華北地區氣溶膠光學厚度時空分布特征研究

孟飛郭霖

(山東建筑大學 測繪地理信息學院，山東 濟南250101)

0 引言

大氣氣溶膠是由大氣介質和混合于其中的固體或液體顆粒物組成的體系，對大氣中發生的許多物理化學過程都有重要的影響[1]。 氣溶膠粒子不僅可以直接或間接影響地—氣系統的輻射平衡[2-3]、氣候變化和空氣質量[4]，也會導致大氣能見度的降低，更會對人體健康產生極大的威脅[5]。 隨著經濟增長和城市化進程的加快，我國人為氣溶膠排放量增加，大氣能見度下降及區域性灰霾等問題頻繁發生，大氣氣溶膠的研究受到了廣泛關注[6-8]。

氣溶膠光學厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)是表征大氣氣溶膠光學特征的最基本參量，是確定大氣氣溶膠輻射氣候效應的關鍵因子[9]。 目前，地基觀測和衛星遙感是獲取氣溶膠光學厚度的兩種重要手段[10]。 由于氣溶膠在時間和空間上的分布具有不均勻性[11]，地面觀測網難以在全球范圍內進行連續觀測[12]，而衛星遙感具有連續、動態、宏觀、快速的優勢，成為近年來的研究熱點[13]。

基于中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)/極地軌道環境遙感衛星Terra C6.1 550 nm AOD 月數據，劉海知等[14]分析了我國2001—2017 年AOD 時空分布及變化趨勢，發現人為氣溶膠高值中心位于華北地區、華中地區、長三角地區、珠三角地區和四川盆地，在時間特征上2013 年前全國范圍內AOD 以增長為主，而2013—2017 年大部分地區AOD 呈下降趨勢。孔凡萍[15]利用環境一號衛星HJ-1 的寬覆蓋多光譜數據反演得到2015 年北京市氣溶膠光學厚度，并對其時空變化進行分析。 張磊等[16]利用MODIS MOD04 數據分析了廣東省AOD 時空特征及其影響因素，發現以2007 年為拐點廣東省AOD 呈現先升后降的趨勢，AOD 的高低與人口集中度正相關、與高程及植被分布負相關。 劉瑩等[17]利用新一代再分析資料(The Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications 2，MERRA2)數據集中的氣溶膠光學厚度數據，分析了中國地區AOD 值的時空變化特征，發現從1990—2017 年全國AOD 整體波動上升。 張瑞芳等[18]利用2001—2018 年的MODIS/Terra C6.1 氣溶膠產品分析了河南省AOD、氣溶膠垂直柱質量濃度和細粒子比的時空分布特征，發現三者空間分布具有典型的地理特征，并在18 年內均呈逐年下降趨勢。 已有的研究多利用MODIS 等AOD 反演數據對特定地區氣溶膠光學厚度的時空分布和變化特征進行分析，而MENG 等[19]將可見光紅外成像輻射儀的中間產品(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite Intermediate Product，VIIRS IP)氣溶膠數據與相應的MODIS 反演氣溶膠數據對比發現，二者高度相關，尤其是可見光紅外成像輻射儀中間產品VIIRS IP AOD 數據的空間分辨率可達750 m，較MODIS 等可獲取的有效數據量大增，更適合區域大氣氣溶膠光學厚度的研究。

華北地區近年來經濟發展迅速，人為活動引起氣溶膠等污染物排放顯著增加，有可能引起區域的環境問題和氣候變化。 劉浩等[20]分析了2000—2013 年京津冀魯地區AOD 的時空分布與變化特征，鄭逢斌等[21]統計分析了2006—2015 年華北地區AOD 的空間分布特性及時間趨勢變化，張西雅等[22]討論了2008—2012 年京津冀地區AOD 時空分布與城市化的關系。 考慮到華北地區一直是我國顆粒物污染最嚴重的地區之一，而近5 年來“十三五”期間華北平原氣溶膠變化特征的研究還很少展開，并且前期研究的氣溶膠數據大多來自MODIS 氣溶膠反演產品，空間分辨率較低。 鑒于此，文章采用VIIRS IP AOD 數據，深入研究了華北地區近年來氣溶膠光學厚度空間分布與時間變化特征，為研究區環境治理提供決策支持。

