東亞氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空變化特征及其對(duì)氣候可能的影響＊

羅 凱，盛立芳

（中國(guó)海洋大學(xué)1.海洋環(huán)境學(xué)院；2.物理海洋重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海洋－大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，山東 青島266100）

氣溶膠是固態(tài)和液態(tài)微粒在大氣中形成的相對(duì)穩(wěn)定的懸浮體系，是大氣中重要的成分之一，也是影響氣候變化的重要因子［1］。其來源主要為自然界產(chǎn)生和人為產(chǎn)生兩大類。東亞地區(qū)的氣溶膠種類主要是自然產(chǎn)生的沙塵氣溶膠、生物氣溶膠，以及人為產(chǎn)生的硫酸鹽氣溶膠、硝酸鹽氣溶膠和炭黑氣溶膠等［2－6］。

氣溶膠對(duì)地面能量收支乃至全球氣候變化有著重要影響，是目前氣候研究中最大的不確定性因子之一［7］。東亞作為全球氣溶膠大值區(qū)之一，氣溶膠對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊懖蝗莺鲆暋６芯繗馊苣z對(duì)氣候的影響重要的一點(diǎn)是搞清氣溶膠大尺度時(shí)空分布特征及其影響因子。同時(shí)，氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）作為氣溶膠光學(xué)特性之一，也是指示氣溶膠影響氣候的重要參量，成為研究的重要對(duì)象。

以往對(duì)大范圍區(qū)域AOD的研究主要通過多個(gè)地面太陽輻射觀測(cè)站資料反演AOD。邱金桓等［8］提出了由太陽短波直接輻射和地面能見度信息配合氣象臺(tái)站太陽直射表觀測(cè)資料反演700nm AOD的方法，并分析了中國(guó)10個(gè)太陽輻射站1980—1994年間的氣溶膠變化特征；羅云峰等［9］用中國(guó)47個(gè)太陽輻射站觀測(cè)資料反演了1961—1990年750nm AOD；宗雪梅等［10］反演了1993—2002年我國(guó)16個(gè)輻射觀測(cè)站的AOD；許瀟鋒等［11］通過從水平面直接輻射日曝輻量反演了我國(guó)50多個(gè)臺(tái)站1961—1990年750nm AOD。這些研究表明，我國(guó)AOD在空間上分布很不均勻，各站點(diǎn)變化不同，全國(guó)平均而言，AOD多年來呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，春季AOD最大。

此外，邱明燕等［12］利用單站點(diǎn)氣溶膠資料對(duì)青島地區(qū)AOD做了研究，表明青島AOD日變化較大，受風(fēng)向和天氣狀況影響明顯。肖鐘湧等［13］利用站點(diǎn)資料對(duì)杭州AOD的研究表明，當(dāng)?shù)谹OD在冬季普遍大于夏季，且AOD區(qū)域差異明顯，在人為活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)更大。蔡子穎等［14］利用單站點(diǎn)資料對(duì)鄭州AOD的研究表明，當(dāng)?shù)谹OD夏季最高，春季最低。也有學(xué)者利用衛(wèi)星資料對(duì)北京［15］、四川［16］、上海［17］等地區(qū)的 AOD進(jìn)行了研究。研究表明，北京、四川AOD受地形影響顯著，四川AOD季節(jié)變化不明顯，上海AOD有明顯日變化和季節(jié)變化，并可能受到氣象因子影響。

對(duì)于氣溶膠大尺度時(shí)空分布的研究，利用衛(wèi)星遙感資料較為方便，也十分必要［18］。有研究利用Terra或Aqua衛(wèi)星上搭載的中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）氣溶膠資料分析了中國(guó)東部AOD的時(shí)空分布特征［19－21］，結(jié)果表明，MODIS氣溶膠產(chǎn)品在東亞海陸都達(dá)到了一定的精度，AOD在中國(guó)東部地區(qū)及中國(guó)海域有明顯的區(qū)域特征和季節(jié)變化。

