基于MODIS數據的江浙滬地區大氣氣溶膠光學厚度研究

蔡穩　蔣躍林

摘 要：大氣氣溶膠是影響環境和氣候的重要因子，其光學厚度是表征大氣渾濁度的一個重要因素。該文利用2011-2012年MODIS Level 2（MOD 04）氣溶膠產品分析了江浙滬地區氣溶膠光學厚度的分布和季節變化特點，結果表明江浙滬地區氣溶膠光學厚度峰值出現在春夏兩季，并且峰值有由春季向夏季轉移的趨勢。

關鍵詞：MODIS；大氣氣溶膠；光學厚度；江浙滬

中圖分類號 X511 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）09-144-03

Abstract：The influence of atmospheric aerosols is an important factor in the environment and climate，atmospheric characterization of atmospheric aerosol optical thickness is an important factor in turbidity. In this paper，2011-2012 years MODIS Level 2（MOD 04）analyzed the aerosol products of aerosol optical thickness Intra Regional distribution and characteristics of seasonal variation was found that the aerosol optical depth of Changjiang peak in spring and summer，and from spring to summer peak with the transfer of the trend.

Key words：MODIS；Aerosol；Optical thickness；Jiangsu，Zhejiang and Shanghai Area

大氣氣溶膠是由大氣介質和混合于其中的固體或液體顆粒組成的體系，通過直接或間接改變地-氣系統的輻射收支來影響著氣候和環境。研究氣溶膠粒子對環境與氣候影響在很大程度上依賴于對其時空分布狀況的了解和光學特性的準確估算，而氣溶膠特性的時空多變性使得利用衛星遙感其分布和變化成為重要的探測手段。國際上利用衛星遙感資料反演大氣氣溶膠的研究工作始于20世紀70年代中期，早期主要是進行海洋上空氣溶膠光學厚度的反演，用于探測海洋上空的沙塵粒子[1]。Gordon最早考慮了氣溶膠在海洋水色遙感中的影響，Tanre等的研究則使人們認識到在陸地遙感中去除大氣特別是氣溶膠的模糊效應的重要意義和可行性，并由此開始了陸地上空氣溶膠的遙感研究[2]。自從MODIS在NASA的TERRA和AQUA的衛星平臺上運行以來，已經為全球的氣溶膠分布提供了大量的數據產品。到目前為止，利用衛星遙感氣溶膠已經形成了一個非常豐富的研究體系。江浙滬地區作為我國目前經濟發展速度最快、經濟總量規模最大、最具有發展潛力的經濟板塊，同時也是氣溶膠增加較快的區域之一，研究該地區的氣候和環境效應具有十分重要的意義。本文在利用MODIS衛星資料反演的氣溶膠光學厚度的產品數據的基礎上，進一步分析江浙滬地區大氣氣溶膠光學厚度近2a的區域和季節分布特征及其變化趨勢。

1 研究區域及資料來源

1.1 研究區簡介 江浙滬主要是指江蘇省、浙江省、上海市3個經濟圈的總稱，是位于長江三角洲地區的核心區域。江浙滬地區位于我國東部沿海中斷、長江和沿海的結合部，是一個自然條件優越，開發歷史悠久，人口城鎮密布，經濟文化發達的中國最重要的經濟核心區域之一。該地區近年來持續高速的發展將對農作物產量、生態環境和區域氣候都產生十分顯著而敏感的影響，因此研究本地區的氣候和環境效應具有十分重要的意義。

1.2 MODIS資料簡介 MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）是NASA的EOS-AM1系列衛星的主要探測儀器，也是EOS Terra平臺上唯一進行直接廣播的對地觀測儀器[3]。MODIS探測器每天覆蓋全球一次，具有36個光譜通道，分布在0.4～14μm波譜范圍內，MODIS儀器的地面分辨率分別為250m、500m和1 000m，掃描寬度為2 330km，在對地觀測過程中，每秒可同時獲得6.1Mbps/s的來自大氣、海洋和陸地表面信息，每1d或每2d可獲得一次全球觀測數據。多波段數據可以同時提供反映陸地、云邊界，云特性，海洋水色，浮游植物、生物地理、化學，大氣中的水汽，地表溫度，云頂溫度，大氣溫度，臭氧和云頂高度等特征的信息，用于對陸表、生物圈、固態地球、大氣和海洋進行長期全球觀測[4]。MODIS氣溶膠產品（MOD04）監測全球海洋和部分大陸的大氣氣溶膠光學厚度，此外還反演海洋上氣溶膠粒子譜分布和大陸氣溶膠類型等，產品的空間分辨率為10km×10km[5]。本文選用的是江浙滬地區2011-2012年MODIS level 2（MOD04）0.55μm陸地氣溶膠光學厚度產品。

