長江三角洲地區大氣頂氣溶膠直接輻射強迫遙感估算

肖鐘湧 ,江 洪

(1.集美大學理學院,福建 廈門 361021；2.南京大學國際地球系統科學研究所,江蘇 南京210093；3.浙江農林大學,亞熱帶森林培育國家重點實驗室/浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室,浙江杭州 311300)

氣溶膠對太陽輻射起到散射和吸收作用,影響著地-氣系統的輻射收支平衡,因而在很大程度上影響著全球的氣候狀況[1-4].由大氣氣溶膠含量的變化引起地-氣系統能量平衡擾動,這種擾動稱為氣溶膠輻射強迫.一方面氣溶膠對太陽輻射起到散射和吸收的作用,稱為氣溶膠直接輻射強迫;另一方面,氣溶膠也可以充當生成云、霧的凝結核,影響云滴的生命周期,改變云的反射率等,從而對地-氣系統的輻射平衡產生間接影響,稱為氣溶膠間接輻射強迫[1-2].關于氣溶膠輻射強迫已經進行了大量的、細致的研究[5-13].但是,氣溶膠輻射強迫還存在很大的不確定性[14-16].氣溶膠的空間分布和特性是氣溶膠的環境、氣候效應研究的關鍵.

隨著傳感器的發展,衛星遙感與地基遙感相比具有全球覆蓋的優勢,如 MODIS提供了全球氣溶膠研究的手段,具有較高的時間、空間分辨率[17-19].MODIS運用暗像元法進行氣溶膠反演[20-21],該算法是 Remer等[22]和 Levy 等[23]在Kaufman的暗像元算法基礎上開發的,并利用MODIS傳感器進行了氣溶膠光學的業務反演,為全球提供分辨率 10km 氣溶膠產品.對于研究區域尺度和全球尺度氣溶膠污染物有重要應用價值.已有大量研究利用地面的觀測數據對MODIS L2氣溶膠產品進行了驗證[22-26].在長江三角洲地區的驗證研究表明了MODIS氣溶膠產品在該地區的精度較高[27-28].

區域氣溶膠輻射強迫的研究越來越重要,研究認為長江三角洲地區人為氣溶膠在晴空下使得太陽輻射減少 30%[29-30].田華等[31]的結果表明,2001年中國東部地區晴空時硫酸鹽氣溶膠輻射強迫以春季最大,為-34.53W/m2;夏季次之,為-22.76W/m2;冬季再次,為-22.57W/m2;秋季最小,為-20 W/m2.但是研究工作不足,因此,需要對氣溶膠輻射強迫進行深入的評估.本研究利用多源遙感數據對大氣頂氣溶膠的直接輻射強迫進行估算,并分析其時空變化特征.揭示出長江三角洲地區氣溶膠輻射強迫的強度和模式.

1 方法、數據和研究區

1.1 方法

本研究氣溶膠輻射強迫的衛星估算是利用Charlson 等[1]和 Haywood 等[32]估算公式,該公式被用來估算全球的瞬時大氣頂氣溶膠直接輻射強迫,公式表示為：

式中：S0太陽常數,取值為1367W/m2;T為大氣總透過率,取值為 0.76;C為云量比例;ω為單次散射反照率;β為后向散射比;Rs為地表反照率;τ為氣溶膠光學厚度(AOT).

由于地球以橢圓形軌道繞太陽運行,一年里每天的日地距離不一樣.因此,日地距離不是常數,在某一點的輻射強度與距輻射源距離的平方成反比,也就是說地球大氣頂的太陽輻射強度隨日地間距離不同而異.因此,需要進行日地距離的校正.假設地球表面為平面,到達大氣上界的太陽輻射與太陽高度角的正弦成正比.根據以上條件,對于到達大氣頂的太陽輻射進行校正,結合方程(1)有：

Haywood 等[32]和 Blanchet等[33]認為波長在700nm處的氣溶膠光學特性可以代表整個譜段的平均光學特性.本文利用 ?ngstr?m 定律[34],結合MODIS氣溶膠產品計算出700nm處的AOT;云量比例用 MODIS氣溶膠產品提供的數據;地表反照率利用MODIS MCD43C 3月平均短波地表反射率數據;單次散射反照率利用 OMI OMAERO氣溶膠產品的可見光波段外插得到700nm處的單次散射反照率.

