云貴高原氣溶膠分布的區域與氣候特征

廖瑤，楊富燕，羅宇翔，趙天良，尚媛媛，鄭小波

1. 貴州省山地環境氣候研究所/貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002；2. 貴州東方世紀科技股份有限公司，貴州 貴陽 550000；3. 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心/中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210044；4. 貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550002

大氣氣溶膠通常是指懸浮在大氣中的顆粒與氣體載體共同組成的多相體系，這些顆粒可由人為活動和自然活動產生，典型的人為活動有化石燃料的燃燒、秸稈燃燒、汽車排放、以及其他工業活動等，而自然活動有沙塵、森林火災及海鹽泡沫等。大氣氣溶膠作為氣候變化中最不確定的因素，對空氣質量具有重要影響及對人體健康具有潛在危害而受到了極大的關注（Monks et al.，2009；Crouse et al.，2016）。氣溶膠主要通過其直接效應和間接效應影響氣候。氣溶膠的散射、吸收和長波輻射可對氣候產生直接影響，即直接效應；同時作為云凝結核（CCN）決定云的微物理特征而間接對氣候產生影響，即為間接效應。氣溶膠對人體健康的影響與氣溶膠直徑有關，氣溶膠顆粒越細，對人體健康的危害就越大，能造成呼吸道和心血管疾病，縮短預期壽命（Schwartz et al.，1996；Pope et al.，2009）。因而很多國家都將大氣氣溶膠顆粒物納入空氣質量監測體系，中國在 2012年頒布了《環境空氣質量標準》（GB3095—2012），建立了覆蓋所有地級市的包括顆粒物（PM2.5、PM10）監測的空氣質量監測站，并將顆粒物監測值作為評價空氣質量指數（AQI）的關鍵因子。氣溶膠光學厚度（AOD）作為表征氣溶膠光學特性的重要因子，反映了氣溶膠對光的衰減作用，常被用于間接推算氣溶膠含量，進而用于評價氣溶膠的氣候效應、評估大氣污染程度（Ramachandran，2007）。

地面和衛星觀測是目前測量大氣氣溶膠特性的兩種重要方式。地基太陽光度計遙感氣溶膠光學厚度是目前氣溶膠遙感中最準確的方法，其具有窄視場角，測量的AOD受地表和氣溶膠前向散射的影響很小，精度很高，不確定性僅為 0.01－0.02（Holben et al.，1998），通常用來校驗衛星遙感產品。NASA在全球建立了地面太陽光度計觀測網（AERONET）（Holben et al.，2001），中國氣象局也建立了氣溶膠地基監測網（CARSNET）（Xie et al.，2011）。AERONET共有分布于全球各地的400余個觀測站，采用的是法國的 CIMEL太陽光度計（延昊等，2006），這些觀測站網在衛星遙感氣溶膠特性的真實性檢驗、氣溶膠類型以及氣候效應評估方面起著重要作用。大氣氣溶膠具有分布范圍廣，空間異質性大的特性，要想獲得大范圍、長時期的AOD分布情況，只能依賴于衛星遙感觀測。衛星遙感探測氣溶膠方法具有覆蓋面積廣，效費比高，時效性強等優點，得到了迅速發展，國內外多顆衛星觀測數據都可用于反演 AOD產品，如國外的MODIS、MISR、Calipso以及國內的風云3號系列衛星、環境1號系列衛星等。搭載于EOS衛星上的MODIS傳感器反演的氣溶膠產品已經從最初的第4版（Collection 4，簡稱C4）發展到現在的第6版（Collection 6，簡稱C6），其產品在全球及中國區域已經過大量的驗證（Remer et al.，2003；李曉靜等，2009；He et al.，2010；Nichol et al.，2016；Liu et al.，2016；趙仕偉等，2017），表現出良好的數據質量，加上其數據具有較高的時空分辨率，因而在區域環境和模式對比研究中得到了廣泛的應用（Adhikary et al.，2008；Carnevale et al.，2011；董自鵬等，2014）。

