近年來華東地區(qū)大氣氣溶膠的時空特征

鄧學良,鄧偉濤,何冬燕

(1.安徽省氣象科學研究所安徽省大氣科學與衛(wèi)星遙感重點實驗室,安徽合肥 230031; 2.南京信息工程大學氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室,江蘇南京 210044;3.安徽省氣候中心,安徽合肥 230031)

近年來華東地區(qū)大氣氣溶膠的時空特征

鄧學良1,鄧偉濤2,何冬燕3

(1.安徽省氣象科學研究所安徽省大氣科學與衛(wèi)星遙感重點實驗室,安徽合肥 230031; 2.南京信息工程大學氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室,江蘇南京 210044;3.安徽省氣候中心,安徽合肥 230031)

利用2000年2月—2008年12月的AERONET(AErosol RObotic NETwork)地基觀測數(shù)據(jù)對MOD IS/TERRA Collection 005氣溶膠光學厚度(aerosol optical thickness;AOT)在華東區(qū)域的適用性進行了驗證,并利用驗證后的MOD IS氣溶膠產(chǎn)品對華東區(qū)域氣溶膠光學厚度和尺度分布特征進行了分析。結(jié)果表明,(1)通過驗證比較,MOD IS的AOT在華東區(qū)域與AERONET站陸基觀測到的AOT具有非常好的一致性,滿足美國NASA的設(shè)計要求。(2)華東區(qū)域的氣溶膠光學厚度存在明顯的時空分布特征。時間上,在春季和夏季達到最大,而在秋季和冬季最小,表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律?？臻g上,氣溶膠光學厚度受地形影響明顯。其高值區(qū)主要分布在平原地區(qū),而低值區(qū)主要在海拔較高的山區(qū)。(3)該區(qū)域的氣溶膠尺度分布也存在顯著的變化特征。在冬、春由于沙塵輸送的影響,整個華東區(qū)域氣溶膠粒子的尺度都比較大,主要以自然生成的沙塵粒子為主。而在夏、秋季由于夏季風和降水的影響,氣溶膠粒子的尺度都比較小,以工業(yè)排放的人為氣溶膠粒子為主。關(guān)鍵詞:MOD IS;氣溶膠;華東區(qū)域;時空特征

Abstract:Based on MOD IS_C005 aerosol product and AERONET data from February 2000 to December 2008,MOD IS/TERRA Collection 005 aerosol optical thickness was validated and aerosol characteristics were analyzed in East China.The results show that:(1)MOD IS/AOT is in accordance with AERONET/AOT and is up to the NASA design requirement through verification;(2)MOD IS/ AOT has notable spatial-temporal distribution features:AOT reaches itsmaximum value in spring and summer,and the m inimum in winter and fall;AOT tends to be higher on plains and lower in mountain areas at high altitude;(3)aerosol size distribution also presents obvious feature:aerosol size is big and coarse mode aerosol dominates in spring and winter because of dustprevalence,but under the influence of summermonsoon and rainfall,there are more fine mode aerosol and anthropogenic aerosol dominates insummer and fall.

Key words:MOD IS;aerosol;East China;Spatial-temporal features

0 引言

大氣氣溶膠通常是指懸浮在大氣中直徑小于10μm的液態(tài)或固態(tài)的微小粒子[1-2]。隨著人類活動的日益頻繁,全球大氣氣溶膠的含量顯著增加,其通過散射、反射和吸收作用影響著全球能量平衡[3-4]。IPCC第四次評估報告指出,在眾多的氣候變化影響因子中,氣溶膠的輻射強迫作用具有非常大的不確定性[5-6]。張小曳[7]在973項目“中國大氣氣溶膠及其氣候效應(yīng)的研究”中提出對于我國氣溶膠研究的必要性。

