基于MODIS數據的中國地區氣溶膠光學厚度時空變化特征*

岳 輝 劉 英# 張元敏

(1.西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054；2.中煤航測遙感集團有限公司， 陜西 西安 710199)

在工業文明和城市化建設快速發展的同時，大氣污染作為工業化發展中遇到的主要難題，已成為當今世界最嚴重的環境問題之一[1]。人為影響下的氣溶膠是大氣污染的重要組成部分，可以作為大氣污染的指示物，對于大氣環境治理有重要影響[2-3]。目前針對氣溶膠的研究手段主要有地基觀測、數值模擬、遙感反演等[4]。其中利用衛星遙感技術反演氣溶膠光學厚度(AOD)是近年來發展的新技術，能夠彌補地基觀測的不足，可快速獲得大面積地表和大氣的綜合信息，較好地反映氣溶膠光學性質的垂直分布情況[5-6]。中分辨率成像光譜儀(MODIS)傳感器是用于觀測全球生物和物理過程的重要儀器，可用于對陸表、生物圈、大氣和海洋進行長期全球觀測。

為加強氣溶膠在我國大氣環境變化作用的認識，相關學者利用FY系列衛星、HJ衛星和GF系列衛星進行了AOD反演，但反演的總體精度和時間分辨率均不及MODIS數據[7-9]。MODIS的C6版產品為當前最新的融合AOD產品。MODIS AOD產品采用陸地植被暗像元方法(DT)和深藍通道算法(DB)分別獲取陸地植被、沙漠等區域的氣溶膠信息，采用水體DT特性獲取海洋區域的氣溶膠信息，由于產品具有較高的時空分辨率，數據質量良好，因此在空氣污染研究領域得到最廣泛的應用[10-13]。MODIS AOD產品為準確研究全國氣溶膠時空變化特征和光學特性提供了科學前提，同時也為準確評估MODIS氣溶膠產品在我國的適用性提供了可能[14-16]。

本研究利用遙感手段對MODIS AOD產品數據進行分析，從多個角度分析2007—2017年中國地區的AOD變化規律和分布特征，利用長時間的遙感監測結果為環境治理提供一定的依據和前提，為政府的相關治理提供一定的參考，對于生態環境的改善具有重要意義。

1 數據與方法

1.1 數據介紹

本研究采用2007—2017年美國地球資源觀測科學中心(EROS)提供的MODIS/AQUA C6版MYD08_M3 全球1°×1°格點月均值氣溶膠產品，從中提取“AOD_550_Dark_Target_Deep_Blue_Combined_Mean_Mean”數據分析中國近10年的AOD變化特征。MODIS AOD數據需從一級大氣檔案分配系統(LAADS)下載(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)，從原始數據集中提取550 nm的氣溶膠月數據集。為了數據的連續性，以每年3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至次年2月為冬季為標準進行季節劃分；采暖期與非采暖期的采樣時段分別設置在12月至次年2月及6—9月。

1.2 數據處理方法

原始數據為層次數據格式(HDF)，其中包含若干個數據集，使用MODIS轉換工具包(MCTK)進行數據處理，本研究提取的是550 nm波段的“AOD_550_Dark_Target_Deep_Blue_Combined_Mean_Mean”數據。預處理工作包括數據集提取和幾何重投影。AOD數據無量綱，取值范圍在0～1，0代表完全透明大氣，1代表完全不透明大氣，數值越大表明大氣透過率越低。AOD主要由氣溶膠質粒的數密度、氣溶膠類型等物理、光學屬性來決定。

1.3 趨勢分析

采用一元線性回歸分析法來分析各個柵格單元的變化趨勢，根據式(1)計算AOD隨時間的回歸斜率，進而分析研究時段內AOD的總體變化情況。

(1)

