基于MODIS 的中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度時空分布特征

單楠，楊曉暉，時忠杰，閆峰

(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，100091，北京)

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系，大氣氣溶膠粒子的粒徑多在0.001 ～10 μm 之間［1］。雖然氣溶膠質(zhì)量僅占整個大氣質(zhì)量的1/10 億，但其對全球的能量平衡和水循環(huán)有重大影響［2－4］。大氣氣溶膠粒子可以通過散射、吸收太陽輻射和吸收、發(fā)射紅外輻射直接影響地氣系統(tǒng)輻射能收支，從而影響區(qū)域以至全球的氣候及生態(tài)環(huán)境。氣溶膠粒子還可影響云/降水過程，間接影響氣候［5］。同時，氣溶膠還是局地光化學(xué)煙霧和區(qū)域空氣污染的主要成分，不僅造成大氣能見度嚴(yán)重下降［6］，而且對人類健康造成不利影響［7］。氣溶膠作為氣候變化中最不確定的重要因子之一［8］，其時空分布變化特征引起了國內(nèi)外科學(xué)家和學(xué)者的廣泛關(guān)注［9－12］。作為氣溶膠最基本的光學(xué)特性之一，氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)被定義為介質(zhì)的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，是描述氣溶膠對光的衰減作用的主要因子。它是目前可以得到的氣溶膠數(shù)據(jù)中覆蓋范圍最廣、較準(zhǔn)確的一種數(shù)據(jù)［13］，也是推算氣溶膠含量、評估大氣污染程度、確定氣溶膠氣候效應(yīng)的關(guān)鍵因子［14－15］。近年來，工業(yè)的發(fā)展與人類活動的加劇引起的氣溶膠排放量的顯著增加，導(dǎo)致了區(qū)域的環(huán)境問題和氣候變化［16］。在2010年NASA 發(fā)布的全球空氣污染形勢圖中，中國的華北、華東、華中全部成為污染重災(zāi)區(qū)。對中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度的時空變化特征的分析，將有助于研究大氣氣溶膠引起的輻射強迫和水循環(huán)改變對氣候的影響，探討大氣氣溶膠光學(xué)厚度與大氣污染物及其氣象因素的關(guān)系，提高預(yù)測未來氣候變化的可信度，進而為提出合理的對策提供科學(xué)的依據(jù)。對我國乃至整個亞太地區(qū)的生態(tài)、環(huán)境和氣候均產(chǎn)生重要影響［17］。目前我國氣溶膠的研究已經(jīng)取得了很多有價值的成果，但是多以區(qū)域性研究為主，主要集中在北京［18－21］、西北地區(qū)［22－24］、長江三角洲［25－26］等地，對整個中國陸地研究尚少。為了更加全面系統(tǒng)地了解我國陸地上空氣溶膠的時空分布變化和規(guī)律，筆者利用MODIS 08_C5 氣溶膠產(chǎn)品2000－02—2008－12近9 a 的資料，對全中國(除南海諸島嶼外，下同)陸地氣溶膠光學(xué)厚度的時空分布情況和季節(jié)變化特征進行統(tǒng)計分析，以揭示陸地氣溶膠光學(xué)厚度與沙塵之間的相關(guān)關(guān)系，為科學(xué)準(zhǔn)確地了解我國大氣氣溶膠光學(xué)厚度的時空分布特征提供參考。

1 研究方法

1.1 資料來源與數(shù)據(jù)處理

美國國家航天局(NASA)為了實現(xiàn)對大氣和地球環(huán)境變化的長期觀測和研究，開始了地球觀測系統(tǒng)計劃(EOS)。其成功發(fā)射的Terra 和Aqua 衛(wèi)星上搭載的中分辨率成像光譜儀MODIS 傳感器具有廣闊的覆蓋空間，為近一步研究陸地、海洋和大氣特征提供了豐富的資料。利用全球自動觀測網(wǎng)(AERONET)的太陽光度計測得的光學(xué)厚度對NASA 發(fā)布的MODIS AOD 產(chǎn)品進行驗證，相關(guān)系數(shù)高達0.8［27－28］，說明MODIS 氣溶膠產(chǎn)品達到了一定的精度。鄧學(xué)良等［12］、段婧等［25］、李成才等［10］分別對MODIS 產(chǎn)品進行了相關(guān)驗證，并利用其對中國部分地區(qū)進行了氣溶膠光學(xué)厚度的研究。因此，可以認為，MODIS 氣溶膠產(chǎn)品已達到了相應(yīng)的質(zhì)量要求，可以用于研究中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度的分布和變化特征。本文所用的資料取自NASA 的MODIS網(wǎng)站(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/)全球大氣3 級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分辨率為1°×1°，時間序列為2000－02—2008－12。首先對所獲得的MODIS 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，利用ENVI、ARCVIEW、ARCGIS 軟件進行波段提取、投影、剪裁、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和柵格計算等，獲得中國陸地2000—2008 年550 nm 處的大氣氣溶膠月平均光學(xué)厚度(AOD)的柵格數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