MODIS第 6版數據新增的深藍算法實現了亮背景下的 AOD反演，擴大了AOD的時空覆蓋率（Sayer et al.，2015）。第6版的MODIS氣溶膠產品經全球AERONET站點的驗證，結果表明70.8%的驗證點落在15%的期望誤差范圍內（Levy et al.，2013），達到設計的精度目標。不同于第 5版（Collection 5，簡稱C5）Level 2產品只提供10 km分辨率的數據，C6版除提供10 km分辨率的產品外，還提供暗像元算法反演的3 km分辨率的產品。新增的3 km數據的優點是能表現局部的氣溶膠梯度及城市尺度的特征，能減少異常值的空間影響，但是缺點是可能引入噪聲。3 km氣溶膠產品經過了一系列的驗證，包括全球范圍（Remer et al.，2013）和中國區域的驗證（趙仕偉等，2017；Ma et al.，2016），驗證結果表明3 km數據能夠滿足氣候和環境研究的要求，可用于區域氣溶膠光學特征變化的分析。由于氣溶膠的物理和化學性質，影響其時空分布的因素很多。首先是其生成就分為人為源和自然源；其次是氣溶膠的轉化、傳輸和沉降受到大氣和氣候條件的影響（Cuhadaroglu et al.，1997；林俊等，2009；Wang et al.，2015；Tan et al.，2015）。因而在分析中國氣溶膠時空分布及變化特征時，主要考慮排放清單（Streets et al.，2003；Streets et al.，2008；Lei et al.，2011）和氣候因素（Bao et al.，2009；Liu et al.，2011；Zheng et al.，2015）。羅宇翔等（2012）、鄭小波等（2011；2012）使用MODIS AOD產品分析表明云貴高原是中國年平均AOD的最低值區域之一，但之前的學者研究使用的多是分辨率較低的1°×1°（110 km×110 km）的數據，無法精確反映如云貴高原這種地形復雜、地貌多樣條件下的區域分布和城市級AOD的精細分布和變化，故用最新的 3 km分辨率的 MODIS產品對云貴高原AOD分布及變化進行研究很有必要，以便了解復雜地形條件下區域尺度的氣溶膠時空分布和變化情況，為高原建設生態文明示范區提供參考。

1 資料與方法

1.1 云貴高原概況

云貴高原包括貴州和云南兩省及其毗連地區，處于青藏高原向湖南、廣西丘陵山地的過渡地帶。整個高原海拔變化較為顯著，地勢由北向南大致可分為3個梯級，第一級海拔一般在3000－4000 m之間，許多山峰海拔還可達到5000 m以上，第二梯層為中部高原主體，海拔一般在2300－2600 m之間，第三梯層則為西南部、南部和東南部邊緣地區，分布著海拔1200－1400 m的山地、丘陵和海拔小于1000 m的盆地和河谷。云貴高原以烏蒙山脈（103°E）分為東、西兩部，在冬季，大部分冷空氣被阻擋在了云貴高原東部，僅有少部分較強冷空氣能越過烏蒙山脈進入云貴高原西部（段旭等，2018）。受地形的限制，云貴高原城市的區域較為集中，均分布于高原的盆地之中。如高原最大的省會城市之一貴陽，城市建成區面積僅約 300 km2（2016年數據）。為了便于研究，本文將云貴高原定義為云、貴兩省的行政區域范圍，并將其兩省間烏蒙山脈為界的東部定義為貴州區域，西部定義為云南區域。

1.2 資料選取

選取了 2001年 1月－2017年 2月 TERRA MODIS C6版二級3 km 550 nm的高分辨率AOD數據集（MOD04_3 k）進行分析研究，該產品是使用的暗像元算法（DT）反演的，產品下載自 NASA網站（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）。第6版新提供的該3 km產品能更好地描述較小區域氣溶膠的空間分布（Munchak et al.，2013）。同時，從夏威夷大學網站下載了 2001－2016年之間的季風指數（ISMI）（http://apdrc.soest.hawaii.edu/）。

1.3 研究方法

每個反演的MODIS AOD數據都有一個質量標志（QAC），QAC為3，2，1，0時分別代表AOD質量為最好、好、臨界和不可靠。為了控制計算結果的不確定性，提取了反演質量最好的點（QAC=3）參與計算。為得到氣溶膠產品的長期變化，將獲取的AOD數據進行反距離權重插值，得到分辨率為5 km的AOD格點產品，然后再作圖分析。考慮到衛星觀測結果的不確定性以及缺值問題，在計算AOD區域平均值時，將一天中云貴高原區域內有效數據格點數小于200個的天數進行剔除。在計算季節平均時，以3月、4月和5月平均值作為春季，6月、7月和8月作為夏季，9月、10月和11月作為秋季，12月和次年1月、2月作為冬季。計算AOD長期變化趨勢時，采用線性回歸。為分析亞洲夏季季風氣候對云貴高原AOD的影響，選取這16年中的強季風年（2014年，季風指數：0.198）和弱季風年（2015年，季風指數：-2.382）的AOD數據進行對比分析。