為了更好地了解我國氣溶膠的分布和特性,近年來,國內(nèi)外學者進行了大量的研究。L uo等[8]利用全國46個甲種太陽輻射站近30a的資料計算了中國地區(qū)大氣氣溶膠的光學厚度的分布和變化,發(fā)現(xiàn)中國四川盆地、貴州北部、長江中下游地區(qū)、山東半島、青藏高原和南疆盆地西部氣溶膠光學厚度存在大值區(qū),并且年變化保持一個上升的趨勢。Zheng等[9]利用太陽輻射計對敦煌地區(qū)氣溶膠特性進行了連續(xù)2a的觀測,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)氣溶膠光學厚度和A ngstrom指數(shù)等參數(shù)具有明顯的季節(jié)變化特征。Yu等[10]利用A ERON ET的多年氣溶膠觀測數(shù)據(jù),對北京氣溶膠特性進行了分析,發(fā)現(xiàn)氣溶膠光學厚度在春、夏季最大,而A ngstrom指數(shù)在夏季最大,春季最小。Zhang等[11]利用太陽光度計地面觀測對中國地區(qū)氣溶膠的分布和特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)中國黃河、長江中下游及沿海地區(qū)、四川盆地附近等地區(qū)是年氣溶膠光學厚度的極大值中心、全國大部分地區(qū)在春季氣溶膠光學厚度最大。譚浩波等[12]利用多波段太陽光度計數(shù)據(jù)反演珠江三角洲地區(qū)的氣溶膠光學厚度,得到了該區(qū)域4個站點的氣溶膠分布特征。

以上地基觀測研究精度高[13],但是它只能得到單點的數(shù)據(jù)。因此,大量的衛(wèi)星數(shù)據(jù)被利用到大面積的氣溶膠研究中來。毛節(jié)泰和李成才[14]利用GM S資料來反演中國四季氣溶膠光學厚度的分布,發(fā)現(xiàn)長江中下游及沿海地區(qū)具有較大值。李成才等[15]利用MOD IS氣溶膠產(chǎn)品統(tǒng)計了中國東部地區(qū)氣溶膠光學特征和季節(jié)變化特點,認為人類活動是中國東部氣溶膠的主要來源。柳晶[16]利用M ISR數(shù)據(jù)分析了氣溶膠光學厚度在整個中國地區(qū)的空間分布特征。鄧學良[17]結(jié)合MOD IS和CERES兩顆傳感器數(shù)據(jù)討論了我國海域氣溶膠的輻射強迫分布情況。

我國華東地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速,人為活動使得氣溶膠的排放顯著增加,可能引起該區(qū)域的環(huán)境問題和氣候變化[18]。因此,對于華東地區(qū)氣溶膠進行研究是十分必要。本文在對MOD IS_C005數(shù)據(jù)驗證基礎(chǔ)上,利用MOD IS_C005氣溶膠產(chǎn)品對華東地區(qū)氣溶膠分布進行了分析。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

研究區(qū)域選為華東區(qū)域(113～123°E,23～39°N),包括了華東6省1市。圖1為研究區(qū)域以及全球氣溶膠自動觀測網(wǎng)(A ERON ET)驗證站點。數(shù)據(jù)選取了MOD IS氣溶膠數(shù)據(jù)和A ERON ET觀測數(shù)據(jù)[19]。季節(jié)劃分采用的劃分標準為:3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月—次年2月為冬季。

圖1 研究區(qū)域及A ERON ET站點分布Fig.1 Study area and AERON ET stations

首先,搜集了2000年2月—2008年12月MOD IS_C005的Terra/MOD04_L2和MOD08_M3氣溶膠產(chǎn)品,包括550nm處氣溶膠光學厚度(AO T)和小顆粒比例(FM F)[20]。MOD IS_C005是美國國家航空航天局(NASA)對1996年開始使用的氣溶膠反演算法(A TBD-96)進行重新改進后得到氣溶膠產(chǎn)品,其精度有所提高[21]。

其次,使用了研究區(qū)域內(nèi)2000年2月—2008年12月間所有可以獲得的A ERON ET站點的L evel 2.0數(shù)據(jù),其中包括了7個波段的氣溶膠光學厚度(1 020nm,870nm,675nm,500nm,440nm,380 nm,340nm),觀測時間步長為15m in,其精度可為0.01～0.02[22],常用來驗證衛(wèi)星氣溶膠光學厚度遙感結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)驗證

由于MOD IS和A ERON ET對氣溶膠觀測的中心波長和時空尺度不同,為了使兩者具有可比性,需要對兩者的氣溶膠光學厚度做波段匹配和時空匹配的前處理。采用前人的驗證方法[23],具體步驟為: (1)波段匹配。將A ERON ET的7個波段數(shù)據(jù)擬合得到550nm處的AO T值。(2)時空匹配。在空間窗口上選擇30km×30km;在時間窗口上選擇了1h。

