AOD分布的地區(qū)差異及影響因素分析

許艾米　陸德輝　李文婷

摘 要：利用2000年2月～2009年2月的MODIS遙感氣溶膠光學厚度（AOD）資料，研究了AOD在我國的空間分布特征，采用偏相關(guān)性分析等統(tǒng)計方法研究溫度、降水、濕度、風場等氣象要素場以及排放源等因素對AOD的影響。結(jié)果表明：AOD的分布具有明顯的地區(qū)差異，有6個高值區(qū)，分別是華北平原、蘇皖地區(qū)、四川盆地、長江中下游平原、珠江三角洲和南疆盆地；不同季節(jié)AOD的空間分布類似，但又存在一定的差異，從春季到冬季逐漸遞減；華北平原AOD春季受北方沙塵天氣外來輸送的影響最大，夏季則主要與本地人為排放源正相關(guān)，秋、冬2季受風場影響最大；四川盆地AOD與降水呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，春季主要受北方沙塵天氣外來輸送的影響，夏季與溫度正相關(guān)，秋、冬季則主要受人為排放源的影響。

關(guān)鍵詞：AOD；氣象要素；相關(guān)系數(shù)；偏相關(guān)系數(shù)；PM10

中圖分類號：P4 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160432206

引 言

科學研究發(fā)現(xiàn)，全球的暖化，很大程度上與氣溶膠有關(guān)[1]。氣溶膠通常是指懸浮于大氣中直徑<10μm的微粒，它們一方面可以將太陽光反射到太空中，從而冷卻大氣，使大氣能見度變壞。另一方面卻能通過微粒散射、漫射和吸收一部分太陽輻射，減少地面長波輻射的外逸，使大氣升溫。我國作為最大的發(fā)展中國家，氣溶膠含量都處在較高程度。因此，了解我國大氣氣溶膠多年來的時空分布狀況以及對影響它的因素進行分析研究，具有十分重要的意義。

1 資料來源

AOD即氣溶膠光學厚度，定義為介質(zhì)的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，是表征大氣混濁度和氣溶膠含量的一個重要物理量，所以在研究中多用光學厚度值來反演大氣氣溶膠含量。本文所用AOD資料是NASA發(fā)布的MODIS Level2的氣溶膠數(shù)據(jù)集，時間從2000年2月～2009年2月的550nm月平均格點數(shù)據(jù)；氣象要素場采用NCEP/NCAR再分析資料全球2.5°×2.5°網(wǎng)格點的同時間的月平均資料；API指數(shù)（空氣污染指數(shù)）從中華人民共和國環(huán)境保護部網(wǎng)站上下載的逐日站點數(shù)據(jù)資料。

2 AOD分布的地區(qū)差異及華北平原、四川盆地的影響因素分析

2.1 AOD分布的地區(qū)差異

由我國2000～2008年9a平均AOD分布圖（圖1）可以看出，我國AOD分布具有明顯的地區(qū)差異，總體是東部>西部，北部>南部，共有6個高值區(qū)，分別是華北平原、蘇皖地區(qū)、四川盆地、長江中下游平原、珠江三角洲、南疆盆地[2]（由于MODIS產(chǎn)品在南疆盆地適應性不好，該地區(qū)部分數(shù)據(jù)缺失，但由前人的研究以及圖中隱約可以看出南疆盆地是一個高值區(qū)）。

同樣方法繪制2000～2008年我國中東部地區(qū)春、夏、秋、冬季9a平均AOD分布圖（圖略），可得，AOD四季的平均分布情況存在明顯的季節(jié)差異，總體來說，從春季到冬季呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢。

2.2 AOD分布的影響因素分析

綜上所述，AOD的分布具有明顯的地區(qū)差異，由于篇幅有限，本文挑選四川盆地和華北平原2個具有典型性特點的大值區(qū)進行分析。將初步處理的9a AOD季節(jié)平均數(shù)據(jù)對華北平原進行區(qū)域平均，得到四季AOD隨時間變化的序列曲線（見圖2）。同樣方法得到四季的降水、溫度、濕度隨時間變化的序列曲線（圖略）。為了消除降水、溫度、濕度、風場之間的相互作用關(guān)系，分別計算AOD與這4個因素的偏相關(guān)系數(shù)（見表1）。