2 結果分析

本文利用了MODIS的3 km高分辨率AOD數據，主要分析云貴高原復雜地形條件下AOD的空間分布、季節分布和年際變化趨勢，以揭示云貴高原各區域、城市尺度大氣環境狀況和云貴高原大氣環境變化情況。

2.1 空間分布

圖1所示為云貴高原多年平均AOD空間區域分布。云貴高原年平均AOD空間分布大體呈現東高西低，以烏蒙山脈為界，體現了復雜的大地形對氣溶膠分布的重要影響作用。AOD分布存在6個高值區（0.6以上），其中5個AOD高值區位于貴州境內，分別位于貴州省北部（遵義市1個、銅仁市2個）、東南部和省會貴陽，剩下的1個AOD高值區位于云南的省會城市昆明。高值區中，昆明和貴陽兩個高值區為孤立形態，即與周圍區域AOD值差異較大，作為云貴高原最大的兩個省會城市，其氣溶膠主要來源于本地排放，受周圍的傳輸影響較小。遵義市和銅仁市東邊的高值區與這兩個地州級市區的盆地范圍大致吻合，表明其主要也來自本地排放。其余兩個高值區并不處于城市地區，加上這兩個地區海拔較低，表明這兩個高值區的氣溶膠除來自本地排放外，可能還有相當部分是從其他區域傳輸而來的。如貴州北部、東部和南部邊緣低海拔地區的次高值區（0.4左右）毗鄰中國氣溶膠的高值區之一的四川盆地，在一些季節很可能受這些區域氣溶膠傳輸的影響。

圖1 云貴高原多年平均遙感氣溶膠光學厚度分布（NASA，2001－2016, 550nm）Fig. 1 Distribution of annual averages of aerosol optical depth (AOD,550 nm) over the Yunnan-Guizhou Plateau (YGP) in 2001-2016(Data from NASA)

AOD低值區（AOD＜0.2）主要位于貴州西部海拔較高地區和云南大部分高海拔地區。其分布與海拔高度呈顯著的負相關關系，在低海拔地區（1500 m以下），AOD均值大多在0.2以上；高海拔地區（1500 m以上）AOD絕大部分均低于0.2。究其原因，云貴高原西部高海拔地區人口密度低，而且植被覆蓋度高，特別是云貴高原西北部與青藏高原接壤地區，人口密度最低，本地排放源較少，故AOD值也非常低。

綜上所述，地形地貌、人口密度、區域傳輸是主要決定云貴高原多年AOD空間分布的主要因素。高分辨率AOD數據很好地呈現出了云貴高原氣溶膠多年平均分布較詳細的特征，這些較高分辨的AOD不同分布梯度特征是對地形地貌、排放源條件的響應。

2.2 季節分布

圖2所示為云貴高原區域4個季節的平均AOD分布。4個季節平均差異較大，反映出不同季節人類活動的交替和氣象條件的差異。如春秋季從事農事活動時生物質的大量燃燒，對人為氣溶膠的排放貢獻產生較大影響；又如不同季節風速、降水的不同，對氣溶膠的清除作用也有差異。

圖2 云貴高原AOD季節分布Fig. 2 Distribution of seasonal averages of AOD over the YGP in spring (a), summer (b), fall (c) and winter (d) in 2001-2016

（1）春季。圖2a表明，云貴高原春季AOD整體較高，由于云貴高原地區春耕和收獲時生物質燃燒，加上干燥的西南風引起的森林火險，使得云貴高原AOD高值明顯，其中貴州大部、貴陽、昆明高值達到0.6左右。另外，春季貴州以西南風向為主，東南亞AOD高值區的氣溶膠也可能向北傳輸入貴州境內，另外，每年初春季也會有多次東北冷空氣來襲（即倒春寒），會將東部地區濃度較高的氣溶膠帶入貴州境內。同時云南AOD值從西南邊緣向北部遞減，且高值主要分布在西南部較低海拔地區（1500 m以下），表明這些區域主要受西南方向毗鄰的東南亞氣溶膠影響（羅運闊等，2010）。

（2）夏季。圖 2b表明，由于季風影響，云貴高原地區進入主汛期，導致云貴高原東部夏季AOD較春季明顯下降，高值區面積整體縮小，云貴高原西南部低海拔地區，AOD也明顯下降。由于生物質燃燒和森林火災的減少，降水和光照增加較多，植被生長茂盛，導致該地區AOD降幅較大。高值區域明顯位于貴州東北部、貴陽和昆明等城市地區，且云南北部和中東部高值區擴大，城市尺度分布明顯，這與該區域夏季人類活動增加及靜穩天氣增多有關（張云等，2016）。