圖2 550nm處MOD IS氣溶膠光學厚度和A ERON ET氣溶膠光學厚度線性擬合結(jié)果 a.杭州;b.杭州_ZFU;c.合肥;d.寧波;e.南京;f.千島湖;g.壽縣;h.太湖Fig.2 Scatter plot betw een AOT550derived from MOD IS and A ERON ET at different AERON ET stations(a-h are Hangzhou, Hangzhou_ZFU,Hefei,N ingbo,Nanjing,Q iandaohu,Shouxian and Taihu,respectively.AO T550is aerosol optical thickness at550nm)

圖2 是MOD IS與A ERON ET數(shù)據(jù)經(jīng)過前處理后,得到550nm處氣溶膠光學厚度的線性擬合結(jié)果(AO T550為550nm處氣溶膠光學厚度)。從圖2可以看出,在8個A ERON ET站點中,MOD IS_C005的AO T550與A ERON ET的AO T550間的相關(guān)系數(shù)在0.8以上,而且斜率在0.9附近,說明在該區(qū)域MOD IS_C005與A ERON ET的AO T550有著很好的相關(guān)性且數(shù)值非常逼近,與賀千山等[24]研究結(jié)果一致。在8個站點中,除千島湖外,其他7個站點的截距都大于0,說明MOD IS數(shù)據(jù)在華東區(qū)域具有系統(tǒng)偏差,略高于觀測值,與夏祥鰲[25]研究結(jié)果一致。NASA對于陸地上MOD IS氣溶膠光學厚度規(guī)定的誤差范圍為±0.05±0.15τ,驗證結(jié)果中超過65%的點在規(guī)定誤差范圍內(nèi),滿足NASA要求的65%,說明MOD IS_C005的氣溶膠光學厚度適合華東區(qū)域。

3 結(jié)果分析

3.1 氣溶膠光學厚度分布

圖3是利用MOD IS_C005氣溶膠產(chǎn)品得到的華東區(qū)域2000—2008年多年平均的550nm氣溶膠光學厚度的季節(jié)分布。從圖3可以清楚地看出,華東區(qū)域氣溶膠光學厚度存在非常明顯的空間分布特征和季節(jié)變化特征。

從空間分布上看,氣溶膠光學厚度的分布與地形有非常密切的關(guān)系(圖3和圖4)。氣溶膠的高值區(qū)和低值區(qū)與地形相當吻合,深受地形的影響。從圖3來看,高值區(qū)主要集中在海拔較低的平原地區(qū),如華北平原、長江三角洲和鄱陽湖平原等。低值區(qū)大都分布在海拔相對較高的山區(qū),如山東中南部山脈群、大別山區(qū)、皖南山區(qū)以及福建全省等。從氣溶膠的總體分布來看,華北平原被太行山山脈分割為西北部的氣溶膠低值區(qū)和東南部的氣溶膠高值區(qū),且高值區(qū)向東南的平原地區(qū)不斷的擴展。與此同時,在山東中南部由于泰山等山脈群阻擋,氣溶膠的東擴受限,使得該區(qū)域常年存在低值區(qū);長江三角洲地區(qū)由于經(jīng)濟的發(fā)展,大量的工業(yè)排放對于大氣污染產(chǎn)生顯著的影響,造成該區(qū)域氣溶膠終年很高,其污染物借助氣象場擴散到周邊地區(qū),形成高值區(qū)。而大別山區(qū)和皖南山區(qū),由于地形的屏障作用,在這兩個山區(qū)氣溶膠始終處于低值區(qū);鄱陽湖平原地勢是中間低四周高,局地生成的氣溶膠無法輸送出去,使得該區(qū)域常年存在一個高值區(qū)。而與江西相鄰的福建省,由于武夷山脈的抬高作用,全省氣溶膠一直都很小。從分析可以看出,獨特的地形分布造成了華東區(qū)域上述的從北到南的氣溶膠分布特征。

