中國地區氣溶膠光學厚度時空分布特征研究

周俊浩，周永波，劉吉軍，彭 洋（.解放軍理工大學氣象海洋學院，0；.解放軍985部隊，5000；.解放軍95455部隊氣象臺，56000）

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中國地區氣溶膠光學厚度時空分布特征研究

周俊浩1，周永波1，劉吉軍2，彭 洋3
（1.解放軍理工大學氣象海洋學院，211101；2.解放軍92853部隊，125000；3.解放軍95455部隊氣象臺，563000）

摘要：本文基于星載激光雷達（CALIPSO）數據，反演得到氣溶膠光學厚度（AOD）。將中國地區劃分為東北、華北等7個區域，對各區域不同季節的氣溶膠光學厚度進行統計分析。結果顯示，各區域氣溶膠光學厚度差異較大，其大小與沙塵氣溶膠和污染氣溶膠的發生頻率有較大的相關性；不同季節的氣溶膠光學厚度差異較大，其中秋季最大，夏季最小。

關鍵詞：氣溶膠； AOD；CALIPSO；分布特征

0 引言

氣溶膠是指懸浮在大氣中的固體和液體顆粒，如塵埃、煙粒、花粉等。IPCC報告指出，氣溶膠和云是影響氣候的兩個最大不確定因素。氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）是氣溶膠消光系數在垂直方向上的積分，表示整層大氣中氣溶膠的消光能力，是氣溶膠的一個重要光學特性參量，能夠在一定程度上表征大氣污染程度。氣溶膠分為沙塵型、污染型、海洋型等不同類型，各類型氣溶膠的光學特性相差很大，研究氣溶膠光學厚度的時空分布，對于天氣預報、環境治理、交通運輸等領域有著重要的意義。

中國地區幅員廣闊，各區域氣候、地形、人口分布有很大的差異，這些都導致了氣溶膠光學厚度時空分布特征不同。同時不同季節的氣溶膠光學厚度分布也有不同的特征，所以分區域、分季節對中國地區氣溶膠光學厚度進行研究，能更加準確地了解中國地區氣溶膠分布情況，為天氣預報、污染治理等提供參考。

1 數據來源

CALIPSO（The Cloud-Aerosol LIDAR Infrared Pathfinder Satellite Observation）是一顆于2006年4月28日由美國國家航天局（NASA）聯合Fibertek公司、CNES成功發射的太陽同步極軌衛星。該衛星軌道高度為705km，衛星傾角98.2度，圖1為該衛星在太空中運行情況。該衛星每繞地球一圈96min，每16天獲取一次全球氣溶膠和云層的三維信息。CALIPSO衛星的發射是建立在1994年美國航天飛機激光雷達試驗LITE的基礎上的，其搭載的主動遙感儀器：雙偏振激光雷達CALIOP、被動遙感儀器WFC以及IIR分別在可見光和紅外區域增加了目前的測量手段。

圖1 運行中的CALIPSO衛星

作為第一個能夠連續觀測并提供全球觀測數據的星載激光雷達，CALIOP能夠得到氣溶膠和云垂直分布信息、消光系數的垂直分布信息并能以高分辨率區分出不同類型的云和氣溶膠。不同于目前其他主要的衛星被動遙感儀器，CALIOP能夠在亮地表以及有云的情況下獲得良好的觀測結果；同時在與CALIPSO搭載的其他的載荷共同工作的條件下，CALIOP得到的云數據能夠極大的減小云粒子尺度和反射率反演中的不確定度。本文利用CALIOP反演得到的氣溶膠光學厚度信息進行統計分析。

為了更好的對不同地區不同季節的氣溶膠進行分析比較，將中國地區劃分為7個區域。表1為7個區域的經緯度劃分情況和所包含的主要地形，可以看出東北、華北、華東區域主要以平原地區為主，而其他區域地形則相對復雜。