1.3 數據處理流程 由于MODIS氣溶膠光學厚度產品中月數據空間分辨率較低，不利于江浙滬地區氣溶膠光學厚度的分布變化特征分析；而天數據雖然在空間分辨率上有了一定的提高，能滿足分析的需要，但又由于江浙滬地區有云覆蓋的時間較多，造成天數據中無效值較多，因此考慮將每月中每1d的有效數據進行合并得到月數據，從而進行江浙滬地區氣溶膠光學厚度變化特征的分析，具體流程如圖1所示。

2 江浙滬氣溶膠光學厚度變化特征分析

本文主要是借助MODIS氣溶膠光學厚度產品對江浙滬地區的氣溶膠分布特征從季節變化、年際變化等角度進行分析。季節劃分標準：3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季、12月至次年2月為冬季。endprint

2.1 江浙滬區域氣溶膠光學厚度的季節分布

2.1.1 2011年結果分析 對2011年MODIS氣溶膠產品得到的江浙滬區域光學厚度的季節分布如圖2。從圖2中可以看出：AOD的分布強烈受到地形和人口密度以及工業分布的影響。由于大別山和黃山山脈以及丘陵的存在，長江中下游地區AOD的分布，形成宜昌-洞庭湖-武漢、鄱陽湖和徽南-江浙-長江三角洲地區實際上與華北地區連成一片，并受其影響[6]。

從2011年的平均值來看，1a中江浙滬地區，春季出現光學厚度的高值，江蘇的大部分地區光學厚度在春季都在0.7以上，特別是江蘇南部和上海出現光學厚度的最大值；夏季略有降低，表現在大值大范圍的縮小上；秋季繼續降低，大部分在0.5～0.6；到了冬季大部分地區降至最低，一般都在0.3～0.5。研究其原因可能有2點：一是春季氣候干燥風速大，加上北方沙塵暴天氣的影響[7]，造成AOD的最大值；二是秋冬季一般天氣晴好，相對濕度降低，使得AOD進一步降低。

2.1.2 2012年結果分析 2012年MODIS氣溶膠產品得到的江浙滬地區光學厚度的季節分布如圖3。

從圖3來看，春季、夏季、秋季均出現了高值，春季江蘇的大部分地區氣溶膠光學厚度值都在0.6以上，江蘇的南部AOD值跟北部相比，南部普遍大于北部，上海地區AOD值普遍達到0.8以上，浙江地區AOD普遍低于0.5；到了夏季長江以南的太湖以西和上海以南的平原AOD大于0.8，達到了最高值，上海附近有的地方還有AOD大于1.0的，江浙滬50%的地方在0.8以上；秋季江浙滬大部分地區AOD均在0.6以上；而不管是2011年還是2012年的AOD，冬季均是最低的。分析2012年夏季AOD高于春季的原因可能是由于夏季濕度較高，吸濕增長會使AOD增大；另外夏季光化學作用也會導致AOD增加。

3.2 江浙滬區域氣溶膠光學厚度的年際變化 由以上2a的平均值圖分析得到一個結果就是2a的季節AOD的峰值出現在不同的季節，一個是春季，一個是夏季。結合2011、2012各月AOD變化趨勢見圖4。

從圖4可以看出，2a各月的AOD平均值反映出春季和夏季是氣溶膠光學厚度出現高值的旺季，而且AOD季節分布最顯著的變化是峰值由春季轉向夏季，春季的AOD值有所減小，秋冬季節氣溶膠光學厚度均有所升高，其中秋季的升高尤其明顯。結合圖2、3、4可以看出，2012年一整年江浙滬地區出現高值的季節明顯比2011年多，江浙滬絕大部分地區氣溶膠光學厚度夏季大于春季，這與劉桂青等人2001-2002年分析的“春季出現氣溶膠光學厚度高值”[8]這個結果并不矛盾，因為2011年的春季也出現了高值，但是從2a的各月變化趨勢圖來看，正好說明了在2011-2012年間長江三角洲的氣溶膠光學厚度高值季節是由春季向夏季轉變的，這恰恰與毛節泰等人研究的2000-2005年的結果相吻合[9]。