對中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度進行時空分布規(guī)律的研究中采用的季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)為:3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12 月至翌年2 月為冬季。

中國陸地氣溶膠空間變化趨勢分析是通過一元線性回歸法，利用每個像元上9 a 的氣溶膠光學(xué)厚度月均值求出斜率，利用逐像元的斜率分布進行光學(xué)厚度的空間變化分析。如果斜率小于0，則表明呈負變化趨勢，氣溶膠光學(xué)厚度減少，反之，則表現(xiàn)為增加趨勢。

氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢公式為

式中:Sslope為氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢;AAODi為第i像元氣溶膠光學(xué)厚度月均值。

氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢與年份之間的關(guān)系采用相關(guān)系數(shù)方法進行分析，即把光學(xué)厚度值和時間分別看作2 個變量，用得到的R 表示光學(xué)厚度與年份之間的相關(guān)程度，其公式為

式中: Rxy為變量x 和y 的相關(guān)系數(shù);n 為樣本數(shù);xi為第i 像元時間變量;yi為第i 像元年氣溶膠光學(xué)厚度月均值;為變量時間x(文中取1，2，3，…，9)的平均值，為變量年氣溶膠光學(xué)厚度月均值yi的平均值。

從2 個方面對中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度時空變化趨勢進行分析。一是利用空間平均方法分析氣溶膠光學(xué)厚度全年及春季、夏季、秋季和冬季的變化特征和變化趨勢;二是基于逐個像元分析氣溶膠光學(xué)厚度的空間趨勢，以揭示其變化的空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溶膠光學(xué)厚度年均值空間分布特征

2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值空間分布圖(圖1)顯示，全國氣溶膠光學(xué)厚度存在非常明顯的空間分布特征。高值中心位于南疆盆地、長江及黃河中下游地區(qū)、華南沿海、四川盆地，中心值超過0.5，而青藏高原、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)等則處于氣溶膠光學(xué)厚度低值區(qū)。

圖1 2000—2008 年中國陸地(除南海諸島外)氣溶膠光學(xué)厚度年均值空間分布圖Fig.1 Annual spatial distribution of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

從2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)年均值分布圖(圖2)看，整個中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度的空間分布存在明顯的季節(jié)變化，且不同地區(qū)季節(jié)變化特征不同。黃河下游和長江中下游地區(qū)在全年內(nèi)都處于氣溶膠高值區(qū)。可能是因為這些地區(qū)快速的經(jīng)濟發(fā)展造成了嚴(yán)重的大氣污染，對氣溶膠的光學(xué)厚度產(chǎn)生了顯著的影響。青藏高原地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度值經(jīng)歷了由春到夏逐漸增大，秋季再次減少的過程，隨季節(jié)變化明顯，該地區(qū)人口稀少，受人為活動影響小;但是稀疏的地表植被和較少的降水易引起沙塵天氣，可能是其氣溶膠的主要來源。四川盆地、華南沿海和兩廣地帶氣溶膠光學(xué)厚度值夏季略有減少，可能由于降水頻繁，雨水的清除和濕沉降縮短了氣溶膠的生命期。而南疆盆地及其周圍地區(qū)主要屬于沙漠氣候，降水偏少，極易發(fā)生沙塵天氣，有利于氣溶膠的形成，全年的氣溶膠光學(xué)厚度值都偏高。

圖2 2000—2008 年中國陸地(除南海諸島外)氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)年均值分布圖Fig.2 Seasonal spatial distribution of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

