四川地區氣溶膠光學厚度時空分布及其與氣象因子的相關性分析

艾 澤，陳權亮

(成都信息工程大學大氣科學學院 高原大氣與環境四川省重點實驗室，成都 610225)

1 引 言

氣溶膠光學厚度(AOD)指在垂直方向上氣溶膠消光系數的積分，用來描述氣溶膠對光削減能力的強弱，能夠較好地反映大氣中氣溶膠濃度，通常用來表征大氣渾濁程度。很多學者證實了MODIS AOD資料具有較高的可用性[1～3]。從全球來看，AOD整體呈下降趨勢，下降明顯的區域主要在歐洲和北美地區，東亞地區[2]、南美南部以及非洲東部呈上升趨勢[4]。對于中國，年平均AOD高值中心主要分布在四川盆地、華北平原以及新疆地區，低值中心主要在川西高原、黑龍江以及內蒙古地區[5]。

大氣氣溶膠分布易受到氣象條件的影響，氣象條件也會進一步影響氣溶膠的擴散、沉降，從而影響氣溶膠濃度。不同氣象條件對氣溶膠濃度的影響也有著明顯差別。因此，氣象因子和氣溶膠濃度的關系引起學者的關注。大量研究使用能見度、PM2.5、PM10來表征大氣氣溶膠濃度，發現了氣象要素的變化會使能見度、PM2.5、PM10產生變化[6]。PM2.5、PM10與AOD有較好的相關性[7]，因此AOD與氣象因子之間也具有一定的相關性。

四川地區為中國AOD的高值區[8]，呈現東高西低的分布特征[9]。前人對四川地區AOD已經開展了一些研究工作。但是，一方面，使用的AOD數據分辨率相對較低，另一方面研究主要圍繞個別城市開展，對整個地區的AOD與氣象因子的相關性研究相對較少[10]。隨著四川地區的快速發展，大氣污染問題日益凸顯。并且由于四川盆地獨特地形條件以及氣候特點，氣象要素與氣溶膠濃度的關系更為復雜。因此，本文通過較高精度的AOD 數據，分析不同尺度下AOD變化特征及其與氣象因子的關系，為四川地區的大氣污染治理提供理論依據，也可為四川地區的大氣污染區域聯防提供參考。

2 資料與方法

Liu X[9]利用2007～2008年成都市CE-318太陽光度計測量的AOD資料與MODIS_3K的AOD資料進行對比，發現兩者相關性高(R2=0.91)，說明了成都地區MODIS數據可用來研究和預測氣溶膠的變化。本文AOD數據選擇MODIS04_3K數據，空間分辨率為3km，時間分辨率為1d，資料時間段為2008～2017年。氣象數據選擇中國氣象科學數據網的中國地面累年值月值數據集，數據包括四川省38個站點2008～2016年的氣溫、氣壓、相對濕度、降水量、風速5個氣象要素的月值數據。氣象站點分布如圖1所示。

圖1 選取的四川地區站點分布Fig.1 The distribution of selected weather stations in Sichuan

利用一元線性回歸分析方法的線性回歸系數來表征AOD變化趨勢，記作b，并用F檢驗對回歸方程作顯著性檢驗。線性回歸系數的計算公式如下：

提取38個站點AOD月均值，計算不同站點逐月氣象要素與AOD的Pearson相關系數，記作r，并對相關系數作顯著性檢驗。Pearson相關系數計算公式如下：

其中，i表示為2008～2017年序列號，Xi表示為第i年對應的AOD值。

3 四川地區AOD的時空變化

3.1 時間變化

圖2 2008～2017年四川地區年平均(a)、月平均(b)AOD變化Fig.2 Annual average (a) and monthly average (b) AOD change in Sichuan during 2008～2017

如圖2(a)所示，四川地區年平均AOD隨時間呈先增加后減少的趨勢，前3年AOD總體呈上升趨勢，后7年AOD總體呈下降趨勢。最大值出現在2010年，AOD為0.46，2013年為次大值，AOD為0.42，最小值出現在2017年，AOD為0.21。這說明四川地區在近五年來污染問題有所好轉。如圖2(b)所示，月平均AOD呈雙峰型分布，其中2月和8月為雙峰的峰值月份。2月達到最大值，AOD值為0.44，8月AOD值為0.32，最小值出現在10月，AOD值為0.23。總之，四川地區秋季為AOD低值階段，春季為高值階段。

3.2 空間分布

圖3 2008～2017年四川地區AOD10a平均分布Fig.3 Average spatial distribution of AOD in Sichuan during 2008～2017

