京津冀地區氣溶膠光學厚度時空分布特征分析

黃雯婷，靖娟利*，王安娜，張占奕，盧夢緣，歐昱賢，李明杰

(1.桂林理工大學 測繪地理信息學院，廣西 桂林 541004；2.廣西欽州市浦北縣測繪中心，廣西 欽州 535399)

0 引言

大氣氣溶膠是大氣環境中固體和液體形成的懸浮體系，它的主要參數為氣溶膠光學厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)，表征為介質的消光系數在垂直方向上的積分，是描述氣溶膠對光的衰減作用。大氣氣溶膠來源于自然活動和人為活動，常見的自然活動包括火山爆發、森林火災和巖石風化等；人為活動有工業生產排放的煙霧微粒、煤和石油等化石燃料的燃燒以及汽車尾氣的排放等[1]。氣溶膠粒子通過吸收、散射太陽光的短波輻射可以直接影響氣候，氣溶膠粒子還可以增加云凝結核(Cloud Condensation Nuclei，CCN)濃度，改變云的反照率和微物理結構，從而間接影響氣候[2-3]。

隨著京津冀地區經濟的快速發展，近幾年來霧霾天氣頻繁發生。春季，京津冀地區容易受到沙塵暴的影響，使空氣能見度下降，容易引發交通事故并危害人體健康，且細顆粒污染物容易使人患心血管疾病和呼吸道疾病[4-5]。目前，對大氣氣溶膠的監測主要以地基監測為主，其監測方法精度較高，但地基監測存在站點較少、站點分布不均勻以及無法進行連續動態監測污染物濃度變化等問題。隨著遙感技術的發展，通過遙感反演的AOD可以在一定程度上反映大氣渾濁度和顆粒物質的含量，從而用于描述大氣質量濃度的分布，實現大規模空間上的連續監測。近年來，基于遙感技術，國內外學者已就大氣氣溶膠的時空分布和影響因素[6-8]等內容進行了廣泛研究。

京津冀地區是中國北方經濟發展的核心，分析其氣溶膠的時空分布及影響因素具有重要的意義[9-11]。Sun等[12]利用MODIS地表反射率產品(MOD09A1)結合HARLS算法反演出高分辨率的AOD數據(1 km)，利用反演后的AOD產品分析京津冀AOD的時空分布，表明AOD的空間分布受人為因素與自然因素的影響。張西雅等[13]對京津冀地區氣溶膠時空分布進行分析，表明AOD呈現西北低東南高的特點，人類活動與地區發展對AOD的分布具有顯著的影響。景悅等[14]基于2010—2016年的MODIS AOD產品分析了京津冀AOD年際與季節時空分布特點及影響因素，研究顯示AOD呈先增后減的趨勢，人為因素影響大于氣象因素。金囝囡等[15]結合AERONET地基觀測數據、MODIS衛星遙感產品以及Himawari-8氣溶膠產品對亞洲2015—2016年41個站點的細模式態氣溶膠光學特性進行研究。Wang等[16]通過全球自動監測網(AERONET)的AOD數據證實Himawari-8 AOD數據具有研究意義，并利用Himawari-8小時AOD數據、氣象因素和地理因素結合混合效應方法分析AOD的小時變化特征。

綜上所述，MODIS AOD產品在氣溶膠的研究中得到了廣泛應用，但由于氣溶膠變化速度快、生命周期短，極軌衛星獲取的氣溶膠產品的時間分辨率已經不能滿足研究需求。Himawari-8數據具有高時間分辨率的特點，對于研究氣溶膠光學性質、時空分布等具有重要的研究意義。因此本文以京津冀為研究區，采用Himawari-8小時AOD產品分析2015年12月—2018年2月京津冀AOD月、季節和年尺度的時空分布特征，以期為深入研究大氣變化和空氣環境質量的治理提供依據。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

京津冀地區位于我國東部沿海地區，東經113°27′～119°50′，北緯36°05′～42°40′，總面積21.54 km2，包括北京市、天津市和河北省。研究區地勢呈現西北高、東南低的特點，屬于溫帶大陸性季風氣候，降水量季節分配不均，夏季降水量較多。京津冀地區是中國北方經濟發展的核心，由于人口密度大，工業生產和尾氣排放等形成的污染較嚴重，從而引發霧霾天氣，能見度降低，影響人們的日常生活并危害人體健康。

1.2 研究數據

1.2.1 Himawari-8 AOD數據

Himawari-8氣象衛星是世界上首顆拍攝彩色圖像的地球同步軌道氣象衛星，于2014年10月7日由日本氣象廳發射。Himawari-8氣象衛星提供空間分辨率為5 km，時間分辨率為10 min(2級)、1 h、1 d和月(3級)的氣溶膠產品，其中包括Angstrom指數、500 nm的氣溶膠光學厚度、氣溶膠數據的質量控制參數(QA_flag)等數據[17]。本文使用的AOD數據為Himawari-8三級每小時AOD數據，來自JAXA Himawari Monitor網站(https:∥www.eorc.jaxa.jp/ptree/index.html)。