用初步處理好的位于華北平原（如北京、天津等站）的月平均數(shù)據(jù)資料進行季節(jié)平均，得到9a的季節(jié)平均的結(jié)果，再分四季計算PM10指數(shù)與AOD的相關(guān)系數(shù)，得到表2。四川盆地的繪圖方法與華北平原相同。

2.2.1 華北平原AOD的影響因素分析

2.2.1.1 外來輸送、降水、溫度、濕度對AOD分布的影響分析

如圖2所示，AOD值全年在夏季最大，其次是春、秋季，冬季最小。由表1看出，華北地區(qū)AOD的影響因素具有明顯的季節(jié)變化。春季AOD與降水偏相關(guān)系數(shù)可達0.8220，為正相關(guān)，與溫度無相關(guān)關(guān)系，與濕度正相關(guān)；夏季，AOD與各因子間的相關(guān)性都不好；秋季AOD與降水不相關(guān)，與溫度正相關(guān)，與濕度負相關(guān)；冬季AOD與降水、溫度和濕度基本不相關(guān)。

春季華北平原AOD的主要影響因素是沙塵天氣的外來輸送[3]。春季華北地區(qū)干燥，降水少（圖略），在空氣干燥的情況下，適量的降水有利于濕度的增加，水溶性氣溶膠吸濕膨脹導致AOD含量增加。夏季降水、溫度和濕度都明顯高于其它季節(jié)，理論上應受其影響大，但計算出的偏相關(guān)結(jié)果不盡如人意，可能是因為影響夏季AOD分布還有其它因素，對此將在后文進行分析。秋季降水量除2002、2006～2008年比春季低外僅次于夏季（圖略），濕度位于第2，濕溫共同作用會影響氣溶膠的形成。空氣中濕度大，有益于降水形成，雨水的沖刷又大大縮短氣溶膠的生命期，使AOD含量減少，表現(xiàn)為與AOD呈現(xiàn)負相關(guān)；溫度與春季基本相同，溫度越大，也有利于氣溶膠的生成。冬季由表1看出都不相關(guān)，可能有其它因素影響。

2.2.1.2 風場對AOD分布的影響

分析計算AOD與風速的偏相關(guān)系數(shù)后發(fā)現(xiàn)相關(guān)性不具特征，故文中只討論風向?qū)OD分布的影響。采用地面位勢高度場來表征風場的分布特征。由2000～2008年9a季節(jié)平均的位勢高度場分布（圖3）可看出，春、夏季的風場對華北平原AOD的分布影響不大。秋季華北平原處于蒙古高壓前部的控制下，為西北—東南向氣流，利于氣溶膠的稀釋或擴散，導致秋季華北平原AOD含量較春、夏季迅速回落。冬季仍處于蒙古高壓前部，表現(xiàn)為南北向氣流，等壓線更密，對氣溶膠的稀釋更大，所以AOD又有所下降。總而言之，秋、冬季AOD的分布受風場影響大。

2.2.1.3 PM10與AOD的關(guān)系

PM10的排放量最大的省份分別是山東、河北、江蘇、河南和廣東[4]，這與AOD大值區(qū)相吻合。由表2知PM10指數(shù)與AOD（除冬季外）呈正相關(guān)，對于華北平原這樣的人口密集區(qū)來說，PM10含量越大，空氣質(zhì)量狀況越差，AOD含量就越高。在夏季相關(guān)性最好，所以夏季影響AOD的主要因素為人為源的排放。

2.2.2 四川盆地AOD的影響因素分析

2.2.2.1 氣象要素場對AOD分布的影響

與華北平原分析方法類似，四川盆地AOD的含量春季最大（圖略），秋、冬季次之，夏季除2001、2006～2008年外AOD含量最低。春季AOD與降水負相關(guān)（表1），與溫度相關(guān)性不大，與濕度正相關(guān)；夏季與降水、濕度基本不相關(guān)，與溫度正相關(guān)；秋季與降水負相關(guān)，與其它因素不相關(guān)；冬季與降水負相關(guān)，濕度正相關(guān)，與溫度相關(guān)性不大。由于NCEP/NCAR再分析資料在四川盆地的精度不高，所以AOD和風場的偏相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果存在較大誤差，但已知盆地內(nèi)風速全年都是很小的[7]。因此在該地區(qū)，風場對AOD的影響不顯著。