（3）秋季。圖2c表明，秋季AOD在夏季基礎上繼續下降，高值區域范圍明顯縮小，且只有昆明小部分和貴州北部小區域（遵義、銅仁）存在大于0.6的區域。云貴高原東部達到一年中的最小值，云貴高原西部也達到一年中的次低值。

（4）冬季。圖 2d表明，云貴高原地區東部冬季AOD相比秋季增加明顯，特別是貴州北部AOD均值達0.6以上的高值區域明顯擴大，這除了與冬季取暖等活動造成的本地排放增多有關外，還與冬季云貴高原以外的東部和北部氣溶膠高值區有關，因冬季云貴高原東部盛行東北風，區域傳輸影響較大。而高原西部的AOD繼續下降，整體下降到0.2以下，為云貴高原西部一年中的最低值。

2.3 氣候對氣溶膠分布的影響

氣候條件對氣溶膠的分布具有較大影響，大氣運動對氣溶膠的擴散和傳輸具有決定性作用。已有研究認為，在長期的年際尺度上，中國大陸東亞季風強度的變化引起風速和降雨的變化進而改變氣溶膠濃度變化（Cheng et al.，2016）。云貴高原屬于典型的季風氣候區，季風強度變化會引起大氣環流和降水的變化，進而影響氣溶膠的傳輸和沉降。以近16年南亞季風強年（2014年）和弱年（2015年）為例，計算這兩年6－9月AOD均值與這16年（2001－2016年）6－9月AOD均值距平，即求這兩年夏季風AOD的距平，結果見圖3。

圖3 強季風年和弱季風年AOD距平空間分布Fig. 3 Distribution of AOD anomalies in JJAS (June, July, August, September) averages in strong (a) and weak (b) monsoon years over the YGP

從圖3可知，在強季風年的2014年，與常年相比，AOD分布特征表現為大部分地區呈負距平，比常年偏低 0.1－0.3，但也存在正距平的區域，這些區域主要分布在烏蒙山附近及貴州中北部，比常年偏高 0－0.3，主要分布于26°N以北地區，形成北高南低的分布特征；在弱季風的 2015年，與常年相比，AOD分布特征同樣表現為大部分區域的負距平，比常年偏低 0.1－0.3，同樣也存在正距平的區域，但正距平區域和 2014年相比，明顯南移，主要位于 25°N以南的云南地區，形成南高北低的分布特征。由于排放清單不太可能在相鄰的年份發生較大變化，因此云貴高原在2014年和2015年距平呈現出來的反相位分布可能主要反映了亞洲季風強度對氣溶膠年際變化的影響。

2.4 月際和年際間變化趨勢

以烏蒙山為界將云貴高原粗略劃分為東部（貴州）和西部（云南）兩個區域，分析兩個區域的月平均AOD的變化特征。從圖4b可知，近16年以來，西部的月AOD在0.02－0.28之間變動，月際間變幅較大，最大月與最小月相差 10倍，具有明顯的季節性特征。低值出現的月份為11－12月和1－2月，AOD月值低于0.04，高值出現于3－4月和7－9月，最高值出現于3月，達到0.28，即高值出現在春夏季，低值出現在秋冬季。從圖 4b可知，西部多年月均AOD值為0.13，與全球陸上平均AOD的均值0.19相比（Remer et al.，2008），云貴高原西部的氣溶膠濃度很低。

從圖4c可知，高原東部的月平均AOD為0.19－0.47，也表現出明顯的季節性差異，但季節差異弱于西部。低值（＜0.26）主要出現在10－12月，高值（＞0.36）出現在3－4月、6月和1月，高值主要分布于春季、夏季和冬季，這主要與春季多發的森林火險和夏季人類活動的增加有關。東部多年月均AOD的均值為0.32，明顯高于西部的0.13。從圖4a可知，云貴高原總的月均AOD變化趨勢與云南比較接近，高原總體均值為0.19。

圖4 2001－2016年（a）云貴高原，（b）云南和（c）貴州AOD月變化特征Fig. 4 Monthly AOD time series in (a) YGP, (b)Yunnan and (c) Guizhou of 2001-2016

在云貴高原西部，由于常年盛行西南風，基本不受中國中東部氣溶膠的傳輸影響，加上東南亞地區經濟發展較落后，除春季東南亞地區有森林火險產生的排放傳輸入云南境內低海拔地區以外，其他季節基本只受本地排放影響。在云貴高原東部，夏季主要受濕潤的西南季風影響，而冬季主要受東北季風影響，因而冬季除本地排放外，其東部海拔較低地區還受到周邊 AOD較高地區的傳輸影響。由于這些人為排放和氣象因素對氣溶膠的影響交織在一起，云貴高原東部AOD的月變化較為復雜。