表1 中國地區7個區域的經緯度劃分和主要地形

2 中國地區氣溶膠光學厚度時空分布特征

2.1 總體分布特征

圖2為2012年中國地區1ο×1ο水平分辨率的氣溶膠光學厚度平均值。從圖中可以發現在華北-東北地區（30～50οN，115～125οE）、華南地區（20～25οN，100～110οE）、西北地區（36～45οN，76～91οE）、西南地區（22～28οN，85～95οE）四個區域的氣溶膠光學厚度較大。其中，華北-東北和西南地區光學厚度最大，最大可達到0.7以上，西北地區次之，在0.4～0.6之間，華南地區部分區域達到0.5。初步分析氣溶膠光學厚度分布原因：華北-東北地區工業發達，人口密集，人類活動頻繁，有時還受到來自西北的沙塵影響，所以氣溶膠光學厚度較大；西南地區人口密集，且多山地、盆地地形，不利于氣溶膠的擴散；西北地區沙漠覆蓋面積廣，同時屬于典型的大陸性氣候，由自然因素產生的氣溶膠導致光學厚度較大；華南地區同華北地區類似，屬于工業發達、人口密集地區。

為了揭示造成不同地區光學厚度不同的原因，本文對不同類型氣溶膠的發生頻率進行統計，發生頻率是指一定大小網格中CALIPSO探測到該類型氣溶膠的頻數與該網格中探測廓線數的比值。在所有氣溶膠類型中，沙塵型和污染型的氣溶膠對光學厚度的影響較大，其中污染型氣溶膠是由污染大陸型以及污染沙塵型氣溶膠組成。圖3為2012年中國地區沙塵型和污染型氣溶膠發生頻率。

由圖3可知，對于沙塵型氣溶膠，在（35～44οN，75～95οE）的區域發生頻率非常大，很多都在0.7以上，我國最大兩個沙漠——塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠就位于該區域中，所以沙塵型氣溶膠發生頻率很大；而在（35～43οN，98～120οE）區域也存在一個沙塵氣溶膠發生頻率較大的區域，具體涵蓋了黃土高原、華北平原等地，這些地區一方面由于地面揚沙，另一方面由于冬季風從西北地區帶來大量沙塵氣溶膠，所以導致該地區的沙塵型氣溶膠發生頻率也較大。對于污染型氣溶膠，在（30～45οN，105～130οE）、（322～28οN，85～95οE）和（20～25οN，107～120οE）的區域發生頻率較大，其中華北-東北地區和西南地區發生頻率普遍在0.6以上，華南地區部分區域在0.4～0.6。這三個區域內工業發達，人口密集，導致人為產生的污染型氣溶膠發生頻率較大。由以上分析可以得出結論：西北地區氣溶膠光學厚度較大主要是由于沙漠產生大量的沙塵氣溶膠；華北-東北地區氣溶膠光學厚度偏大是由于人為的污染型氣溶膠和來自西北方向的沙塵型氣溶膠共同作用的結果；西南、華南地區氣溶膠光學厚度偏大主要是人為的污染型氣溶膠造成的。