以往對(duì)AOD長(zhǎng)期變化的研究在空間上多為單站點(diǎn)、小尺度，而空間上的大尺度研究往往時(shí)間尺度較小，長(zhǎng)期變化不明顯。邱金桓等［22］指出，利用衛(wèi)星遙感與地基網(wǎng)絡(luò)探測(cè)相結(jié)合，研究氣溶膠光學(xué)特性的時(shí)空分布是1個(gè)有待研究和突破的問題。本文利用MODIS氣溶膠資料在大時(shí)空尺度上的優(yōu)越性，結(jié)合AERONET站點(diǎn)資料，從較大空間尺度分析整個(gè)東亞AOD在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)（2000—2011年）的分布特征，試圖找到不同地區(qū)AOD變化的共性和區(qū)別，及其關(guān)鍵的影響因素，以便對(duì)東亞AOD時(shí)空分布有更全面和深入的了解。

1 數(shù)據(jù)介紹

氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD），是衡量氣溶膠粒子對(duì)太陽輻射消光（散射和吸收）能力的1個(gè)重要參數(shù)。太陽輻射在大氣中傳輸時(shí)，路徑上兩點(diǎn)間的光學(xué)厚度等于沿兩點(diǎn)路徑的單位截面上氣溶膠所有吸收和散射物質(zhì)產(chǎn)生的總衰減，表示對(duì)太陽輻射消光作用的強(qiáng)弱，表達(dá)式為式（1）。它是無量綱量，由氣溶膠類型、含量的大小以及粒子譜分布等決定。AOD作為大氣氣溶膠最基本的光學(xué)特性之一，是表征大氣氣溶膠狀況的1個(gè)重要物理量，是評(píng)價(jià)大氣環(huán)境污染、研究氣溶膠氣候效應(yīng)的關(guān)鍵因子。同時(shí)，由于太陽輻射能量主要集中在可見光波段，因此可見光波段的AOD對(duì)地球輻射平衡的影響較為顯著，成為研究中的重點(diǎn)。本文選取的AOD為550nm。

式中：λ為波長(zhǎng)；τ（λ）為波長(zhǎng)λ處的氣溶膠光學(xué)厚度；h為大氣高度；β為高h(yuǎn)處氣溶膠粒子在波長(zhǎng)λ處的消光系數(shù)。

Angstrom指數(shù)表征垂直氣柱內(nèi)氣溶膠粒子的譜分布，表示顆粒的平均半徑。Angstrom指數(shù)α可以利用公式（2），由2個(gè)波段的AOD求得（這里選的是440和675nm）。氣溶膠粒子平均半徑隨著α的增大而減小，因此Angstrom指數(shù)可用來判斷氣溶膠粒子大小及類型。

式中：τ440、τ675分別代表440和675nm 的 AOD。

MODIS是Terra和Aqua衛(wèi)星上都裝載的重要傳感器，是地球觀測(cè)系統(tǒng) （Earth Observing System，EOS）計(jì)劃中用于觀測(cè)全球生物和物理過程的儀器。它提供0.4～14.5μm之間36個(gè)波段的圖像，星下點(diǎn)空間分辨率可為250、500和1 000m，視場(chǎng)寬度為2 330km，每2d可連續(xù)提供地球上任何地方白天反射輻射和白天／晝夜的發(fā)射輻射數(shù)據(jù)，包括對(duì)地球陸地、海洋和大氣觀測(cè)的可見光和紅外波譜數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)集既可以用于研究云、水汽、氣溶膠、痕量氣體、陸表和洋面特性等的相互作用，也可以用于研究它們對(duì)地球能量平衡和氣候變化的影響。搭載MODIS傳感器的Terra衛(wèi)星于2000年升空，至今已有12a的資料。

AERONET使用CE318型太陽光度計(jì)進(jìn)行氣溶膠地基觀測(cè)，目前在全球分布有500多個(gè)站點(diǎn)。提供全球不同氣溶膠類型區(qū)的AOD、Angstrom指數(shù)、反演參數(shù)產(chǎn)品和可降水量數(shù)據(jù)［23］。它的產(chǎn)品有很高的精度，例如 AOD產(chǎn)品誤差在0.01～0.02之間［24］。所以該網(wǎng)站在氣溶膠衛(wèi)星遙感產(chǎn)品和模式產(chǎn)品的驗(yàn)證等方面發(fā)揮了重要作用。