近 16年來，云貴高原東部和西部表現出相同的變化趨勢（圖5），即均出現整體降低趨勢，但是高原東西部的AOD下降趨勢差別較大。從圖5a可知，云貴高原年平均AOD下降率約為-0.021/10a。圖5b表明，云貴高原西部的年AOD呈現的下降趨勢較弱，下降的速率為-0.003/10a，但其中 2001－2011年間呈微弱的增加趨勢，之后呈較快的下降趨勢。圖5c表明，云貴高原東部年AOD呈現的下降趨勢明顯強于西部，下降速率為-0.059/10a，其中在2001－2011年之間呈波動上升趨勢，2011年以后出現明顯下降（通過95%置信度檢驗）。

圖5 云貴高原AOD年變化Fig. 5 Annual variation of AOD over the YGP

這種下降變化趨勢的差異可能與高原地形地貌有關。烏蒙山作為云貴高原東西兩側的分界線，影響其兩側地區氣溶膠年際間變化的氣象因子也略有不同。高原西部常年受西南風影響（冬季云南本應吹西北風，但由于伊朗高原、青藏高原的阻擋，影響云南的風繞行而成為偏西風），加上云南整體海拔較高，較少受區域傳輸影響；而東部夏季受西南季風影響，冬季受東北季風影響，不同季節的季風風向和濕度不同，因而改變氣溶膠的傳輸路徑和降水的清除作用。

3 討論

使用MODIS 3km分辨率氣溶膠產品分析了云貴高原AOD多年平均分布情況，得到“東高西低”的分布形態，這鐘分布形態與田永麗等（2010）使用2010年MODIS數據的研究結果一致，也與鄭小波等（2010）使用 1961－2006年的大氣能見度數據研究得出的結果相符。多年平均AOD的數值與羅宇翔等（2012）使用 MODIS 5.1 版（Collection 5.1，簡稱C5.1）2001－2010年110 km×110 km分辨率AOD數據得出的云貴高原年平均AOD在0.2－0.4間的結果接近。這表明MODIS 3km氣溶膠產品的分析結果是可靠的。云貴高原AOD值常年處于較低水平，這與長期地面空氣質量觀測資料的分析相一致（肖悅等，2017），多種資料的分析都表明云貴高原確屬空氣質量的常年優良區。

研究表明東南亞大面積生物質燃燒對我國西南部氣溶膠有重要影響（張云等，2016），境外排放對西部云貴高原二次有機氣溶膠柱濃度的貢獻大于污染較重的東部地區（陳卓等，2016），因而云貴高原 AOD的分布特征，除受本地排放源影響外，高原海拔較低地區AOD的分布特征可能受周邊氣溶膠傳輸影響。

云貴高原東西部氣溶膠變化的趨勢雖然相同，但2011年以來東西部AOD遞減率差別較大，究竟是排放變化的原因還是不同區域氣候條件的差異？這其中的原因還需要進一步詳細的研究。

4 結論

云貴高原氣溶膠光學厚度的分布與地形、人口、季節和氣候有關。根據云貴高原的地形特點，使用較高分辨率的3 km的AOD數據后，根據其AOD分布差異較大基本以烏蒙山為界的空間特征，把云貴高原分為東、西兩部分進行了分析。根據以上分析，高原氣溶膠的區域分布與氣候特征可歸納如下：

（1）云貴高原東部和西部AOD空間分布差異較大，形成“東高西低”分布形態。高原東部，多年平均AOD為0.32，西部為0.13，東西部差異可達到0.19。高原AOD區域性分布特征明顯，高值區域主要分布于高原兩個最大的省會城市昆明、貴陽、貴州東北部和貴州東南部。

（2）在云貴高原東部，AOD高值多出現在 1月、3－4月和6月；低值多出現在10－12月。在高原西部，AOD大值多出現在3－4月和7－9月；低值出現在11－12月和1－2月。

（3）云貴高原氣溶膠年際間變化較為明顯地受到亞洲季風氣候影響。以強季風年（2014）和弱季風年（2015）為例的結果顯示，強季風年的 6－9月，AOD正距平呈現“北高南低”分布形態。而弱季風年的6－9月，AOD正距平則主要呈現“南高北低”型分布。

（4）近 16年來，云貴高原東部和西部氣溶膠年際間變化的趨勢相同，均呈總體下降的趨勢。其中，2011年以來下降趨勢均最為明顯，但高原東部AOD年際間減少速率大于高原西部。