基于MODIS數(shù)據(jù)的環(huán)渤海地區(qū)氣溶膠時空變化特征分析*

紀曉璐 廉麗姝 周甜甜 于鳳碩

(曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，山東 日照 276826)

基于MODIS數(shù)據(jù)的環(huán)渤海地區(qū)氣溶膠時空變化特征分析*

紀曉璐 廉麗姝#周甜甜 于鳳碩

(曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，山東 日照 276826)

利用2000—2015年美國國家航空航天局的Aqua衛(wèi)星 MODIS 2級氣溶膠產(chǎn)品MOD04數(shù)據(jù)，探討了環(huán)渤海地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)的時空變化特征。結(jié)果表明：(1)環(huán)渤海地區(qū)的AOD年均值空間分布與海拔密切相關(guān)，高海拔地區(qū)AOD普遍較低，而低海拔地區(qū)AOD普遍較高。污染最嚴重的季節(jié)為夏季，AOD與空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)相關(guān)性較高。(2)16年來，環(huán)渤海地區(qū)AOD年均值為0.465～0.682，2012年最高，2001年最低，平均值為0.592，遠高于全球陸上平均水平0.190。年內(nèi)變化呈現(xiàn)雙峰型，最高值出現(xiàn)在7月，最低值出現(xiàn)在12月。AOD年內(nèi)變化與風(fēng)速呈負相關(guān)關(guān)系。

氣溶膠光學(xué)厚度 時空分布 變化特征 MODIS數(shù)據(jù) 環(huán)渤海地區(qū)

大氣氣溶膠粒子的直徑一般為0.001～100.000 μm，其組分復(fù)雜、來源多樣[1]。雖然氣溶膠粒子粒徑和質(zhì)量微小，在大氣成分中所占質(zhì)量分數(shù)很小，但其可以通過散射和吸收太陽輻射影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡，通過凝結(jié)核影響云和降水過程，因此對區(qū)域乃至全球氣候都有重要影響。同時，氣溶膠還是局地光化學(xué)煙霧的重要原因，影響大氣能見度和人類健康。氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)是描述氣溶膠對光的衰減作用的重要參數(shù)，通常AOD高預(yù)示著氣溶膠縱向積累的增長，導(dǎo)致大氣能見度降低。AOD在推算氣溶膠含量、評估大氣污染程度、確定氣溶膠氣候效應(yīng)方面都具有重要作用[2-4]，因此其時空分布和變化特征引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-8]。

環(huán)渤海地區(qū)包括遼東半島、山東半島和京津冀，同時延伸輻射到遼寧省、山東省、山西省以及內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部，是繼“珠江三角洲”、“長江三角洲”地區(qū)之后， 中國經(jīng)濟增長的“第三極”。因此，由工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放等產(chǎn)生的空氣污染物日益增加，導(dǎo)致灰霾天氣頻發(fā)，對人體健康構(gòu)成嚴重影響。環(huán)渤海地區(qū)關(guān)于AOD的研究主要集中在北京市及其周邊的京津冀地區(qū)[9-12]。本研究對環(huán)渤海地區(qū)的AOD研究擴大到了遼寧省、山東省和京津冀區(qū)域，利用MODIS 2級氣溶膠產(chǎn)品MOD04數(shù)據(jù)分析該地區(qū)AOD的時空變化特征，以期為環(huán)渤海地區(qū)大氣氣溶膠的區(qū)域性研究提供依據(jù)。

1 方 法

1.1 數(shù)據(jù)來源

AOD數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局(NASA)網(wǎng)站(http://ladsweb.nascom.nasa.gov)發(fā)布的Aqua衛(wèi)星MODIS 2級氣溶膠產(chǎn)品MOD04數(shù)據(jù)，空間分辨率為10 km×10 km，時間范圍是從2000年3月到2016年2月(即2000—2015年)，波長取550 nm處。