同樣的方法繪制四川盆地四季的降水、溫度、濕度隨時間變化的序列曲線（圖略），分析可得，春季該地區(qū)濕度為全年最小，空氣干燥，降水也不多，雨水對氣溶膠的沖刷少，有利于AOD的堆積，表現(xiàn)為降水量與AOD負相關(guān)。夏季降水為全年最大，雨量充沛，雨水的沖刷會很大程度的縮短氣溶膠的生命期[8-9]，所以夏季AOD含量最小，但可能降水多會導致觀測誤差，本文中計算結(jié)果負相關(guān)性很小。夏季氣溫高，濕度大，在溫濕共同作用下，水溶性氣溶膠粒子吸濕膨脹導致AOD含量增大，因此AOD與溫度正相關(guān)。秋季，濕度為全年最大，有利于氣溶膠的生成，而降水較夏季明顯減小，不利于氣溶膠的擴散沖刷，所以AOD含量又增加，與降水表現(xiàn)為負相關(guān)。冬季降水少，但濕度較大，有利于氣溶膠的形成，所以AOD含量與濕度正相關(guān)。

2.2.2.2 AOD與PM10指數(shù)的相關(guān)關(guān)系

四川盆地以成都、重慶為代表的人口密集城市中，人類活動產(chǎn)生的地面排放源對AOD的影響是不容忽視的，四川省的PM10含量也位居前列[5]。如表2所示，四川盆地PM10與AOD夏、秋季相關(guān)性較好，春、冬季基本不相關(guān)。總的來說，AOD的含量受空氣質(zhì)量影響。此外，由于盆地內(nèi)風速小，工業(yè)燃煤等人為排放源生成的有效半徑較大的吸收型氣溶膠堆積，水平擴散條件差，從而導致AOD含量全國范圍內(nèi)（除夏季外）處于首位。

3 結(jié) 語

我國AOD共有6個高值區(qū)域，分別是華北平原、蘇皖地區(qū)、四川盆地、長江中下游平原、珠江三角洲和南疆盆地；

不同季節(jié)的AOD空間分布特征類似，但又存在一定的季節(jié)差異，從春季到冬季逐漸遞減；

不同地區(qū)不同季節(jié)AOD的影響因素不同。華北平原AOD含量春季受北方沙塵天氣外來輸送的影響最大，夏季則主要與本地人為源的排放正相關(guān)，秋、冬季受風場影響最大。此外，全年還可能受到降水、溫度、濕度的影響，但程度因季節(jié)而異；四川盆地AOD含量與降水負相關(guān)。春季主要受北方沙塵天氣的外來輸送的影響，夏季與溫度正相關(guān)，秋、冬季主要受人為排放源的影響，還與溫濕因素有關(guān)。

參考文獻

[1] Anderson T L，Charlson R J，Schwartz S E，et al.Climate forcing by aerosols—a hazy picture[J].Science，2003，300（4）：1103-1104.

[2] 李維亮，周秀驥.20世紀80年代中國地區(qū)大氣氣溶膠光學厚度的平均狀況分析[J].氣象學報，2001，59（1）：77-87.

[3] 韓晶晶，王式功，祁斌，等.氣溶膠光學厚度的分布特征及其與沙塵天氣的關(guān)系[J].中國沙漠，2006，26（3）：362-369.

[4] 田賀忠，郝吉明，陸永琪，等.中國氮氧化物排放清單及分布特征[J].中國環(huán)境科學，2001，21（6）：493-497.

[5] 張萬誠，田永麗，和春榮，等.用MODIS遙感中國西南地區(qū)氣溶膠光學厚度的對比研究[J].云南大學學報（自然科學版），2009，31（S2）：421-425.

作者簡介：許艾米（1989-），湖北荊州人，專業(yè)或研究方向：大氣科學、天氣預報。