1 研究區域與數據

1.1 研究區概況

華北地區位于32°～40°N、110°～120°E(如圖1所示)，覆蓋北京、天津、河北、山西、山東、河南等6 個人口和工業大省及直轄市。 該地區地勢平坦、河流眾多，屬暖溫帶季風氣候，四季變化明顯，平均溫度在(12.32±10.73)℃，平均相對濕度為61.38%±12.12%[21]。 根據《中國統計年鑒》2018 年統計數據，華北地區的面積僅占全國5.63%，卻貢獻了國內生產總值(Gross Domestic Product，GDP)的25%，承載著全國25.73%的人口數量、28.55%的機動車，能源消耗占全國的27.7%[23]。 文章所用地圖的審圖號為GS(2021)516 號。

圖1 研究區域地理位置圖

1.2 研究數據

搭載于極軌合作衛星(Suomi-National Polarorbiting Partnership，S-NPP)衛星上的VIIRS，是監測氣溶膠光學厚度的重要儀器。 VIIRS 提供的22 個光譜波段覆蓋了從0.41 ～12.5 μm 的波長，其中16個為M 波段(最低點分辨率為750 m)，5 個波段為I 波段(最低點分辨率為375 m)[24]，掃描寬度為3 040 km。 與MODIS 相比，VIIRS 具有7 個雙增益波段(M1-M5、M7)，可在低輻射值下仍保持較高的信噪比，從而使M 波段更適用于陸地和大氣環境觀測。 文章選用的氣溶膠光學厚度數據為VIIRS IP AOD 數據(除非特別說明，均指550 nm 處的AOD)，時間序列自2014 年1 月至2019 年12 月，空間分辨率為750 m，數據下載自網站https:/ /www.bou.class.noaa.gov/。 在分析AOD 季節變化時，按照氣象學的慣例，將3 ～5 月定義為春季、6 ～8 月定義為夏季、9～11 月定義為秋季、12 月～次年2 月定義為冬季，并對四季AOD 值分別求平均值后再進行時空變化分析。

1.3 數據驗證

為了驗證VIIRS IP AOD 數據在華北地區的適用性， 采用2014—2017 年氣溶膠自動觀測網(Aerosol Robotic Network， AERONET) 北 京 測 站(39.877°N、116.381°E)的Level 2.0 AOD 數據。 選擇在VIIRS 衛星通過±30 min 內的氣溶膠自動觀測網氣溶膠光學厚度AERONET AOD 數據和以AERONET 測站為中心20 km×20 km 范圍內的VIIRS IP AOD 數據行相關性分析。 但由于VIIRS和AERONET 對氣溶膠觀測的中心波長和時空尺度不同，對VIIRS IP 550 nm AOD 數據進行驗證時，需將440 和870 nm 處的AERONET AOD 監測數據內插到550 nm 的公共波長，由式(1)表示為

式中α是?ngstr?m 指數(440～870 nm)。

VIIRS IP 與AERONET 的550 nm 處AOD 散點圖如圖2 所示。 可以看出，VIIRS IP 氣溶膠產品與AERONET 監測數據之間的相關系數為0.846，斜率為0.829，說明研究區內VIIRS IP AOD 與AERONET氣溶膠數據相關性顯著。 因此，可用VIIRS IP 550 nm的AOD 數據研究華北地區氣溶膠的時空變化特征。