數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/search)，由NASA的“奮進號”衛(wèi)星的航天飛機雷達地形測繪任務(wù)(SRTM)提供，分辨率為90 m，由此得到的環(huán)渤海地區(qū)地勢圖如圖1所示。

圖1 環(huán)渤海地區(qū)地勢圖Fig.1 Chorography of the areas around Bohai Sea region

風(fēng)速數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)數(shù)據(jù)來自環(huán)境保護部數(shù)據(jù)中心(http://datacenter.mep.gov.cn/)。

1.2 研究方法

采用MOD04每日AOD數(shù)據(jù)，利用ENVI軟件和ArcGIS軟件對其進行預(yù)處理，作出2000—2015年環(huán)渤海地區(qū)AOD年均值空間分布圖和各季節(jié)多年平均值空間分布圖，并分析年際變化特征和年內(nèi)變化特征。

季節(jié)劃分為春季3月至5月、夏季6月至8月、秋季9月至11月、冬季12月至次年2月。

選取了沈陽市、大連市、天津市、北京市、濟南市、石家莊市6個不同海拔高度且人口相對密集、經(jīng)濟較為發(fā)達的典型城市進行重點分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)渤海地區(qū)AOD空間分布特征

2.1.1 年均值的空間分布特征

2000—2015年間環(huán)渤海地區(qū)的AOD年均值空間分布如圖2所示。天津市、山東省西南部和河北省東南部等人口密集、經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)AOD較高；而河北省北部太行山沿線的AOD較低，原因是這里海拔高、植被多且重工業(yè)不發(fā)達。

與環(huán)渤海地區(qū)地勢圖(見圖1)比較發(fā)現(xiàn)，AOD分布與海拔密切相關(guān)，高海拔地區(qū)AOD普遍較低，而低海拔地區(qū)AOD普遍較高。當(dāng)然，局地污染源對AOD也有影響，如遼寧省東部和山東省中部海拔相差不大，但是山東省中部的AOD要比遼寧省東部高。

圖2 2000—2015年環(huán)渤海地區(qū)AOD年均值空間分布Fig.2 Annual AOD spatial distribution around Bohai Sea region during 2000-2015

2.1.2 不同季節(jié)的空間分布特征

圖3分析了2000—2015年間環(huán)渤海地區(qū)不同季節(jié)的AOD多年平均值空間分布特征。由圖3(a)可見，春季AOD相對較低，均在0.9以下，0.6以上的區(qū)域主要集中在環(huán)渤海地區(qū)中部和南部，主要是工業(yè)污染的影響。由圖3(b)可見，夏季污染最嚴重，山東省西部、北部以及北京市、天津市、河北省南部的AOD均處于>1.2～1.5，這是因為夏季高溫高濕的天氣狀況有利于霧霾的形成，導(dǎo)致AOD增高。由圖3(c)可見，秋季AOD的高值區(qū)主要分布在山東省西南部和河北省南部。由圖3(d)可見，冬季AOD的高值區(qū)主要分布在山東省西部和遼寧省東北部，這兩個地區(qū)是海拔相對較高的丘陵或山地，冬季風(fēng)速較小，不利于氣溶膠的擴散。

有不少學(xué)者研究了AOD與AQI以及PM2.5或PM10之間的相關(guān)關(guān)系[13-19]，但年均值的直接相關(guān)程度較低，在考慮季節(jié)后相關(guān)程度大有提高。這里分析了2014—2015年的環(huán)渤海地區(qū)6個典型城市的AQI與AOD相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)春、夏、秋、冬四季的相關(guān)系數(shù)(置信度99%)分別為0.655、0.556、0.432、0.495，相關(guān)性較高，特別是春、夏季。

圖3 2000—2015年環(huán)渤海地區(qū)AOD各季節(jié)多年平均值空間分布Fig.3 Spatial distribution of seasonal AOD around Bohai Sea region during 2000-2015

圖4 環(huán)渤海地區(qū)AOD年均值年際變化Fig.4 Inter-annual variations of annual AOD around Bohai Sea region during 2000-2015