式中：θslope為AOD的回歸斜率；n為統計年數；xi為第i年的AOD。通過使用ArcGIS中的柵格計算功能可得到2007—2017年AOD的變化趨勢。若θslope>0說明像元AOD在11年間呈現增長趨勢，θslope=0說明像元AOD在11年間未發生變化，θslope<0說明像元AOD在11年間呈減少趨勢。

2 結果與討論

2.1 中國AOD的時間變化趨勢

2007—2017年中國AOD年際變化趨勢如圖1所示。由圖1可見，11年間中國AOD年均值總體在0.40～0.55波動，平均值為0.48。2007—2017年中國年均AOD降低了0.06。從中國AOD變化趨勢統計結果(見表1)可知，11年間中國78%的地區AOD呈減少趨勢，AOD基本不變的區域占14%，而AOD增加的區域最少，僅為8%。總體看來，2007—2017年中國AOD呈現緩慢下降的趨勢，其中在2007—2013年變化較小，AOD主要在0.45～0.50波動，2014—2015年中國AOD出現明顯上升趨勢，而2016—2017年AOD大幅下降，說明近兩年國家對于大氣環境污染的控制和防治措施得力有效。

圖1 2007—2017年中國AOD年際變化趨勢Fig.1 Annual variation trends of AOD in China in 2007-2017

表1 AOD變化趨勢統計

2.2 中國AOD空間分布特征動態變化

以2007、2013、2017年為典型年，中國2007、2013、2017年的AOD空間分布情況分別見圖2至圖4。總體看來，中國地區AOD空間分布具有較強的地域性，AOD高值區主要在華北平原、長江中下游、珠江三角洲以及新疆的塔里木盆地，AOD低值區集中在川西、滇西北與青藏高原交界一帶，東北及內蒙古北部AOD也相對較低。由圖2可見，2007年中國區域AOD整體上數值偏高，尤其在新疆以及中國東部部分省份，其中塔克拉瑪干沙漠與騰格里沙漠是我國沙塵氣溶膠的主要排放地區，高值區AOD主要集中在0.75～1.00。在西北地區南部、華中地區以及東北大興安嶺和小興安嶺、青藏高原附近等AOD低值區，AOD主要介于0.02～0.26，受人為氣溶膠影響較少。2013年我國啟動了《大氣污染防治行動計劃》，由圖3可以看出，相比2007年，2013年大部分地區的AOD變化較小，但東北部分地區的AOD下降較多，受污染程度處于慢慢改善的良好趨勢，全國仍有部分區域AOD依舊處于接近1的狀態。由圖4可見，中國2017年的AOD分布進一步趨向好轉，區以及黃河、長江中下游及珠三角等區域的AOD都有了顯著的下降，大部分集中在0.25～0.50，而京津冀遼魯地區依舊是AOD高值集中區。

圖2 2007年中國AOD空間分布Fig.2 Spatial distribution of AOD in China in 2007

圖3 2013年中國AOD空間分布Fig.3 Sptial distribution of AOD in China in 2013

圖4 2017年中國AOD空間分布Fig.4 Sptial distribution map of AOD in China in 2017

對中國2007—2017年AOD空間分布進行對比發現，AOD減少區主要位于西北地區東部、華南地區、四川盆地、內蒙古中東部以及東北三省所在區域，其中AOD減量較多的主要分布于西北地區東部、四川盆地以及東北地區，AOD減少0.19～0.37，而華南地區以及長三角地帶AOD減量主要為0～0.19。AOD年均值增加區主要位于華北地區南部、西北地區的部分盆地、沙漠等地，AOD增量主要集中在0～0.19，這些區域的氣溶膠污染明顯上升。