本文主要使用了Terra衛(wèi)星MODIS傳感器2000—2011年的月平均550nm AOD資料，氣溶膠自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)（Aerosol Robotic Network，AERONET）在東亞5個(gè)典型站點(diǎn)2006年的日平均440和675nm AOD資料，日平均440～675nm Angstrom指數(shù)資料，以及NCEP／NCAR 2000—2011年的月平均850hPa位勢(shì)高度資料。

為使衛(wèi)星和地面觀測(cè)的AOD波段統(tǒng)一，利用440和675nm AOD 以及公式（2）、（3）計(jì)算得到 AERONET 550nm的 AOD。

式中：τ440、τ550分別代表440和550nm的 AOD。

2 東亞AOD時(shí)空分布的EOF分析

為了解東亞AOD的時(shí)空分布和不同成因及類型，本文對(duì)2000—2011年季節(jié)平均的AOD數(shù)據(jù)做了距平EOF分析。季節(jié)劃分：春季為3、4、5月，夏季為6、7、8月，秋季為9、10、11月，冬季為12月和次年1、2月。AOD的距平值指的是每個(gè)季節(jié)的原始值與2000—2011年共48個(gè)季節(jié)所作的總平均值之差，保留季節(jié)信號(hào)。

表1 EOF前9個(gè)模態(tài)的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率Table 1 Eigenvalue，variance contribution and cumulated variance contribution of the first nine modes of EOF

表1為EOF前9個(gè)模態(tài)的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率。其中第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為41.96%，第二模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為19.09%，其余模態(tài)方差貢獻(xiàn)率都在3%以下。

根據(jù) North等［25］提出的檢驗(yàn)方法，令其中δλα是相鄰特征值之間的樣本誤差，λα為第α模態(tài)的特征值，n為樣本容量。當(dāng)相鄰兩特征值之差大于δλα?xí)r，這2個(gè)特征值可分離，所對(duì)應(yīng)的模態(tài)有意義。經(jīng)過計(jì)算，λ1－λ2＝194.74，δλ172.93；λ2－λ3＝144.42，δλ233.18。得出：λ1－λ2＞δλ1，λ2－λ3＞δλ2，第一模態(tài)和第二模態(tài)有意義。其他模態(tài)相鄰兩特征值之差都小于δλα，故不再考慮。

2.1 EOF第一模態(tài)分析

圖1 EOF第一模態(tài)空間分布Fig.1 Spatial pattern of EOF Mode－1

圖2 EOF第一模態(tài)時(shí)間序列Fig.2 Time series of EOF Mode－1

圖1 為第一模態(tài)的空間分布型?？梢钥闯?，東亞AOD整體呈同位相變化。陸地上，振幅最大的地區(qū)在中國(guó)華東、華北，越往南振幅越小，尤其在中國(guó)西南地區(qū)，振幅最小。海洋上最大振幅出現(xiàn)在35°N以北靠近大陸的部分，越往南振幅越小，在20°N以南振幅最小，甚至在17°N以南的南海出現(xiàn)反位相。圖2為第一模態(tài)時(shí)間序列，圖中圓點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間刻度依次為每年的春、夏、秋、冬。結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)第一模態(tài)空間型有明顯的季節(jié)變化，空間型在春季最顯著，其次為秋冬季，但位相相反。對(duì)于春季來說，2003年春季AOD變化最大，2004年最小。從圖2還可以看出，春季和夏季AOD的變化在2000—2003年整體上都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，2004年突降，又在2004—2008年呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，2009年突降，整體上體現(xiàn)出5a左右的周期性振蕩。秋季AOD變化在2006—2010年呈反位相逐年增大的趨勢(shì)。冬季變化規(guī)律不甚明顯。由于資料長(zhǎng)度所限，以上表現(xiàn)出的周期可能并不十分準(zhǔn)確。研究表明，亞洲季風(fēng)存在準(zhǔn)2a，準(zhǔn)3～5a的年際振蕩［26－28］，由于 AOD受風(fēng)向、溫度和濕度等氣象要素影響明顯，而這些氣象要素的變化與季風(fēng)系統(tǒng)密切相關(guān)，所以春夏季AOD出現(xiàn)的年際振蕩可能與亞洲季風(fēng)的年際振蕩有一定關(guān)系，但這需要進(jìn)一步研究。