1.2 數據

本研究主要用到的數據來自MODIS和OMI數據產品,包括MODO4和MYD04氣溶膠產品、MCD43C3地表反照率產品和OMAREO氣溶膠產品中的單次散射反照率.MODIS L2氣溶膠產品是從 NASA的 LADSWEB數據中心獲得.MODIS分別裝載在1999年12月18日和2002年5月4日發射的Terra和Aqua衛星上,它們是地球觀測系統衛星的一部分.Terra和Aqua衛星是太陽同步極軌衛星,軌道高度為距地球705km.Terra衛星每天上午(10：30AM)從北向南通過赤道,Aqua衛星每天下午(1：30PM)從南向北通過赤道.1～2d可覆蓋地球表面1次.MODIS傳感器的空間分辨率為 250,500,1000m,掃描寬度為 2330km.總共有 36個光譜波段,從可見光(0.4μm)到熱紅外(14.4μm)光譜波段.本研究運用的 MODIS氣溶膠產品的時間從 2000年 2月～2011年12月.存儲格式為HDF數據格式,空間分辨率為經度(10km)×緯度(10km).

臭氧層觀測儀(OMI)裝載在2004年7月15日發射的 Aura衛星上,它和 Terra衛星及 Aqua衛星等組成地球觀測系列衛星,Aura衛星的軌道高度700km.OMI傳感器觀測大氣和地表的后向散射輻射,傳感器波長范圍為270～500nm,波譜分辨率為 0.5nm.傳感器視場角為114°,條帶寬度為2600km.具有高時間分辨率,覆蓋全球只用 1d.該傳感器主要監測大氣中的臭氧柱濃度和廓線、氣溶膠、云、表面紫外輻射,還有其他的痕量氣體,如 NO2、SO2、HCHO、BrO、OClO 等.本研究利用的 OMI傳感器反演的氣溶膠產品為OMAERO,用于提取數據集里的氣溶膠單次散射反照率.數據格式為HDF-EOS(.he5),空間分辨率為 13km×24km,時間為 2004年 10月到 2011年12月.

首先,利用MATLAB讀取HDF和HDF-EOS數據,然后處理成 ArcGIS可以讀寫的 Shapefile文件格式.為了方便數據處理和分析,在時間變化,通過計算區域平均值來分析氣溶膠的變化特征.空間上,對多年的數據求平均值,分析該地區的空間分布特征.

1.3 研究區

選取長江三角洲(YRD)為研究區,中心地理經緯度分別為120.5°E和30.5°N.該地區是長江和錢塘江在入海處沖積成的三角洲,面積大約為 99600km2.長江三角洲屬于亞熱帶季風氣候.夏季高溫多雨,雨熱同期,冬季寒冷干燥,春季雨量最充沛.最冷月均溫 2～4℃,最熱月均溫27～ 28℃,年降水量 1000～1400mm. 植被主要屬于亞熱帶常綠闊葉林.長江三角洲是世界經濟增長和城市化進程最快的地區之一.主要由蘇浙滬毗鄰的 16個市組成的都市群,包括上海市,江蘇省的南京、蘇州、無錫、常州、鎮江、南通、揚州、泰州,浙江省的杭州、寧波、湖州、嘉興、紹興、舟山和臺州.人口為 10763.31萬(2010人口普查).

2 結果與討論

2.1 氣溶膠光學特性和地表反照率

氣溶膠輻射強迫遙感估算運用到的主要參數包括700nm處的氣溶膠光學厚度(AOT700)、短波地表反照率(SAShortwave)和 700nm 處的單次散射反照率(SSA700).由于這些輸入數據的空間分辨率各不相同,AOT為 10km×10km,地表反照率為1km×1km,單次散射反照率為13km×24km.并且每個月的月平均AOT數據在空間上有些數據缺失,因此,對不同的數據源柵格化到 10km×10km 相同的空間分辨率,柵格化過程中利用基于三角網3次方插值的方法進行插值.圖1和圖2分別為2000～2011年700nm處的區域月平均氣溶膠光學厚度(AOT)和單次散射反照率(SSA)的時間序列變化.從長時間尺度上看,區域月平均AOT700沒有明顯的增長趨勢.區域月平均AOT700值的波動范圍在 0.3～0.9之間.區域月平均AOT700且呈現明顯的周期性變化,利用正弦曲線時行擬合,R為0.67.氣溶膠特性隨著季節的變化而變化, AOT700的最大和最小值分別為出現在 6月和 12月,大約為 0.71±0.07和 0.39±0.05.由于SSA700在時間序列上呈現明顯的周期變化,而且波動較小,利用正弦曲線時行擬合,R為0.88.,因此,2000～2011之間每年的 SSA700用多年月平均進行計算.在 5～10月,區域平均SSA700的值大約為 0.96;在 11～4月,大約為 0.89.圖 3為 2000～2011年短波處區域月平均地表反照率(SAShortwave)的時間序列變化.區域月平均 SAShortwave在 0.10～0.15之間波動,變化特征與 AOT相似,呈現明顯的周期性變化,正弦曲線擬合的R為0.67.