從以上分析表明，江浙滬地區春季出現高值的原因可能與春季北方的沙塵天氣活躍有關，從沙塵天氣年鑒[10]可以看出江浙滬受沙塵影響顯著，對比2005-2010年江浙滬春季沙塵天氣出現的情況可以發現，該區域春季沙塵范圍均有所減小的趨勢。因此，從江浙滬近年春季沙塵發生次數逐漸減少的趨勢來看，這可能是夏季氣溶膠光學厚度峰值分布區域增大的原因，而春夏季節污染物大范圍輸送并不明顯[11]，因此2011年以后江浙滬夏季光學厚度有所增加，使得2011年以后AOD分布峰值由春季稍稍向夏季的轉移，這可能與局地污染物的迅速增長有關。

3 結論

MODIS遙感氣溶膠光學厚度與地面太陽光度計相比，能夠達到應用的精度，可以用于分析氣溶膠光學厚度的區域分布以及變化趨勢，并在時間、空間上具有更大的優勢。江浙滬地區是我國重要的經濟區，經濟發展迅速，因此研究這一地區氣溶膠的區域氣候效應、生態環境效應具有十分重要的意義。本文通過對江浙滬地區氣溶膠光學厚度的季節分布特征和年際變化分析發現：（1）江浙滬地區氣溶膠光學厚度高值區域有增大的趨勢；（2）季節AOD峰值有由春季向夏季轉移的趨勢；（3）冬季雖然是AOD值最低的季節，但也有略微增高的趨勢。

參考文獻

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[6]李成才.MODIS遙感氣溶膠光學厚度及應用于區域環境大氣污染研究[D].北京大學博士研究生學位論文，2002：122-166.

[7]夏祥鰲，王普才，陳洪濱，等.北方地區春季氣溶膠光學特性地基遙感研究[J].遙感學報，2005，9（4）：429-437.

[8]劉桂青，李成才，朱愛華，等.長江三角洲地區大氣氣溶膠光學厚度研究[J].上海環境科學，2003（S）：58-63.

[9]段婧，毛節泰.長江三角洲大氣氣溶膠光學厚度分布和變化趨勢研究[J].環境科學學報，2007，27（4）：537-543.

[10]中國氣象局.沙塵天氣年鑒2005年-2009[M].北京：氣象出版社，2010：17-21.

[11]張軍華，斯召俊，毛節泰，等.GMS衛星遙感中國地區氣溶膠光學厚度[J].大氣科學，2003，27（1）：23-30. （責編：張宏民）endprint

2.1 江浙滬區域氣溶膠光學厚度的季節分布

2.1.1 2011年結果分析 對2011年MODIS氣溶膠產品得到的江浙滬區域光學厚度的季節分布如圖2。從圖2中可以看出：AOD的分布強烈受到地形和人口密度以及工業分布的影響。由于大別山和黃山山脈以及丘陵的存在，長江中下游地區AOD的分布，形成宜昌-洞庭湖-武漢、鄱陽湖和徽南-江浙-長江三角洲地區實際上與華北地區連成一片，并受其影響[6]。

從2011年的平均值來看，1a中江浙滬地區，春季出現光學厚度的高值，江蘇的大部分地區光學厚度在春季都在0.7以上，特別是江蘇南部和上海出現光學厚度的最大值；夏季略有降低，表現在大值大范圍的縮小上；秋季繼續降低，大部分在0.5～0.6；到了冬季大部分地區降至最低，一般都在0.3～0.5。研究其原因可能有2點：一是春季氣候干燥風速大，加上北方沙塵暴天氣的影響[7]，造成AOD的最大值；二是秋冬季一般天氣晴好，相對濕度降低，使得AOD進一步降低。

2.1.2 2012年結果分析 2012年MODIS氣溶膠產品得到的江浙滬地區光學厚度的季節分布如圖3。

從圖3來看，春季、夏季、秋季均出現了高值，春季江蘇的大部分地區氣溶膠光學厚度值都在0.6以上，江蘇的南部AOD值跟北部相比，南部普遍大于北部，上海地區AOD值普遍達到0.8以上，浙江地區AOD普遍低于0.5；到了夏季長江以南的太湖以西和上海以南的平原AOD大于0.8，達到了最高值，上海附近有的地方還有AOD大于1.0的，江浙滬50%的地方在0.8以上；秋季江浙滬大部分地區AOD均在0.6以上；而不管是2011年還是2012年的AOD，冬季均是最低的。分析2012年夏季AOD高于春季的原因可能是由于夏季濕度較高，吸濕增長會使AOD增大；另外夏季光化學作用也會導致AOD增加。