2.3 中國地勢高低與AOD空間分布的相關性

已有區域的AOD研究結果表明，AOD遙感觀測結果與近地面大氣氣溶膠污染的關聯程度受到研究區域地表高度的影響明顯[17]，但大尺度范圍AOD分布與地勢情況關系研究較少。通過中國的數字高程模型(DEM)與AOD年均值分布圖對比可分析得到AOD受地勢高低的影響情況。AOD的高值區總體分布在西北地區新疆的南疆盆地、塔克拉瑪干沙漠等沙塵集中地和東部地區(包括長三角、珠三角、四川盆地、京津冀經濟帶等)，部分地區的AOD年均值已達到1.00。這些地區海拔均在1 000 m以下，特殊的盆地地形非常不利于污染物的及時擴散，使得這些地區的AOD常年處于高值。AOD相對較低的區域主要位于高海拔區，青海東南部、甘肅南部地區以及大部分西藏地區都屬于海拔較高的區域，這些地區海拔一般在3 000～6 000 m，AOD大部分小于0.2。

2.4 AOD季節變化特征

圖5為2007—2017年中國春、夏、秋、冬四季的AOD空間分布圖。由圖5可知，AOD具有一定的季節變化特征，總體上呈春夏季高峰，秋季最低，冬季至次年逐步回升的變化趨勢。4個季節中夏季AOD最高，AOD高值區主要分布在中國東部地區，這是因為夏季高溫高濕，大氣中水汽含量充沛，氣溶膠吸濕可使AOD顯著增加；其次是春季，尤其西北地區春季低溫干燥，沙塵暴發，同時我國西北地區冷鋒活動頻發，這為沙塵天氣提供了充分的動力條件，使得春季AOD高于秋冬季節。4個季節中，中國東部地區，特別是華北平原和京津冀地區AOD始終高于其他地區，而一直比較穩定且屬于AOD低值區的是青藏高原及其附近集中地，數值位于0.02～0.08。

圖5 中國2007—2017年AOD四季空間分布Fig.5 Seasonal spatial distribution of AOD in China in the period of 2007-2017

2.5 采暖期與非采暖期對比

2007—2017年中國采暖期與非采暖期內AOD平均值分布如圖6所示，可以看出采暖期內中國AOD均值整體上低于非采暖期，這可能是由于非采暖期(6—9月)與采暖期(12月至次年2月)相比，水汽對于氣溶膠含量的影響高于大氣顆粒物。采暖期AOD較高的地區集中于中國東部，尤其是京津冀遼魯地帶明顯高于其他地區，AOD平均值在0.76～1.00，其他地區AOD基本上均低于0.50。非采暖期內AOD高值區域面積明顯擴大，變化較大的區域主要為四川盆地、長江三角洲地帶以及新疆的沙漠分布區，相比采暖期而言，非采暖期AOD有0.2左右的增長。采暖期與非采暖期AOD均較低且數值基本無變化的地區位于青藏高原以及附近地區，是中國境內大氣環境較好的區域，這與該地區的海拔高以及人口稀少有關。

3 結 論

(1) 2007—2017年中國AOD年均值在0.40～0.55波動，平均值為0.48，11年間中國AOD年均值降低0.06。11年間，中國78%的地區AOD呈減少趨勢，AOD基本不變的區域占14%，而AOD增加區域僅為8%。

(2) 中國地區AOD空間分布具有較強的地域性，AOD高值區主要在華北平原、長江中下游、珠江三角洲以及新疆的塔里木盆地，AOD低值區集中在川西、滇西北與青藏高原交界一帶以及東北和內蒙古北部。

圖6 采暖期和非采暖期AOD對比Fig.6 AOD comparison between heating period and non-heating period

(3) 中國地區的AOD變化趨勢空間差異明顯，西北地區東部、四川盆地以及東北地區為主要AOD減少區，AOD下降0.19～0.37，AOD增加區主要位于華北地區南部、西北地區的部分盆地、沙漠等地，AOD增量主要集中在0～0.19。

(4) 中國AOD表現出一定的季節變化特征，總體呈現出春夏季高峰，秋季最低，冬季至次年逐步回升的變化趨勢，此外采暖期內AOD整體上低于非采暖期。