2.2 大氣頂氣溶膠輻射強迫

2.2.1 時間變化 圖 4為2000～2011年700nm處的區域月平均AOT和大氣頂輻射強迫的時間序列變化趨勢.右圖為AOT700及其輻射強迫的線性回歸分析.線性回歸方程為 ARFSatellite=91.24AOT700+15.15,相關系數(R)和根均方差(RMSE)分別為0.89和5.50,N=143,表明二者間存在明顯的線性相關關系,但是由于大氣頂氣溶膠輻射強迫受到其他因素的影響,如地表反照率、云量比例等,使得AOT700和大氣頂氣溶膠輻射強迫的線性回歸出現一定的偏差.AOT700和輻射強迫呈現明顯的周期性變化,區域月平均輻射強迫變化范圍大約在-10～-70W/m2之間,最大值出現在 2008年 6月,大氣頂氣溶膠輻射強迫大約為-69.56W/m2,對應的 AOT700為 0.87.圖 5 為2000～2011年區域平均 AOT700和大氣頂輻射強迫的季節變化.圖中誤差線為相同月份或相同季度的標準差,說明相同月份或相同季度的AOT700和大氣頂輻射強迫的波動情況.

圖1 2000～2011區域月平均氣溶膠光學厚度(AOT700)的時間序列變化Fig.1 Temporal serial variation of regional monthly mean aerosol optical thickness (AOT700) from 2000～2011

圖2 2000～2011區域月平均單次散射反照率(SSA700)的時間序列變化Fig.2 Temporal serial variation of regional monthly mean single scatter albedo (SSA700) from 2000～2011

圖3 2000～2011年區域月平均短波地表反照率(SAShortwave)的時間序列變化Fig.3 Temporal serial variation of regional monthly mean surface albedo at shortwave (SAShortwave) from 2000～2011

從圖 4可以看出,一年中最大的氣溶膠輻射強迫和AOT一樣出現在6月,最小值出現在12月,大約分別為(-53.97±6.14)和(-16.41±2.10)W/m2.這主要是由于氣溶膠的排放特征決定的,在 6月人為排放的氣溶膠最大.然而最大的波動出現在 5月.4月的AOT700比5月的大,分別為0.66±0.05和0.62±0.11,但是氣溶膠輻射強迫呈現相反的特征,分別為(-42.40±3.16)和(-48.31±8.85)W/m2.原因可能是：進入 5月后太陽輻射效應增強,氣溶膠對太陽輻射的消減作用也隨之增大,而且 5月的大氣相對濕度較大,在4月,氣溶膠粒子的輻射效應較5月弱.這樣使得較大的AOT出現較小的輻射強迫.

圖4 氣溶膠光學厚度及其輻射強迫的時間序列變化和回歸分析Fig.4 Temporal serial variations of regional monthly AOT and aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere from 2000～2011, and linear regression analysis

圖5 2000～2011年大氣頂氣溶膠光學厚度及其輻射強迫的季節變化Fig.5 Seansons variations of AOT and aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere from 2000～2011

4個季節的大氣頂氣溶膠輻射強迫大小依次 是 ：夏 季 (-44.30±9.09W/m2)＞ 春 季 (-42.00±7.83W/m2)＞ 秋 季 (-28.02±6.32W/m2)＞ 冬 季(-20.40±5.00W/m2).田華等[31]認為中國中東部地區硫酸鹽氣溶膠的直接輻射強迫春季最大,為-34.53W/m2;夏季次之,為-22.76W/m2;冬季再次,為-22.57W/m2;秋季最小,為-20W/m2.產生這個差異的原因主要有兩個方面：第一,本研究的氣溶膠輻射強迫包括所有的氣溶膠粒子,產生的輻射強迫比硫酸鹽氣溶膠大;第二,本研究的長江三角洲區域是中東部氣溶膠濃度分布最高的區域,因此產生的輻射強迫較中東部的平均值大,所以從數值上來看,本研究的結果是可靠的,另外在季節上表現不一致,這可能受不同季節氣溶膠粒子的時空變化的影響產生的.

2.2.2 空間分布 圖6和圖7分別為2000～2011年多年月平均和年平均大氣頂氣溶膠輻射強迫的時空變化.表1為2000～2011年多年月平均和年平均大氣頂氣溶膠輻射強迫的統計結果.表中的標準差是根據多年月平均和年平均的區域每個像元的值計算的.標準差越大,整個區域數值的離散度就越高,說明空間分布的差異越大,反之亦然.