從季節(jié)變化上來看,華東區(qū)域氣溶膠的四季變化非常明顯。春季,由于北方沙塵的影響,華北平原大部區(qū)域AO T大于0.8,在一年中僅次于夏季。工業(yè)污染造成長江三角洲的AO T始終大于0.8,其中心區(qū)域大于0.9,大值區(qū)覆蓋了江蘇南部、安徽南部以及上海。由于地形的作用,大別山區(qū)AO T都在0.6以下;皖南山區(qū)和福建全省連成一片,AO T都小于0.4;鄱陽湖平原的AO T中心值大于0.8,出現(xiàn)一年中的最大值。夏季與春季比較,北部AO T有所增加,而南部AO T有所減小。長江三角洲氣溶膠在夏季風的輸送下,大值區(qū)范圍擴大到江蘇全省,并通過狹長的平原通道到達華北平原,使得華北平原AO T達到一年中的最大值,中心范圍不斷擴大。與此同時,山東中南部的小值區(qū)東縮,中心范圍有所減小。而在南部區(qū)域,大別山區(qū)低值中心有所減小;皖南山區(qū)及福建全省地區(qū)的AO T低值區(qū)范圍不斷西擴,進入江西東部;鄱陽湖平原的高值中心強度也有所削弱。秋季和冬季,AO T的分布形式和春、夏季相似,所有AO T中心的強度都有明顯的減弱,冬季的AO T達到一年中的最小值。

3.2 氣溶膠小顆粒比例分布

MOD IS氣溶膠產(chǎn)品中的小顆粒比例(FM F)定義為550nm處小于1.0μm的小顆粒氣溶膠光學厚度與總氣溶膠光學厚度的比例。FM F越大,則小顆粒氣溶膠的比例越大;FM F越小,則小顆粒氣溶膠的比例越小。由于人為形成的氣溶膠如硫酸鹽等,主要是小顆粒氣溶膠;而自然氣溶膠如沙塵和海鹽,主要是大顆粒氣溶膠。所以FM F還可以用來區(qū)分人為氣溶膠和自然氣溶膠[20]。圖5是MOD IS_ C005多年平均的小顆粒比例的季節(jié)變化,可以看出,FM F在冬、春的分布非常相似,在長江以北的廣大區(qū)域,FM F都非常小,其值大部分在0.2以下。這說明該區(qū)域受北方沙塵氣溶膠的影響非常明顯,北方沙塵借助西風輸送到我國東部,使得這些地區(qū)的氣溶膠主要以自然產(chǎn)生的大顆粒的沙塵粒子為主。與此同時,長江以南區(qū)域FM F值明顯高于北部區(qū)域,除了鄱陽湖平原外,FM F都大于0.3,明顯受到自然氣溶膠和人為氣溶膠的共同作用。而在夏、秋季,FM F值在整個區(qū)域明顯增加,尤其是夏季,達到一年中的最大值,FM F值大多在0.6以上,說明夏季氣溶膠主要以人為產(chǎn)生的小顆粒氣溶膠為主,這可能與夏季降水和夏季風的共同作用有關(guān)。夏季風的盛行使得北方沙塵無法到達華東區(qū)域,同時由于夏季為一年中降水最大的季節(jié),借助雨水的沖刷作用,大顆粒的自然氣溶膠被清除,大氣只保留了小顆粒的人為氣溶膠粒子。同時還要注意,在鄱陽湖平原和長江三角洲地區(qū)FM F常年存在低值中心,這可能與地形以及人類活動有關(guān),說明在這些東部人口稠密經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū),燃燒產(chǎn)生的有效半徑較大的吸收型氣溶膠比周邊地區(qū)要高很多[15]。而福建省、大別山區(qū)和皖南山區(qū)的FM F常年存在高值區(qū),說明地形對于氣溶膠的尺度分布具有一定的影響的,可能是氣溶膠粒子在爬坡作用的影響下,造成了大顆粒粒子的沉降。

圖3 550nm處MOD IS氣溶膠光學厚度季節(jié)分布 a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.3 Seasonal distribution ofMOD IS aerosol optical thickness in East China in(a)spring,(b)summ er,(c)fall,and(d)w inter

圖4 華東區(qū)域地形圖Fig.4 Topographic m ap of East China

3.3 氣溶膠光學厚度和小顆粒比例的時間序列

圖5 MOD IS小顆粒比例(FM F)的季節(jié)變化 a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.5 Seasonal distribution ofMOD IS aerosol fine mode fraction in East China in(a)spring,(b)summer,(c)fall,and(d)w inter