1.2.2 數據處理

本文基于京津冀地區2015年12月—2018年2月的Himawari-8三級每小時AOD數據，將其分為4個等級：“非常好”“好”“差”“較差”[16]，結合Himawari-8 AOD數據的質量控制參數，通過Matlab編程提取最高等級(“非常好”)的AOD數據作為研究數據[18]。研究過程中，選取北京時間一天中的9：00—16：00的AOD數據進行處理得到月、季節和年均值，由于2015年和2018年的數據不足，年均值主要以2016年和2017年的數據進行處理得到。分析季節變化時，遵循以下劃分原則：選取12月—次年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季[19]。以上數據處理主要通過ArcGIS軟件和Matlab編程實現。

2 結果與分析

2.1 京津冀地區AOD時間變化特征

2.1.1 年均變化特征

2016—2017年京津冀地區各市年均AOD值如表1所示。

表1 2016—2017年京津冀地區各市年均AOD值

從表1可知，2016—2017年京津冀地區年均AOD值在0.22～0.41。天津市、衡水市和邢臺市的年均AOD值均達到0.4以上，而張家口市和承德市的年均AOD值最低，略大于0.2。AOD標準差最大值出現在石家莊市、邢臺市，表明AOD值變化較大；而張家口市和承德市標準差普遍比其他地區較小，表明AOD值變化差異較小。這主要是因為張家口市和承德市位于京津冀的西北區域，屬于水源涵養區，重污染工業較少，地勢較高，且森林覆蓋面積較大，對污染物的吸附能力較強[20]。而其他城市屬于華北平原區，地勢較低，人口分布密集，工業污染嚴重，其AOD值也相對較高。

2.1.2 季節變化特征

京津冀地區各市AOD季節變化如圖1所示。

圖1 京津冀地區各市AOD季節變化直方圖Fig.1 Seasonal variation histogram of AOD in Beijing-Tianjin -Hebei region

從圖1可以看出，京津冀地區AOD值在夏季最高，冬季最低。春季AOD值最高的城市為衡水市，其值為0.41，這是因為春季是我國沙塵暴多發季節，對華北區域和西北地區的影響較大，在沙塵暴期間，大氣氣溶膠主要以粗顆粒物為主[21]。此外，春季也屬于農田播種時期，焚燒秸稈來育肥農田從而對空氣造成污染，2017年春季，衡水市出現降雨偏少導致農田階段性干旱，大風沙塵頻繁發生，空氣中粉塵懸浮形成氣溶膠。夏季和冬季AOD值最高的城市為邢臺市，其值分別為0.56和0.32。這與夏季高溫高濕的氣候特點有關，有利于霧霾的形成；而冬季相比其他季節AOD最低，主要是受到西北風的影響，空氣從污染較低的西北部向東南部流動，大氣污染得以稀釋[22]。秋季AOD整體高于冬季和春季，AOD最高值出現在滄州市，其值為0.48，主要與該地區在2016—2017年9月的2次中輕度污染有關。四季AOD值較低的城市為張家口市和承德市。

2.1.3 月變化特征

京津冀地區AOD月變化特征如圖2所示。

圖2 京津冀地區AOD月變化特征Fig.2 Monthly variation characteristics of AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

從圖2可知，2015年12月—2018年2月京津冀地區月AOD在0.23～0.55。根據擬合曲線可知，AOD月變化曲線呈雙峰分布，峰值分別出現在6月和9月，最小值出現在2月。這主要是因為6月氣溫較高，在高溫和相對濕度較大的條件下，有利于促進霧霾的形成；6—8月AOD逐漸下降，主要與夏季降水量較大有關，雨水對AOD起到沖刷作用。

京津冀地區各市AOD月變化特征如圖3所示。

圖3 京津冀地區各市AOD月變化特征Fig.3 Monthly variation characteristics of AOD in cities of Beijing-Tianjin-Hebei region

從圖3可以看出，各市月AOD變化特征與京津冀整體變化一致，其中承德市和張家口市AOD值較低，與年變化和季節變化相似。這主要是由于植被通過吸收大氣顆粒物達到去除污染物的作用，張家口市和承德市相比其他城市海拔較高，并且植被覆蓋相比京津冀平原城市要好，從而減小氣溶膠對大氣的污染。