圖2 VIIRS IP 與AERONET 北京測站550 nm AOD 散點圖

2 結果與分析

2.1 不同城市AOD 時間變化特征

為了更好地了解不同城市之間的AOD 值，分別計算了每個城市中AOD≤0.5、1.0≥AOD ＞0.5 和AOD＞1.0 的天數百分比，如圖3 所示。 北京AOD值較低天數所占百分比最高，而其值較高天數所占百分比最低，說明5 個城市中北京的空氣質量最好，而濟南和鄭州的AOD 高值天數所占百分比＞40%，空氣質量較差。

圖3 2014—2019 年華北典型城市AOD不同閾值天數百分比圖

2014—2019 年華北5 個典型城市AOD 月均值的變化如圖4 所示。 可以看出，6 年內5 個城市的AOD 月均值在0.287～1.195 之間，其變化幅度較大，月份間的差值明顯，呈中高兩低的走勢。 從1 月份開始，隨著溫度的升高，AOD 值逐漸增加，在6～8 月間迅速增加至全年最大值，然后開始呈現下降趨勢，在12 月份其值達到最低。 這與此前研究華北地區全年AOD 濃度的結論相同[25]。 此外，根據長江三角洲AOD 月間變化研究顯示[26]，長江三角洲AOD變化整體呈W 形，與華北地區特征差異較大，說明了其變化具有較強的區域性。

圖4 2014—2019 年華北典型城市AOD 月均變化趨勢圖

5 個城市AOD 的季節變化情況如圖5 所示，每個城市的AOD 值呈現夏季最高，春秋兩季次之，冬季最低的特點。 這種情況主要是由于華北地區冬夏的氣溫、濕度相差較大，夏季高溫高濕有利于“氣—粒”轉化過程中生成氣溶膠，且夏季混合層發展較高，水溶性氣溶膠吸濕膨脹也會導致夏季平均AOD值高于其他季節[27]。 濟南四季的AOD 值明顯高于其他城市，可能是由于濟南三面環山，地勢南高北低，冷性反氣旋自北向南流動，不利于氣溶膠擴散。5 個城市中鄭州市夏、冬兩季的AOD 差值最大為0.674，而天津的差值最小為0.590。

圖5 2014—2019 年華北典型城市AOD 季節變化趨勢圖

近6 年來5 個城市AOD 的年均值變化如圖6所示，具體數值見表1 和2。 2014—2019 年5 個城市AOD 年均值由高到低為濟南(0.835)、鄭州(0.831)、石家莊(0. 745)、天津(0. 702)、北京(0.651)。 由于2016 年為“十三五”規劃起始年份，以2016 年為界，AOD 時間變化特征可分為:第一階段(2014—2016 年)，北京AOD 年均值呈先降后升，鄭州、石家莊的AOD 年均值在2015 年達到歷年最大值后呈下降趨勢；2016 年北京、鄭州、石家莊的AOD 均值較2014 年都有所增加，鄭州增長率最大(12.3%)，北京增長率最小(2.4%)；濟南AOD 均值在2014—2016 年間下降幅度較小(1.4%)，天津2016 年AOD 均值比2014 年降低14.9%。 第二階段(2016—2019 年)，北京AOD 年均值在2017 年達到峰值后緩慢下降，其增長率為0.2%；鄭州AOD 年均值在2017 年增大后逐漸下降，2019 年AOD 均值較2016 年降低14.4%；濟南和石家莊AOD 值逐年下降，石家莊下降幅度最大(18.5%)。 可以看出，在“十三五”期間，5 個城市AOD 年均值整體呈下降趨勢，濟南、鄭州、石家莊的AOD 年均值下降趨勢更為明顯。