2.2 環(huán)渤海地區(qū)AOD時間變化特征

2.2.1 年際變化特征

由圖4可以看出，近16年來環(huán)渤海地區(qū)的AOD年均值為0.465～0.682，2012年最高，2001年最低，平均值為0.592，遠高于全球陸上平均水平0.190。其中濟南市、天津市、石家莊市AOD年均值較高，而沈陽市、北京市、大連市的AOD年均值較低。

2.2.2 年內(nèi)變化特征

由圖5可以看出，環(huán)渤海地區(qū)的AOD年內(nèi)變化基本呈現(xiàn)較為典型的雙峰型，最高值出現(xiàn)在7月，最低值出現(xiàn)在12月。各典型城市AOD年內(nèi)變化與整個環(huán)渤海地區(qū)基本相似。

圖5 環(huán)渤海地區(qū)AOD月均值年內(nèi)變化Fig.5 Variations of monthly AOD around Bohai Sea region

已有研究表明，AOD年內(nèi)變化與風(fēng)速的年內(nèi)變化相關(guān)，當(dāng)風(fēng)速較大時，大氣流動加強，擴散與稀釋作用使得顆粒物的濃度顯著降低，AOD較低；而風(fēng)速較小時，大氣流動減弱，顆粒物容易積聚，導(dǎo)致AOD上升[20-21]。這里研究了環(huán)渤海地區(qū)6個典型城市2014—2015年共24個月的風(fēng)速與AOD之間的關(guān)系。結(jié)果表明，平均風(fēng)速最大的大連市AOD最小，而平均風(fēng)速最小的石家莊市AOD最大。對每個城市來說，風(fēng)速大的月份AOD小，風(fēng)速小的月份AOD大。由此可見，風(fēng)速與AOD呈負相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié) 語

(1) 環(huán)渤海地區(qū)的AOD年均值空間分布與海拔密切相關(guān)，高海拔地區(qū)AOD普遍較低，而低海拔地區(qū)AOD普遍較高。污染最嚴重的季節(jié)為夏季，AOD與AQI相關(guān)性較高。

(2) 近16年來環(huán)渤海地區(qū)的AOD年均值為0.465～0.682，2012年最高，2001年最低，平均值為0.592，遠高于全球陸上平均水平0.190。年內(nèi)變化呈現(xiàn)雙峰型，最高值出現(xiàn)在7月，最低值出現(xiàn)在12月。AOD年內(nèi)變化與風(fēng)速呈負相關(guān)。

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TemporalandspatialvariationcharacteristicsanalysisofaerosolaroundBohaiSearegionbasedonMODISdata

JIXiaolu,LIANLishu,ZHOUTiantian,YUFengshuo.

(GeographyandTourismCollege,QufuNormalUniversity,RizhaoShandong276826)

Temporal and spatial variation characteristics of aerosol optical depth (AOD) around Bohai Sea region were discussed using MODIS Level 2 product MOD04 data of Aqua satellite from National Aeronautics and Space Administration of America during 2000 to 2015. Results showed that:(1) the spatial distribution of annual AOD around Bohai Sea region was related with altitude. That is to say,AOD was low in high altitude area but high in low altitude area. Pollution was the most serious in summer. And AOD was related with air quality index (AQI). (2) During the last 16 years,annual AOD were 0.465-0.682 with an average of 0.592,much higher than that of global level (0.190). The highest annual AOD was appeared in 2012 and the lowest in 2001. Variation of monthly AOD showed double peaks with highest value in July and lowest value in December. Variation of monthly AOD was negatively related with wind speed.

aerosol optical depth; spatial and temporal distribution; variation characteristics; MODIS data; region around Bohai Sea

紀曉璐，女，1990年生，碩士研究生，主要從事氣溶膠時空變化研究。#

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*山東省自然科學(xué)基金資助項目(No.ZR2015DL001)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.016

2016-10-10)