第一模態(tài)在春季最為顯著，對(duì)春季AOD距平場(chǎng)進(jìn)行合成后（圖略）也得到了與圖1類似的空間分布。由于東亞沙塵氣溶膠也在春季明顯［29］，因此初步判斷第一模態(tài)主要反映了春季沙塵氣溶膠對(duì)東亞地區(qū)AOD的影響。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該猜測(cè)，本文利用AERONET東亞5個(gè)典型站點(diǎn)2006年的日平均550nm AOD資料和440～675nm Angstrom指數(shù)資料進(jìn)行研究。Angstrom指數(shù)α的范圍一般為0＜α＜2，平均值大約為1.3。氣溶膠粒子平均半徑隨著α的增大而減小。城市－工業(yè)氣溶膠一般為1.1≤α≤2.4［30］，生物質(zhì)燃燒氣溶膠為1.2≤α≤2.3［30］，沙塵氣溶膠一般為－1≤α≤0.5［31］，海鹽氣溶膠為1.1≤α≤1.8［32］。選擇2006年的原因，一是當(dāng)年春季沙塵天氣較為典型，二是這5個(gè)站點(diǎn)在當(dāng)年的觀測(cè)資料都較全，其他年份則有某些站點(diǎn)資料不完整導(dǎo)致無法比較。

圖3 北京站2006年Angstrom指數(shù)與AOD的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Correspondence between Angstrom index and AOD in Beijing Station，2006

圖3為北京站2006年Angstrom指數(shù)與AOD的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于受到云的影響等原因，并不是每天都有觀測(cè)數(shù)據(jù)，所以每個(gè)季節(jié)的觀測(cè)天數(shù)少于季節(jié)實(shí)際總天數(shù)。一般而言，550nm AOD超過1時(shí)已經(jīng)較大，本文為方便論述，合理選擇AOD＝1.5作為衡量AOD大值的標(biāo)準(zhǔn)。另外，根據(jù)上文對(duì)Angstrom指數(shù)的介紹，認(rèn)為Angstrom指數(shù)小于0.5時(shí)表示受到沙塵影響。

從圖3a可發(fā)現(xiàn)，春季Angstrom指數(shù)絕大多數(shù)在1.0以下，低于0.5的時(shí)次超過春季總觀測(cè)時(shí)次的28%，而另外三季（見圖3b，3c，3d）的Angstrom指數(shù)大多集中在1.0附近或大于1.0。這說明北京地區(qū)春季受沙塵影響十分明顯。而春季AOD較高的日期，Angstrom指數(shù)普遍較小。絕大部分AOD大于1.5的日期，Angstrom指數(shù)都小于1.0，甚至是小于0.5，即受到了沙塵氣溶膠的影響。北京地區(qū)春季AOD出現(xiàn)高值的日期與Angstrom指數(shù)出現(xiàn)低值的日期較為吻合，即當(dāng)氣溶膠以沙塵氣溶膠為主時(shí)AOD偏大，這說明沙塵氣溶膠造成了北京地區(qū)春季部分AOD高值的出現(xiàn)。這與楊志峰［33］在對(duì)北京上甸子測(cè)站氣溶膠資料研究中得出的結(jié)論一致。造成這一現(xiàn)象的原因主要是中國(guó)華北地區(qū)以及蒙古國(guó)南部在春季干旱少雨，且風(fēng)力較大，氣溶膠的濕沉降較小，蒙古國(guó)南部沙漠地區(qū)易起沙塵，一定條件下大量沙塵氣溶膠向東長(zhǎng)距離輸送，甚至可以擴(kuò)散到東部沿海，這種現(xiàn)象在4月份最明顯［29］，這使得北京地區(qū)的AOD值在春季較高。對(duì)其他站點(diǎn)（韓國(guó)Anmyon站，日本Shirahama站，太湖站）的研究也得出了類似的結(jié)論：春季受到沙塵影響，Angstrom指數(shù)普遍偏小，AOD高值的出現(xiàn)也受到沙塵影響。