圖6 華北地區典型城市AOD 年均變化圖

表1 華北地區典型城市AOD 年均值表

表2 華北地區典型城市AOD 增長率表

2.2 華北地區AOD 空間變化特征

2014—2019 年的華北地區年均AOD 空間分布如圖7 所示，2014—2019 年AOD 標準方差空間分布如圖8 所示。 標準方差越大，說明華北地區的AOD 值與其均值相差得越遠。 根據圖7、8 可知，華北地區AOD 呈現南高北低的格局:高值主要聚集在華北地區東南部，低值區主要出現在河北北部地區；河北南部、山東西部、河南北部和山西省太原—晉中—臨汾一線的AOD 標準方差明顯高于周圍地區，屬于氣溶膠高濃度地區。 從地形分布來看，AOD 高值區主要在地勢較低的平原地區，其低值區則主要集中在海拔較高的山地。 此外，AOD 空間分布差異還與工業發展和人類活動有關，山東省是農作物的主產區，夏季焚燒秸稈增加了氣溶膠的排放；河北省南部是省內主要的工業區，其工業生產排放的大氣污染物較多。 北京、天津、濟南、鄭州、石家莊有較為明顯的亮斑，說明這些地區城市化水平較高，經濟發展的速度較快，人為氣溶膠排放量要高于周圍地區，而相比之下山西AOD 值則處于較低水平。

圖7 2014—2019 年華北地區年平均AOD 值分布圖

圖8 華北地區2014—2019 年AOD 標準方差空間分布圖

華北地區2014—2019 年四季平均AOD 值空間分布如圖9 所示。 從四季分布來看，研究區內AOD的區域分布特征與年平均分布特征基本相似，但呈現出了明顯的季節變化。 在春季，全區AOD 較高，河北省南部和山東省西部有明顯的高值區，工業活動、化石燃料燃燒是AOD 處于高值的主要原因。 山西省全境和河北省北部AOD 處于較低水平。 在夏季，全區平均AOD 達到全年最大值，高值區明顯擴張，除河北省北部和山西省西北部外，其他地區基本都處于高濃度水平，主要集中在河北省石家莊及周圍城市、河南省鄭州市、天津市及山東省西部。 山西省出現黃色次高值，沿著太原—臨汾一線逐漸過渡到與河南省的交界處。 夏季AOD 值普遍偏高的原因與秸稈焚燒以及高溫高濕有利于霧霾的形成有關。 在秋季，全區范圍內AOD 值大幅下降，高值在北京、天津、山東省西南部和河北省南部，山西省和河北省北部AOD 處于較低水平。 而在冬季，由于冬季風盛行，加速了氣溶膠的擴散和傳輸，全區內AOD 基本處于較低水平，除山東省西部還處于黃色中值區外，其他區域基本處于藍綠色低值區。

圖9 華北地區AOD 季節平均值空間分布圖

3 結論

在利用AERONET 數據驗證VIIRS IP 550 nm氣溶膠產品可用性的基礎上，選取北京、天津、濟南、鄭州和石家莊等5 個典型城市，分析了華北地區2014—2019 年的氣溶膠時空分布特征和演變規律，主要結論如下:

(1) 2014—2019 年，5 個城市中北京AOD 低值的天數所占百分比最高，而濟南、鄭州AOD 高值的天數百分比＞40%；AOD 月均差異明顯，其高值主要出現在6 ～8 月，1 和12 月的AOD 值則最低；夏季AOD 均值最高、冬季最低、春季和秋季AOD 值相近；5 個城市AOD 年均值由高到低為濟南(0.835)、鄭州(0.831)、石家莊(0.745)、天津(0.702)、北京(0.651)。

(2) 天津、濟南、鄭州、石家莊2019 年AOD 均值較2016 年有明顯下降，石家莊的下降幅度最大為18.5%，而天津的下降幅度最小為3.4%；北京AOD年均值增長率為0.2%，但整體始終保持較低水平。

(3) 華北地區2014—2019 年AOD 空間分布大體呈南高北低的格局，高值區分布在河北南部、山東西部和河南北部，低值區則主要出現在河北北部；氣溶膠空間分布受人類活動的影響明顯，5 個城市AOD 值高于周圍地區。