趨勢，秋冬季呈增加趨勢，但是各個季節氣溶膠光學厚度值隨年份增加均不顯著。

圖4 氣溶膠光學厚度年均值的線性趨勢Fig.4 Linear trend distribution of mean annual AOD

圖5 氣溶膠光學厚度年均值與年份的相關系數Fig.5 Related coefficient of mean annual AOD and year

圖6 2000—2008 年中國陸地(除南海諸島外)氣溶膠光學厚度年均值各季節變化趨勢Fig.6 Seasonal variations of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學厚度年均值隨季節的線性變化趨勢圖(彩圖7)顯示，全國氣溶膠光學厚度年均值呈現較弱的減小趨勢，并且各個地區氣溶膠光學厚度年均值變化季節差異明顯，夏季氣溶膠光學厚度年均值多年來以增加為主，顯著區為中國的青藏高原、內蒙古西部和貴州的西南部，而秋季顯著增加的地區轉移到兩廣地帶。冬季北方地區氣溶膠光學厚度年均值增加可能與風沙天氣增多和取暖燃煤有關。同一季節不同地區的線性趨勢分布情況不同，體現了明顯的區域特征。從彩圖8 可以看出，春夏季北方大部分地區隨著年份的增加，氣溶膠光學厚度年均值出現了較明顯的變化，這可能與近些年來沙塵天氣頻繁對氣溶膠光學厚度產生了顯著影響。而秋冬季長江中下游、東南沿海以及兩廣地帶氣溶膠光學厚度值隨年份變化的增強趨勢表現明顯，其原因可能是該地區經濟的快速發展產生的工業污染造成了氣溶膠光學厚度的增加，而春夏季豐富的降水可能對其氣溶膠光學厚度增加有抵消作用。

圖7 氣溶膠光學厚度年均值隨季節的線性變化趨勢Fig.7 Linear trend distribution of seasonal AOD

圖8 各個季節氣溶膠光學厚度年均值與年相關系數Fig.8 Related coefficient of seasonal AOD and year

圖9 顯示了氣溶膠光學厚度月均值在不同年份的逐月變化情況。可知，氣溶膠光學厚度在一年中呈現先增加再減小的明顯趨勢，并在4 和11 月份達到年內最大值和最小值，其多年平均值分別為0.258 和0.131;因此，春季是氣溶膠光學厚度的高值季節。

圖9 氣溶膠光學厚度月均值年內變化趨勢Fig.9 Annual variations in mean monthly AOD

2.3 氣溶膠光學厚度與沙塵之間的關系

為了探究氣溶膠光學厚度與沙塵的關系，統計了2000—2008 年全國每月發生沙塵的次數。從沙塵多年逐月變化趨勢圖(圖10)上可以看出，一年中沙塵在4 月發生的次數最多，占全年總發生次數的33.79%，與氣溶膠光學厚度年內逐月變化趨勢表現了較好的一致性。圖11 是以中國陸地各月沙塵總次數為橫軸，以相對應的氣溶膠光學厚度月均值為縱軸點繪的關系圖。可見，月沙塵發生次數10 次以上區域，沙塵月發生次數與氣溶膠光學厚度之間呈顯著的線性相關關系，相關系數為0.779(P ＜0.01)，而在月發生沙塵次數10 次以下地區，沙塵次數與氣溶膠光學厚度之間沒有明顯的關系，亦即氣溶膠光學厚度并不隨著沙塵次數產生明顯的規律性變化;因此，根據沙塵高發區主要分布在我國北方地區的實際，可以認為，中國北方地區(黃淮以北)沙塵可能是氣溶膠光學厚度的主要影響因素，而在黃淮以南地區(包括西南地區)工業污染可能是氣溶膠光學厚度的主要影響因素。

圖10 沙塵發生次數月均值年內變化趨勢Fig.10 Annual variations of mean monthly dust frequency

圖11 氣溶膠光學厚度月均值與沙塵發生總次數關系圖Fig.11 Relationship between mean monthly AOD and the total times of dust occurrence

3 結論

1) 我國氣溶膠光學厚度的多年平均分布具有明顯的地域特征，其高值中心位于南疆盆地、長江和黃河下游地區、華南沿海以及四川盆地，且氣溶膠光學厚度呈現逐年減小的趨勢，東部地區較西部地區減小不明顯。

2) 氣溶膠光學厚度季節變化顯著，且全國各地區情況不同，黃河下游、四川盆地和長江中下游地區常年處于氣溶膠光學厚度高值區，青藏高原和新疆東部從春到夏逐漸增大，秋季再次減少，直到冬季達到其最低值。南疆盆地全年的氣溶膠光學厚度值都偏高。長江中下游地區氣溶膠光學厚度年內變化顯著，冬春季節氣溶膠光學厚度較高。

3)2000—2008 年氣溶膠光學厚度年內變化都表現為4 月達到最大值，11 月為最小值，并且與全國發生沙塵天氣月均值的變化趨勢一致。

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