圖2 2012年中國地區氣溶膠光學厚度分布（1ο×1ο分辨率）

2.2 時空分布特征

圖4為各區域月平均光學厚度變化情況，圖5為對應的區域平均標準差。從圖4中可知，各地區的月平均光學厚度隨月份變化較明顯，光學厚度最大的9月份達到0.12，最小的6月份僅為0.07。光學厚度隨月份的分布總體呈現一個“V”字形，即1～6月平均光學厚度逐漸減小，6～9月平均光學厚度逐漸增大，9～12月平均光學厚度變化不明顯。考慮不同地區間的差別，光學厚度最大的地區為東北地區，全年平均光學厚度達到0.11，而最小的西南地區僅為0.06。光學厚度由大到小的地區依次為東北＞華北＞華東＞華中＞西北＞華南＞西南。可以看出，光學厚度的排序與圖2中的總體分布特征差別較大，如華南、西南地區，在總體特征描述中存在光學厚度較大的區域。分析其原因，是由于華南、西南地區雖然有部分區域光學厚度較大，但本地區其他區域的光學厚度較小，所以地區的均值會偏小。而華東、華中地區雖然沒有光學厚度特別大的區域，但地區總體光學厚度較大。結合分析圖3，東北、華北、華東、華中4個地區沙塵型和污染型氣溶膠發生頻率均較大；西北地區沙塵型氣溶膠發生頻率較大，而受污染型氣溶膠影響較小；華南、西南地區受污染型氣溶膠影響較大，而幾乎不受沙塵型氣溶膠的影響。對各地區月平均光學厚度變化的分析可得出結論：當某地區受到沙塵型氣溶膠和污染型氣溶膠雙重影響時，總氣溶膠光學厚度較大。

圖4 2012年各地區月平均光學厚度

圖5 2012年各地區光學厚度平均標準差

圖5顯示，各區域光學厚度平均標準差隨月份的變化沒有圖4中的變化明顯，總體分布呈現“W”形。而地區間的差異較明顯，標準差最大的地區為華東地區，全年平均為0.054，最小的西北地區為0.035。標準差由大到小依次為華東＞華中＞華北＞東北＞華南＞西南＞西北。這可能是由于華中、華東等地區的氣溶膠光學厚度受其他影響因素較多，如受到天氣形勢、季風氣候的影響，所以光學厚度變化幅度較大，而西北地區全年干燥少雨，天氣形勢較穩定，所以氣溶膠光學厚度變化幅度較小。

圖6為各地區季節平均光學厚度變化情況，光學厚度由大到小的季節依次為秋季＞冬季＞春季＞夏季。因為秋、冬、春3個季節中國大部分地區受到冬季風帶來的沙塵氣溶膠的影響，所以氣溶膠較大，而夏季受到從海洋來的夏季風影響，氣溶膠光學厚度相對較小，這與李成才等利用MODIS資料研究中國東部地區氣溶膠光學厚度的季節變化結果相一致。此外，中國大部分地區夏季降水較多，在一定程度上減小了氣溶膠光學厚度。

3 結果

通過對中國地區氣溶膠光學厚度分布進行分析，得到以下結論：

（1）氣溶膠光學厚度存在局部較大區域與沙塵氣溶膠和污染氣溶膠的發生頻率有關，兩種類型氣溶膠發生頻率越大，氣溶膠光學厚度越大；

（2）各地區氣溶膠光學厚度差異較大，光學厚度由大到小的地區依次為東北＞華北＞華東＞華中＞西北＞華南＞西南，這與各區域的氣候、地形等因素有關；

（3）各季節氣溶膠光學厚度差異較大，光學厚度由大到小的季節依次為秋季＞冬季＞春季＞夏季，這可能是受季風的影響較大。

參考文獻

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圖6 2012年各地區季節平均光學厚度

Study on the Time-space Distribution Characteristics of AOD in China

Zhou Junhao1，Zhou Yongbo1，Liu Jijun2，Peng Yang2
（1.College of Meteorology and Oceangraphy，PLA Univ.of Sci.& Tech.，Nanjing Jiangsu，211101，China 2. PLA unit 92853，Huludao Liaoning 125000，China 3.PLA unit 95455，Meteorological Observatory，Zunyi Guizhou，563000，China）

Abstract：The aerosol optical depth （AOD） was inverted based on the data of space-borne lidar（CALIPSO）in the paper.The China region was divided into seven areas，like Northeast，North China and so on.And the statistical analysis on the AOD of different seasons in these areas showed that the AOD of these areas was quite different which was quite influenced by the frequency of occurrence of dust aerosols and pollution aerosols，and the AOD was quite different in seasons，in which the greatest was in autumn and least was in summer.

Keywords：Aerosol；AOD；CALIPSO；Distribution characteristic