2.2 京津冀地區AOD空間分布特征

2.2.1 年均分布特征

為研究京津冀地區AOD空間分布特征，根據經濟發展和人口分布情況，將京津冀地區劃分為4個區域：1個中心城區(北京、保定、石家莊、天津、廊坊)和3個郊區(北郊、東郊、南郊)，北郊包括承德西部、張家口；東郊包括承德東部、秦皇島和唐山；南郊包括邯鄲、邢臺、衡水和滄州[12]。

京津冀地區年均AOD空間分布如圖4所示。

圖4 京津冀地區年均AOD空間分布Fig.4 Spatial distribution of Annual AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

從圖4可以看出，京津冀地區年均AOD在0～0.7，空間分布整體呈從北向南增大的特點。中心城區與南郊AOD分布均勻且AOD在0.3～0.5，這些地區屬于京津冀人口密度和工業化程度較高的地區，排放的氣溶膠主要以人為氣溶膠為主。AOD低值區主要在北郊，數值在0.3以下。這主要是因為北郊地區地勢西北高東南低，西北風容易將污染物帶到華北平原，此外北郊地區植被生長茂盛，植被覆蓋較好，有利于吸收大量的氣溶膠顆粒物[23]。此外，太行山脈和燕山山脈位于西部和北郊與中心城區的交界處，污染物受到地形的阻擋，污染物邊界與二者邊界一致。而靠近渤海的東郊區域和相鄰中心城區AOD值較高，主要與海鹽氣溶膠的影響有關。

2.2.2 季節分布特征

京津冀地區AOD季節變化空間分布如圖5所示。

圖5 京津冀地區季節AOD空間分布Fig.5 Spatial distribution of seasonal AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

從圖5可知，AOD季節變化特征顯著，整體表現為以北京、保定、石家莊、天津和廊坊為中心城區向南、向東增加，向北減少的趨勢。AOD高值區主要分布在東郊、中心城區和南郊。AOD高值區(>0.5)空間分布季節差異顯著，表現為夏季>秋季>春季>冬季。東南部地區夏季AOD最高，冬季AOD最低，這一結論與紀曉璐等和劉浩等的研究結果一致。夏季AOD高值區主要分布在中心城區和南郊，其值在0.4～0.6，主要與夏季氣溫較高，相對濕度較大，有利于霧霾的形成有關。此外，人類活動增加與AOD高值分布區密切相關；夏季氣溫較高，森林容易產生火災，物質在燃燒的過程中會生成大量的濃霧和煙塵，對空氣造成污染[24]；夏季是平原地區小麥收獲季節，大量的秸稈燃燒也是造成AOD值較大的原因之一。冬季AOD值較小，數值在0.1～0.3，在冬季西北風的作用下，空氣從西北向東南流向，有利于氣溶膠濃度的稀釋。

2.2.3 月分布特征

京津冀地區逐月AOD空間分布如圖6所示。

圖6 京津冀地區逐月AOD空間分布Fig.6 Spatial distribution of monthly AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

從圖6可以看出，京津冀地區AOD值在0～0.7，與季節變化和年均變化數值范圍一致。1—6月京津冀地區AOD在0.4以上的污染面積逐漸增大，6月達到了最大，除了張家口市與承德市西部，其余地區AOD達到0.5以上，主要與6—7月氣溫較高，物質燃燒產生大量的煙霧，加上此時正是平原地區秸稈燃燒的高峰期有關。胡梅等[25]利用火點產品分析中國農作物燃燒排放情況，研究結果表明華北平原在夏季燃燒火點較密集。8月AOD逐漸減小，與8月是一年四季降雨量最大的時期，雨水能有效沖刷空氣中的污染物有關[26]。9月中心城區和南郊AOD值較大，與9月臺風活動和降水明顯減小，大氣處于穩定的狀態，容易形成逆溫現象，使得大氣擴散能力較差，污染物積累有關。10—12月，AOD逐漸減小。

3 結束語

本文基于Himawari-8氣象衛星的AOD產品，分析了2015年12月—2018年2月京津冀地區AOD時空變化特征。得到如下結論：

(1) 京津冀地區各市AOD年均值天津市最高，承德市最低。AOD季節變化特征明顯，夏季AOD最高，冬季最低。AOD月變化曲線具有雙峰特征，各城市與研究區變化趨勢一致。

(2) 京津冀地區AOD空間分布表現為南高北低的特點，月、季空間分布與年空間分布特征基本一致。AOD表現出顯著的季節變化特征，表現為夏季最高，冬季最低的特點。AOD月變化與季變化存在相似性，即高值區在夏季的6月、7月，冬季的12月、1月和2月AOD整體普遍最低。

(3) 氣溶膠生命周期短，時空變化性強，Himawari-8提供的AOD產品具有較高時間分辨率的特點，未來可重點研究AOD的小時變化，為相關部門對空氣污染治理提供決策支持。