2.2 氣溶膠光學(xué)厚度年均值時間變化趨勢

圖3 是2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值逐年變化圖?？梢钥闯?，氣溶膠光學(xué)厚度的年均值經(jīng)歷了先減少后增加的變化過程。2000—2004 年，氣溶膠光學(xué)厚度值從0.194 減少到0.180，2004 年后開始逐步增加，到2008 年增加到0.195，與2000 年基本持平。對于2004 年氣溶膠光學(xué)厚度極低值的出現(xiàn)還需要收集更多的資料對其進行分析，本文暫不討論。分別對2000—2004 年和2004—2008 年2 個時間段氣溶膠光學(xué)厚度年均值與年份進行回歸分析，表明前一時間段氣溶膠光學(xué)厚度年均值年波動幅度比較大，平均值為0.193，而后一階段的氣溶膠光學(xué)厚度年均值與年份之間具備較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.858(P=0.063)，通過了0.1 的顯著性檢驗，增加的趨勢較顯著。

圖3 2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值逐年變化圖Fig.3 Interannual variations in AOD in China during 2000—2008

彩圖4 為全國氣溶膠光學(xué)厚度年均值的線性趨勢圖，彩圖5 為氣溶膠光學(xué)厚度年均值與年份的相關(guān)系數(shù)。從圖4 可以看出，各個柵格單元的斜率值均為負值，表明全國氣溶膠光學(xué)厚度值在2000—2008 年顯現(xiàn)減少趨勢，且數(shù)值大小由西向東(紅－黃－綠－深藍，)逐漸減少，說明東部氣溶膠光學(xué)厚度變化速率慢，東部地區(qū)頻繁的人類活動導(dǎo)致的大氣污染以及多變的氣象變化與氣溶膠光學(xué)厚度的復(fù)雜關(guān)系可能是導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因。圖5 則表明氣溶膠光學(xué)厚度年均值隨年份變化不顯著。

圖6 為2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值各季節(jié)變化趨勢圖。可以看出，2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值季節(jié)變化趨勢顯示，春夏季氣溶膠光學(xué)厚度年均值總是大于秋季和冬季，且夏秋季氣溶膠光學(xué)厚度變化波動較大。氣溶膠光學(xué)厚度年均值春季達到最大值，為0.239，其次是夏季和冬季，其值分別為0.225 和0.158，秋季最小，為0.149。線性趨向分析顯示，春夏季氣溶膠光學(xué)厚度值呈減小趨勢，秋冬季呈增加趨勢，但是各個季節(jié)氣溶膠光學(xué)厚度值隨年份增加均不顯著。

圖4 氣溶膠光學(xué)厚度年均值的線性趨勢Fig.4 Linear trend distribution of mean annual AOD

圖5 氣溶膠光學(xué)厚度年均值與年份的相關(guān)系數(shù)Fig.5 Related coefficient of mean annual AOD and year

圖6 2000—2008 年中國陸地(除南海諸島外)氣溶膠光學(xué)厚度年均值各季節(jié)變化趨勢Fig.6 Seasonal variations of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

2000—2008 年中國陸地氣溶膠光學(xué)厚度年均值隨季節(jié)的線性變化趨勢圖(彩圖7)顯示，全國氣溶膠光學(xué)厚度年均值呈現(xiàn)較弱的減小趨勢，并且各個地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度年均值變化季節(jié)差異明顯，夏季氣溶膠光學(xué)厚度年均值多年來以增加為主，顯著區(qū)為中國的青藏高原、內(nèi)蒙古西部和貴州的西南部，而秋季顯著增加的地區(qū)轉(zhuǎn)移到兩廣地帶。冬季北方地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度年均值增加可能與風(fēng)沙天氣增多和取暖燃煤有關(guān)。同一季節(jié)不同地區(qū)的線性趨勢分布情況不同，體現(xiàn)了明顯的區(qū)域特征。從彩圖8 可以看出，春夏季北方大部分地區(qū)隨著年份的增加，氣溶膠光學(xué)厚度年均值出現(xiàn)了較明顯的變化，這可能與近些年來沙塵天氣頻繁對氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)生了顯著影響。而秋冬季長江中下游、東南沿海以及兩廣地帶氣溶膠光學(xué)厚度值隨年份變化的增強趨勢表現(xiàn)明顯，其原因可能是該地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展產(chǎn)生的工業(yè)污染造成了氣溶膠光學(xué)厚度的增加，而春夏季豐富的降水可能對其氣溶膠光學(xué)厚度增加有抵消作用。

圖7 氣溶膠光學(xué)厚度年均值隨季節(jié)的線性變化趨勢Fig.7 Linear trend distribution of seasonal AOD

圖8 各個季節(jié)氣溶膠光學(xué)厚度年均值與年相關(guān)系數(shù)Fig.8 Related coefficient of seasonal AOD and year