由于氣溶膠輻射強迫和AOT呈強的正相關,因此空間分布特性與AOT相似.從圖6可以看出,氣溶膠輻射強迫空間分布差異明顯,從 2000～2011年多年月平均的結果來看,在南部地區,一年12個月的氣溶膠輻射強迫變化較小,變化范圍在 0～-30W/m2.在北部地區,一年 12個月的氣溶膠輻射強迫變化較大,變化范圍在-15～-70W/m2.特別在6月,空間差異最明顯,在太湖沿岸的城市地區,如上海、杭州.氣溶膠輻射強迫達-70W/m2,而在千島湖地區氣溶膠輻射強迫大約為-10W/m2.在 12月,空間差異最小,北部地區大約為-20W/m2;南部地區大約為-10W/m2.氣溶膠直接輻射強迫具有明顯的季節變化和空間分布差異的特征主要是由人為氣溶膠排放的季節變化和空間分布分布決定的.

從圖 7可以看出,氣溶膠輻射強迫在空間上主要呈現兩種分布特征,北部的主要以城市為主的地區和南部主要以植被覆蓋的地區.在北部城市地區,年平均氣溶膠輻射強迫的空間變化比較明顯,變化范圍大約為-25～-60W/m2之間;而在南部森林覆蓋較高的地區,氣溶膠輻射強迫的變化范圍大約為-10～-25W/m2,這主要是北部的人為活動較為強烈,排放的氣溶膠空間差異明顯.然而南部地區森林覆蓋較高,人為排放的氣溶膠較少,而且氣溶膠特性差異較小,使得其輻射強迫在南部地區空間差異較小.從年尺度變化上看,大氣頂氣溶膠輻射強迫沒有明顯的增大趨勢.2000～2011年中較大的氣溶膠輻射強迫是2002、2007和 2011,分 別 大 約 為(-37.86±13.58)、(-37.03±13.05)和(-37.97±13.60)W/m2.

圖6 2000～2011年多年月平均氣溶膠輻射強迫的時空變化Fig.6 Temporal-spatial variation of multi-year monthly mean aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere from 2000～2011

圖7 2000～2011 年年平均氣溶膠輻射強迫的時空變化Fig.7 Temporal-spatial variation of yearly mean aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere from 2000～2011

表1 多年月平均和年平均大氣頂氣溶膠輻射強迫統計結果Table 1 Statistical results of multi-year monthly and yearly mean aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere

3 結論

3.1 大氣頂氣溶膠輻射強迫和氣溶膠光學厚度(AOT)存在明顯的線性相關關系.回歸方程為ARFSatellite=91.24AOT700+15.15,R和RMSE分別為0.89和5.50.氣溶膠輻射強迫呈現明顯的周期性變化,區域月平均輻射強迫變化范圍大約在-10～-70W/m2之間,最大值出現在 2008年 6月,大氣頂氣溶膠輻射強迫大約為-69.56W/m2,對應的AOT700為0.87.

3.2 大氣頂氣溶膠輻射強迫具有明顯的季節變化和空間分布差異的特征,一年中最大的氣溶膠輻射強迫和AOT一樣出現在6月,最小值出現在12 月 ,大 約 分 別 為 (-53.97±6.14)和 (-16.41±2.10)W/m2.然而最大的波動出現在5月.4個季節的大氣頂氣溶膠輻射強迫的大小依次是：夏季(-44.30±9.09W/m2)＞春季(-42.00±7.83W/m2)＞秋季(-28.02±6.32W/m2)＞冬季(-20.40±5.00W/m2).從多年月平均的結果來看,在南部地區,一年中12個月的氣溶膠輻射強迫變化較小,變化范圍在0～-30W/m2之間.在北部地區,一年中氣溶膠輻射強迫變化較大,變化范圍在-15～-70W/m2之間.特別在 6月,空間差異最明顯,在太湖沿岸的城市,如上海、杭州,氣溶膠輻射強迫達-70W/m2,而在千島湖地區,氣溶膠輻射強迫大約為-10W/m2.在12月,空間差異最小,北部地區大約為-20W/m2;南部地區大約為-10W/m2.

3.3 大氣頂氣溶膠輻射強迫在空間上主要呈現兩種分布特征,北部的主要以城市為主的地區和南部主要以植被覆蓋的地區.在北部城市地區,年平均氣溶膠輻射強迫的空間變化比較明顯,變化范圍大約為-25～-60W/m2之間;而在南部森林覆蓋較高的地區,氣溶膠輻射強迫的變化范圍大約為-10～-25W/m2之間.從年尺度變化上看,大氣頂氣溶膠輻射強迫與AOT700相似,沒有明顯的增大趨勢.

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致謝：本研究MODIS和OMI數據來自美國戈達地球科學數據和信息服務中心(Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center),在此表示感謝.