圖6 550nm處MOD IS氣溶膠光學厚度(a)和小顆粒比例(b)的時間序列Fig.6 Tim e series of m onthly area m ean(a)AO T and(b)FM F in East China

圖6 是AO T和FM F在華東區(qū)域平均的時間序列,圖7是AO T和FM F在華東地區(qū)多年區(qū)域平均的月變化。從逐月的時間序列(圖6)看,AO T與FM F變化具有很明顯的規(guī)律,呈現(xiàn)出1a周期振蕩,在2個峰值之間出現(xiàn)單調(diào)增或減的趨勢,四季轉(zhuǎn)換明顯。AO T在每年的春、夏季相對較高,其中5、6月可以達到最大,而在秋、冬季相對較小,最小值一般出現(xiàn)在11、12月。同時從年際變化來看,AO T具有明顯的逐年增長趨勢,說明由于頻繁的人類活動及工業(yè)生產(chǎn),造成了氣溶膠排放的不斷增加。FM F與AO T的變化趨勢略有不同,在每年夏季的7、8、9月達到最大,而在冬、春季達到最小。圖7為多年區(qū)域平均的月變化,其變化規(guī)律與圖6相似,AO T的季節(jié)轉(zhuǎn)化非常明顯,也是在春、夏季相對較大,尤其是在6月達到最大;而在秋、冬季相對較小,在12月達到最小。同時,FM F的變化也是四季分明,在夏、秋季相對較大,在8月達到最大;在冬、春季相對較小,在4月達到最小?？梢?AO T與FM F兩者變化并不一致,說明在不同季節(jié)氣溶膠的組成成分是不同的。通過以上分析,可以看出華東區(qū)域氣溶膠光學厚度和氣溶膠尺度分布存在顯著的季節(jié)變化。

4 結(jié)論

通過利用驗證后的MOD IS_C005氣溶膠產(chǎn)品,對華東區(qū)域氣溶膠的分布及變化進行了初步研究,得到以下主要結(jié)論:

(1)通過與A ERON ET地基觀測相比較,發(fā)現(xiàn)MOD IS_C005氣溶膠光學厚度在華東區(qū)域具有一定的適用性,滿足NASA的設(shè)計要求。

(2)華東區(qū)域氣溶膠光學厚度的分布具有顯著的地域性特征,受地形影響顯著。氣溶膠光學厚度的高值區(qū)集中在海拔較低的平原地區(qū)。低值區(qū)大都分布在海拔相對較高的山區(qū)。同時其季節(jié)變化也十分顯著,氣溶膠光學厚度在每年的春、夏季相對較高,而在秋、冬季相對較小,季節(jié)轉(zhuǎn)換明顯。

(3)華東區(qū)域氣溶膠具有明顯的尺度分布特征。冬、春季的分布由于沙塵輸送的影響,整個華東區(qū)域氣溶膠粒子的尺度都比較大。而在夏、秋季由于夏季風和降水的影響,氣溶膠粒子的尺度都比較小。同時,受到地形和人類活動的共同影響,在鄱陽湖平原和長江三角洲地區(qū),氣溶膠小顆粒比例全年都存在低值區(qū),而在地勢相對較高的山區(qū),氣溶膠小顆粒比例全年都是高值。

致謝:感謝NASA GSFC提供本文所需的MOD IS_ C005數(shù)據(jù)以及A ERON ET站點負責人和調(diào)查人員對于A ERON ET數(shù)據(jù)的收集、處理和維護!

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(責任編輯:張福穎)

Spatial-temporal Features of At mospheric Aerosol in East China in RecentYears

DENG Xue-liang1,DENGWei-tao2,HE Dong-yan3
(1.Anhui Institute ofMeteorology,KeyLaboratory ofAtmospheric Science and Satellite Remote Sensing,Hefei 230031,China; 2.KeyLaboratory ofMeteorologicalDisaster ofMinistry of Education,NU IST,Nanjing 210044,China; 3.Anhui Climate Centre,Hefei 230061,China)

P402

A

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2010-03-12;改回日期:2010-03-25

安徽省自然科學基金資助項目(090415216);武漢區(qū)域氣象中心科技發(fā)展基金項目(QY-Z-200902);衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室開放研究基金資助項目(SOED0911)

鄧學良(1981—),男,安徽蚌埠人,博士,研究方向為海洋氣溶膠,dengxueliang9989@yahoo.com.cn.