如圖3所示，四川地區10a平均AOD呈現東高西低的分布特征，東部為高值區，西部為低值區，其中成都及川東南地區為東部的AOD高值區[11-12]。東部地區平均AOD在0.4以上，成都和川東南地區平均AOD在0.8以上，川東南部分地區平均AOD達到1.0以上。四川西部平均AOD低于0.2。這樣的分布主要由于四川地區人口和經濟活動主要集中在四川東部地區，人為排放源多，東部地形主要為盆地地形，風速小、濕度大、對流弱，氣溶膠粒子不易擴散。然而四川西部地區人口密度低，人為排放源少，風速大，有利于氣溶膠粒子的擴散。海拔高，森林覆蓋率高，能夠阻擋盆地的氣溶膠粒子向西擴散。

如圖4所示，四川地區逐年AOD分布特征與10a平均AOD分布特征一致，東部均為高值區，西部均為低值區。在不同年份中，東部地區AOD變化最明顯，西部地區AOD變化不明顯，AOD均小于0.2。在這10年間，四川地區東部AOD值先增大減小，在2010年達到最大值，特別在成都和川東南地區AOD達到了1.4以上。從2010年后開始，AOD值逐年減小。在2017年四川東部地區AOD值相比于2010年明顯減小，達到十年間的最低值，AOD值為0.4～0.6，部分地區AOD值為0.6～0.8。在東部地區，2010～2013年為10a間AOD高值階段，2015～2017年為10a間AOD低值階段，這與四川地區年平均變化一致。

圖4 四川地區AOD年平均分布2008～2017年 (a)～(j)Fig.4 Annual average spatial distribution of AOD in Sichuan during 2008 to 2017(a)～(j)

圖5 2008～2017年四川地區AOD1月～12月(a)～(l)月平均分布Fig.5 Average spatial distribution of AOD in Sichuan during 2008 to 2017 from January to December

如圖5所示，四川地區月平均AOD變化主要體現在東部地區，除了7月四川西部和南部部分地區AOD上升到0.4～0.6，其余月份四川西部變化很小，AOD大都低于0.2。2～5月四川盆地AOD呈高值分布特征，AOD值達到1.0以上，其中2月為2～5月中的高值月，平均在1.2以上。10月～12月東部地區AOD值相比于全年中其他幾個月明顯減小，AOD值為0.4～0.8，小部分區域AOD在0.8以上。總之，四川地區春季AOD達到最大，冬季、夏季次之，秋季AOD達到最小，其中成都地區為四川地區春季AOD高值區。

3.3 變化趨勢的空間分布特征

圖6 2008～2017年四川地區AOD變化趨勢空間分布特征(a)和顯著性水平(b)Fig.6 Spatial distribution characteristics of AOD trend(a)and significant level(b)in Sichuan during 2008 to 2017

如圖6所示，在10a間AOD變化趨勢主要呈現西高東低的特征，東部減小，西部增加，這個分布特征與四川地區10年平均AOD分布特征相反[11-12]。東部地區的下降趨勢絕大多數通過了0.05甚至0.01的顯著性檢驗，變化為-0.4，其中成都和川東南地區下降最明顯，變化為-0.6～-0.8。四川西北部地區AOD在近10a有所增加，變化為0～0.2，但是上升趨勢沒有通過顯著性檢驗。四川大部分地區AOD在這10a間整體呈現輕微下降趨勢，變化趨勢為-0.2～0.0，下降趨勢通過顯著性檢驗的區域主要在四川南部地區。

圖7 2008～2017年四川地區AOD1～12月(a)～(l)的月變化趨勢空間分布特征及其顯著性水平(m)～(x)Fig.7 Spatial distribution characteristics from January to December (a)～(l) AOD trend and significant level (m)～(x) in Sichuan during 2008 to 2017

如圖7所示，不同月份中，四川西部地區AOD變化趨勢變化不大，均增加了0～0.2，東部地區變化比較明顯，變化趨勢通過顯著性水平的差異也較大。1月，四川東南部AOD值增加0.6以上，上升趨勢通過了0.05的顯著性檢驗，為12個月中增加最為明顯的月份。2月，整個四川地區的變化趨勢基本沒有通過顯著性檢驗。3月至10月，四川東部地區AOD值出現下降趨勢，其中4月、5月、9月AOD值下降最為明顯，這3個月的下降趨勢大多通過顯著性檢驗，變化在-0.8以上。3月、6月、7月、8月呈下降趨勢的區域面積相較于4月、5月、9月明顯縮小。11月、12月四川東部部分地區呈現上升趨勢，但是這樣的上升趨勢沒有通過顯著性檢驗。