圖9 顯示了氣溶膠光學(xué)厚度月均值在不同年份的逐月變化情況?？芍?，氣溶膠光學(xué)厚度在一年中呈現(xiàn)先增加再減小的明顯趨勢，并在4 和11 月份達到年內(nèi)最大值和最小值，其多年平均值分別為0.258 和0.131;因此，春季是氣溶膠光學(xué)厚度的高值季節(jié)。

圖9 氣溶膠光學(xué)厚度月均值年內(nèi)變化趨勢Fig.9 Annual variations in mean monthly AOD

2.3 氣溶膠光學(xué)厚度與沙塵之間的關(guān)系

為了探究氣溶膠光學(xué)厚度與沙塵的關(guān)系，統(tǒng)計了2000—2008 年全國每月發(fā)生沙塵的次數(shù)。從沙塵多年逐月變化趨勢圖(圖10)上可以看出，一年中沙塵在4 月發(fā)生的次數(shù)最多，占全年總發(fā)生次數(shù)的33.79%，與氣溶膠光學(xué)厚度年內(nèi)逐月變化趨勢表現(xiàn)了較好的一致性。圖11 是以中國陸地各月沙塵總次數(shù)為橫軸，以相對應(yīng)的氣溶膠光學(xué)厚度月均值為縱軸點繪的關(guān)系圖?？梢?，月沙塵發(fā)生次數(shù)10 次以上區(qū)域，沙塵月發(fā)生次數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度之間呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.779(P ＜0.01)，而在月發(fā)生沙塵次數(shù)10 次以下地區(qū)，沙塵次數(shù)與氣溶膠光學(xué)厚度之間沒有明顯的關(guān)系，亦即氣溶膠光學(xué)厚度并不隨著沙塵次數(shù)產(chǎn)生明顯的規(guī)律性變化;因此，根據(jù)沙塵高發(fā)區(qū)主要分布在我國北方地區(qū)的實際，可以認為，中國北方地區(qū)(黃淮以北)沙塵可能是氣溶膠光學(xué)厚度的主要影響因素，而在黃淮以南地區(qū)(包括西南地區(qū))工業(yè)污染可能是氣溶膠光學(xué)厚度的主要影響因素。

圖10 沙塵發(fā)生次數(shù)月均值年內(nèi)變化趨勢Fig.10 Annual variations of mean monthly dust frequency

圖11 氣溶膠光學(xué)厚度月均值與沙塵發(fā)生總次數(shù)關(guān)系圖Fig.11 Relationship between mean monthly AOD and the total times of dust occurrence

3 結(jié)論

1) 我國氣溶膠光學(xué)厚度的多年平均分布具有明顯的地域特征，其高值中心位于南疆盆地、長江和黃河下游地區(qū)、華南沿海以及四川盆地，且氣溶膠光學(xué)厚度呈現(xiàn)逐年減小的趨勢，東部地區(qū)較西部地區(qū)減小不明顯。

2) 氣溶膠光學(xué)厚度季節(jié)變化顯著，且全國各地區(qū)情況不同，黃河下游、四川盆地和長江中下游地區(qū)常年處于氣溶膠光學(xué)厚度高值區(qū)，青藏高原和新疆東部從春到夏逐漸增大，秋季再次減少，直到冬季達到其最低值。南疆盆地全年的氣溶膠光學(xué)厚度值都偏高。長江中下游地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度年內(nèi)變化顯著，冬春季節(jié)氣溶膠光學(xué)厚度較高。

3)2000—2008 年氣溶膠光學(xué)厚度年內(nèi)變化都表現(xiàn)為4 月達到最大值，11 月為最小值，并且與全國發(fā)生沙塵天氣月均值的變化趨勢一致。

［1］ Eck T F，Holben B N，Reid J S，et al.Wave length dependence of the optical depth of biomass burning，urban，and desert dust aerosols［J］.J Geophys Res，1999，104(D24):3l333－3l349

［2］ Houghton J T，Ding Y，Griggs D J，et al.Climate Change 2001:The scientific basis，Contribution of working group I to the third assessment report of the intergovernmental panel on climate Change［M］.Cambridge，United Kingdom and New York，NY，USA:Cambridge University Press，2001:881

［3］ Chen L W A，Doddridge B G，Dickerson R R，et al.Origins of fine aerosol mass in the Baltimore－W ashington corridor:Implications from observation，factor analysis，and ensemble air parcel back trajectories［J］.Atmosphere Environment，2002，36:4541－4554

［4］ Dickerson R R，Kondragunta S，Stenchikov G，et al.The impact of aerosols on solar ultraviolet radiation and photochemical smog［J］.Science，1997，278:827－830