3.2 江浙滬區域氣溶膠光學厚度的年際變化 由以上2a的平均值圖分析得到一個結果就是2a的季節AOD的峰值出現在不同的季節，一個是春季，一個是夏季。結合2011、2012各月AOD變化趨勢見圖4。

從圖4可以看出，2a各月的AOD平均值反映出春季和夏季是氣溶膠光學厚度出現高值的旺季，而且AOD季節分布最顯著的變化是峰值由春季轉向夏季，春季的AOD值有所減小，秋冬季節氣溶膠光學厚度均有所升高，其中秋季的升高尤其明顯。結合圖2、3、4可以看出，2012年一整年江浙滬地區出現高值的季節明顯比2011年多，江浙滬絕大部分地區氣溶膠光學厚度夏季大于春季，這與劉桂青等人2001-2002年分析的“春季出現氣溶膠光學厚度高值”[8]這個結果并不矛盾，因為2011年的春季也出現了高值，但是從2a的各月變化趨勢圖來看，正好說明了在2011-2012年間長江三角洲的氣溶膠光學厚度高值季節是由春季向夏季轉變的，這恰恰與毛節泰等人研究的2000-2005年的結果相吻合[9]。

從以上分析表明，江浙滬地區春季出現高值的原因可能與春季北方的沙塵天氣活躍有關，從沙塵天氣年鑒[10]可以看出江浙滬受沙塵影響顯著，對比2005-2010年江浙滬春季沙塵天氣出現的情況可以發現，該區域春季沙塵范圍均有所減小的趨勢。因此，從江浙滬近年春季沙塵發生次數逐漸減少的趨勢來看，這可能是夏季氣溶膠光學厚度峰值分布區域增大的原因，而春夏季節污染物大范圍輸送并不明顯[11]，因此2011年以后江浙滬夏季光學厚度有所增加，使得2011年以后AOD分布峰值由春季稍稍向夏季的轉移，這可能與局地污染物的迅速增長有關。

3 結論

MODIS遙感氣溶膠光學厚度與地面太陽光度計相比，能夠達到應用的精度，可以用于分析氣溶膠光學厚度的區域分布以及變化趨勢，并在時間、空間上具有更大的優勢。江浙滬地區是我國重要的經濟區，經濟發展迅速，因此研究這一地區氣溶膠的區域氣候效應、生態環境效應具有十分重要的意義。本文通過對江浙滬地區氣溶膠光學厚度的季節分布特征和年際變化分析發現：（1）江浙滬地區氣溶膠光學厚度高值區域有增大的趨勢；（2）季節AOD峰值有由春季向夏季轉移的趨勢；（3）冬季雖然是AOD值最低的季節，但也有略微增高的趨勢。

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[9]段婧，毛節泰.長江三角洲大氣氣溶膠光學厚度分布和變化趨勢研究[J].環境科學學報，2007，27（4）：537-543.

[10]中國氣象局.沙塵天氣年鑒2005年-2009[M].北京：氣象出版社，2010：17-21.

[11]張軍華，斯召俊，毛節泰，等.GMS衛星遙感中國地區氣溶膠光學厚度[J].大氣科學，2003，27（1）：23-30. （責編：張宏民）endprint

2.1 江浙滬區域氣溶膠光學厚度的季節分布

2.1.1 2011年結果分析 對2011年MODIS氣溶膠產品得到的江浙滬區域光學厚度的季節分布如圖2。從圖2中可以看出：AOD的分布強烈受到地形和人口密度以及工業分布的影響。由于大別山和黃山山脈以及丘陵的存在，長江中下游地區AOD的分布，形成宜昌-洞庭湖-武漢、鄱陽湖和徽南-江浙-長江三角洲地區實際上與華北地區連成一片，并受其影響[6]。