4 四川地區AOD與氣象因子的關系

由于川西高原AOD值常年低于0.2且變化很小，所以本部分研究四川盆地AOD與氣象因子的相關性。總體來看，四川盆地AOD與氣象因子的相關性呈現區域一致的特征。

4.1 氣溫

如圖8(a)所示，四川盆地AOD與氣溫呈正相關[12]，大部分區域兩者相關性通過顯著性檢驗。主要原因是在高溫條件下，逆溫層易在四川盆地低層形成，大氣擴散條件變差，不利于氣溶膠粒子的擴散[13]。氣溫的升高，有利于氣溶膠粒子的二次轉化，并且能夠增加氣溶膠粒子在空氣中的懸浮時間，造成AOD增加[14]。

注：填色部分通過了95%顯著性檢驗，藍線為青藏高原邊界 圖8 四川地區AOD和氣溫(a)、降水量(b)、相對濕度(c)、風速(d)和氣壓(e)相關系數分布Fig.8 Distribution coefficient of AOD and temperature(a), precipitation(b), relative humidity(c),wind speed(d) and pressure(e) in Sichuan

4.2 降水量

如圖8(b)所示，四川盆地AOD與降水量相關性較低[15],兩者相關性沒有通過顯著性檢驗。這說明降水對四川盆地的氣溶膠濃度變化不起主導作用，對其削減作用很弱。氣溶膠和降水量的關系較為復雜，首先氣溶膠濃度的增加會降低云滴有效粒子半徑，推遲或抑制降水；其次，降水能夠有效清除氣溶膠。氣溶膠主要通過兩種間接效應對降水產生影響[16]。四川盆地氣溶膠粒子增多會增加云中的凝結核和水云云滴有效粒子半徑，并且顯著減少云水路徑。這些變化會使降水減少，大雨發生率增加，小雨發生率減小[17]。大雨發生后，雨強的減少會使氣溶膠濃度升高[18]。因此，四川盆地AOD與降水相關性較低。

4.3 相對濕度

如圖8(c)所示，在四川盆地AOD與相對濕度呈負相關[19-20]，其中川東南為顯著的負相關中心，兩者相關性在0.4以上。造成這樣分布的主要原因是四川東部地區相對濕度較高。高相對濕度的條件下，相對濕度的增大，一般伴隨著雨雪天氣的出現，降水的增加會對大氣產生一定的沖刷作用，產生對氣溶膠的濕清除作用[21]。四川地區東部相對濕度高，相對濕度增加易產生濕清除。成都市主要的污染物以PM10為主[22]，2～10μm粒徑范圍內的氣溶膠粒子數濃度會隨著相對濕度的增加而減小[23]，這就說明了四川盆地AOD與相對濕度呈負相關的原因。

4.4 風速

如圖8(d)所示，四川盆地AOD與風速相關性較低，絕大多數區域兩者相關性沒有通過顯著性檢驗。風速的大小直接影響污染物的擴散速度，四川盆地地形獨特，常年為靜風區，盆地內各區域的地面風速相較于全國其他城市普遍偏小，地面風速年均值都在2m/s 以下[24]。因此，四川盆地的低風速對氣溶膠粒子濃度的影響不大。

4.5 氣壓

如圖8(e)所示，在四川盆地AOD與氣壓呈負相關。四川省降水量和氣壓呈正相關[25]，由于氣壓上升，降水增加，對氣溶膠粒子產生了濕清除，一定程度上使AOD減少。氣壓本身對氣溶膠濃度的影響較弱[26]，當氣壓發生明顯變化的時候會伴隨明顯天氣變化，從而影響氣溶膠的濃度。高壓條件下，一般出現晴好天氣，太陽輻射增加了氣溶膠粒子的運動速度，從而降低氣溶膠濃度，AOD與氣壓呈負相關。在低壓天氣，沒有降水條件下，大氣比較穩定，氣溶膠不易擴散，從而使得濃度增加，AOD與氣壓呈負相關。如果產生降水，雨水的作用會使得氣溶膠濃度降低，AOD與氣壓呈正相關。

5 結論與討論

5.1 四川地區2008～2017年AOD呈先增大后減小趨勢，2010年為最大值，2017年為最小值，分別為0.46和0.21。月均值變化上呈現雙峰型分布，2月和8月為兩個峰值月份，分別為0.44和0.32；四川地區東部為AOD高值區，西部為低值區；10a間東部地區AOD呈顯著下降趨勢，西部地區呈上升趨勢但是沒有通過顯著性檢驗；四川地區東部1月AOD表現為顯著上升趨勢，4月、5月、9月表現為顯著下降趨勢。

5.2 在AOD與氣象因子的相關性研究上發現：四川盆地AOD與氣象因子的相關性呈現區域一致的特征，AOD與氣溫呈正相關關系，與相對濕度和氣壓呈負相關關系，與降水量和風速相關性不顯著。