［5］ 羅云峰，李維亮，周秀驥.20 世紀(jì)80 年代中國地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)厚度的平均狀況分析［J］.氣象學(xué)報，2001，59(1):77－87

［6］ Malm W C.Characteristics and origins of haze in the continental United－States［J］.Earth－Sci Rev，1992，33:1－36

［7］ Samet J M，Dominici F，Curriero F C，et al.Fine particulate air pollution and mortality in 20 US Cities，1987－1994［J］.New Eng－J Med，2000，343:l742－1749

［8］ Solomon S，Qin Dahe，Manning M，et al.Climate Change 2007:The physical science basis，Contribution of working group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change［M］.Cambridge，United Kingdom and New York，NY，USA: Cambridge University Press，2007:996

［9］ Zheng Y F，Liu J J，Wu R J，et al.Seasonal statistical characteristics of aerosol optical properties at a site near a dust region in China［J］.J Geophys Res，2008，113:16205，doi:10.1029/2007JD009384

［10］李成才，毛節(jié)泰，劉啟漢，等.利用MODIS 研究中國東部地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的分布和季節(jié)變化［J］.科學(xué)通報，2003，48(19):2094－2100

［11］柳晶.中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性及輻射強迫的衛(wèi)星遙感觀測研究［D］.南京:南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，2008:12

［12］鄧學(xué)良，鄧偉濤，何冬艷.近年來華東地區(qū)大氣氣溶膠的時空特征［J］.大氣科學(xué)學(xué)報，2010，33(3):347－354

［13］Ramachandran S.Aerosol optical depth and fine mode fraction variations deduced from Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)over four urban areas in India［J］.J Geophys Res，2007，112:16207，doi:10.1029/2007JD008500

［14］馬井會，鄭有飛，張華.黑碳氣溶膠光學(xué)厚度的全球分布及分析［J］.氣象科學(xué)，2007，27(5):549－556

［15］董海鷹，劉毅，管兆勇.MODIS 遙感中國近海氣溶膠光學(xué)厚度的檢驗分析［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，2007，30(3):328－337

［16］石廣玉，王標(biāo)，張華.大氣氣溶膠的輻射與氣候效應(yīng)［J］.大氣科學(xué)，2008，32(4):826－840

［17］羅云峰，周秀驥，李維亮.大氣氣溶膠輻射強迫及氣候效應(yīng)的研究現(xiàn)狀［J］.地球科學(xué)進展，1998，13(6):572－581

［18］車慧正，石廣玉，張小曳.北京地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特性及其直接輻射強迫的研究［J］.中國科學(xué)院研究生院學(xué)報，2007，24(5):699－704

［19］王靜，楊復(fù)沫，王鼎益.北京市MODIS 氣溶膠光學(xué)厚度和PM2.5 質(zhì)量濃度的特性及其相關(guān)性［J］.中國科學(xué)院研究生院學(xué)報，2010，27(1):10－16

［20］李本綱，冉陽，陶澍.北京市氣溶膠的時間變化與空間分布特征［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2008，28(7):1425－1429

［21］李曉靜，劉玉潔，邱紅，等.利用Modis 資料反演北京及其周邊地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的方法研究［J］.氣象學(xué)報，2003，61(5):580－591

［22］李剛，季國良.中國西北地區(qū)大氣氣溶膠散射光學(xué)厚度分析［J］.高原氣象，2001(20):283－290

［23］李侖格，李富剛，王廣河，等.西北地區(qū)氣溶膠遙感及其氣候效應(yīng)研究綜述［J］.中國沙漠，2008，28(3):579－585

［24］陶健紅，黃玉霞，陸登榮.河西走廊沙塵活動對蘭州PM10 濃度的影響及其評估［J］.中國沙漠，2007，27(4):672－676

［25］段婧，毛節(jié)泰.長江三角洲大氣氣溶膠光學(xué)厚度分布和變化趨勢研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，27(4):537－543

［26］宋磊，呂達仁.上海地區(qū)大氣氣溶膠光學(xué)特性的初步研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2006，11(12):203－208

［27］Chu D A，Kaufman Y J，Zibordi G，et al.Global monitoring of air pollution over land from the Earth Observing System－Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)［J］.J Geophys Res，2003，108:4661，doi:10.1029/2002JD003179

［28］Remer L A，Kaufman Y J，Tanre D，et al.The MODIS aerosol algorithm’products and validation［J］.Atmosphere Science，2005，62:947－973