從2011年的平均值來看，1a中江浙滬地區，春季出現光學厚度的高值，江蘇的大部分地區光學厚度在春季都在0.7以上，特別是江蘇南部和上海出現光學厚度的最大值；夏季略有降低，表現在大值大范圍的縮小上；秋季繼續降低，大部分在0.5～0.6；到了冬季大部分地區降至最低，一般都在0.3～0.5。研究其原因可能有2點：一是春季氣候干燥風速大，加上北方沙塵暴天氣的影響[7]，造成AOD的最大值；二是秋冬季一般天氣晴好，相對濕度降低，使得AOD進一步降低。

2.1.2 2012年結果分析 2012年MODIS氣溶膠產品得到的江浙滬地區光學厚度的季節分布如圖3。

從圖3來看，春季、夏季、秋季均出現了高值，春季江蘇的大部分地區氣溶膠光學厚度值都在0.6以上，江蘇的南部AOD值跟北部相比，南部普遍大于北部，上海地區AOD值普遍達到0.8以上，浙江地區AOD普遍低于0.5；到了夏季長江以南的太湖以西和上海以南的平原AOD大于0.8，達到了最高值，上海附近有的地方還有AOD大于1.0的，江浙滬50%的地方在0.8以上；秋季江浙滬大部分地區AOD均在0.6以上；而不管是2011年還是2012年的AOD，冬季均是最低的。分析2012年夏季AOD高于春季的原因可能是由于夏季濕度較高，吸濕增長會使AOD增大；另外夏季光化學作用也會導致AOD增加。

3.2 江浙滬區域氣溶膠光學厚度的年際變化 由以上2a的平均值圖分析得到一個結果就是2a的季節AOD的峰值出現在不同的季節，一個是春季，一個是夏季。結合2011、2012各月AOD變化趨勢見圖4。

從圖4可以看出，2a各月的AOD平均值反映出春季和夏季是氣溶膠光學厚度出現高值的旺季，而且AOD季節分布最顯著的變化是峰值由春季轉向夏季，春季的AOD值有所減小，秋冬季節氣溶膠光學厚度均有所升高，其中秋季的升高尤其明顯。結合圖2、3、4可以看出，2012年一整年江浙滬地區出現高值的季節明顯比2011年多，江浙滬絕大部分地區氣溶膠光學厚度夏季大于春季，這與劉桂青等人2001-2002年分析的“春季出現氣溶膠光學厚度高值”[8]這個結果并不矛盾，因為2011年的春季也出現了高值，但是從2a的各月變化趨勢圖來看，正好說明了在2011-2012年間長江三角洲的氣溶膠光學厚度高值季節是由春季向夏季轉變的，這恰恰與毛節泰等人研究的2000-2005年的結果相吻合[9]。

從以上分析表明，江浙滬地區春季出現高值的原因可能與春季北方的沙塵天氣活躍有關，從沙塵天氣年鑒[10]可以看出江浙滬受沙塵影響顯著，對比2005-2010年江浙滬春季沙塵天氣出現的情況可以發現，該區域春季沙塵范圍均有所減小的趨勢。因此，從江浙滬近年春季沙塵發生次數逐漸減少的趨勢來看，這可能是夏季氣溶膠光學厚度峰值分布區域增大的原因，而春夏季節污染物大范圍輸送并不明顯[11]，因此2011年以后江浙滬夏季光學厚度有所增加，使得2011年以后AOD分布峰值由春季稍稍向夏季的轉移，這可能與局地污染物的迅速增長有關。

3 結論

MODIS遙感氣溶膠光學厚度與地面太陽光度計相比，能夠達到應用的精度，可以用于分析氣溶膠光學厚度的區域分布以及變化趨勢，并在時間、空間上具有更大的優勢。江浙滬地區是我國重要的經濟區，經濟發展迅速，因此研究這一地區氣溶膠的區域氣候效應、生態環境效應具有十分重要的意義。本文通過對江浙滬地區氣溶膠光學厚度的季節分布特征和年際變化分析發現：（1）江浙滬地區氣溶膠光學厚度高值區域有增大的趨勢；（2）季節AOD峰值有由春季向夏季轉移的趨勢；（3）冬季雖然是AOD值最低的季節，但也有略微增高的趨勢。

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[9]段婧，毛節泰.長江三角洲大氣氣溶膠光學厚度分布和變化趨勢研究[J].環境科學學報，2007，27（4）：537-543.

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[11]張軍華，斯召俊，毛節泰，等.GMS衛星遙感中國地區氣溶膠光學厚度[J].大氣科學，2003，27（1）：23-30. （責編：張宏民）endprint