圖4 2006年東亞五站點(diǎn)日平均Angstrom指數(shù)Fig.4 Daily mean Angstrom index of five stations in East Asia，2006

圖4 為北京站、韓國(guó)Anmyon站、太湖站、日本Shirahama站和香港PolyU站2006年日平均Angstrom指數(shù)。從圖中可以較明顯地發(fā)現(xiàn)2006年春季東亞內(nèi)陸的沙塵氣溶膠對(duì)整個(gè)東亞地區(qū)的影響過程：

亞洲北部地區(qū)氣候較干燥，蒙古國(guó)南部、中蒙交界和中國(guó)西部、北部的戈壁、沙漠等是全球沙塵氣溶膠的重要發(fā)源地。北京站（見圖4a）位于116°E，雖然離沙塵源地較遠(yuǎn)，但從3月初開始Angstrom指數(shù)逐漸減小，小于0.5的記錄增多，表示當(dāng)?shù)亻_始受到沙塵氣溶膠影響，一直持續(xù)到4月底，并造成了當(dāng)?shù)谹OD的增加；韓國(guó)Anmyon站（見圖4b）位于126°E，韓國(guó)屬于半島國(guó)家，其附近沒有較大的沙塵來源，但從3月下旬開始，也出現(xiàn)了Angstrom指數(shù)小于0.5的觀測(cè)記錄，即沙塵氣溶膠開始增加，一直持續(xù)到4月下旬；日本Shirahama站（見圖4d）位于135°E，日本為島國(guó)，本國(guó)的森林覆蓋率很高，附近同樣沒有較大的沙塵來源，但從3月下旬開始，也開始受到沙塵氣溶膠的影響，一直持續(xù)到4月下旬。

北京站、韓國(guó)Anmyon站和日本Shirahama站的資料充分說明了春季亞洲北部沙塵氣溶膠可以從源地一直向東長(zhǎng)距離傳播，甚至可以跨海傳播到韓國(guó)和日本。另一方面，通過以上3圖的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，沙塵氣溶膠對(duì)各地區(qū)的影響自西向東逐漸減弱，北京站、韓國(guó)Anmyon站和日本Shirahama站在春季的Angstrom指數(shù)最小值依次增大，Angstrom指數(shù)小于0.5的天數(shù)也依次減少。

同時(shí)，經(jīng)計(jì)算，北京站春季多年平均550nm AOD約0.75，韓國(guó)站約0.45，日本站約0.32，3站的 AOD依次減小。這一方面是因?yàn)楦鱾€(gè)站點(diǎn)所處的環(huán)境導(dǎo)致本底AOD不同，另一方面也是因?yàn)樯硥m氣溶膠在自西向東長(zhǎng)距離傳播過程中逐漸減弱，對(duì)AOD的影響也自西向東逐漸減弱。

東亞南部地區(qū)，太湖站（見圖4c）整個(gè)春季Angstrom指數(shù)都較全年其他時(shí)期偏小，幾乎都在1.0和0.5之間，這說明該地區(qū)還是受到了北方沙塵的影響，使當(dāng)?shù)貧馊苣z粒徑偏大。但該影響在太湖地區(qū)已經(jīng)較弱，圖4c顯示，整個(gè)春季，雖然Angstrom指數(shù)較小，但小于0.5的觀測(cè)記錄只有1個(gè)。至于香港PolyU站（見圖4e），可以看出亞洲北部的沙塵天氣沒有對(duì)香港地區(qū)造成明顯的影響。

從太湖站和香港PolyU站的資料可以發(fā)現(xiàn)，源自亞洲北部的沙塵氣溶膠，在向南傳播過程中，逐漸減弱，到達(dá)長(zhǎng)江流域時(shí)已經(jīng)很弱，而對(duì)更偏南的地區(qū)影響則更小，反映出當(dāng)?shù)卮杭镜臍馊苣z類型不以沙塵氣溶膠為主。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，東亞地區(qū)沙塵氣溶膠無論時(shí)間分布還是空間分布，都和AOD的EOF第一模態(tài)所表現(xiàn)出的時(shí)空分布特征較為一致。因此認(rèn)為，沙塵氣溶膠是導(dǎo)致EOF第一模態(tài)呈現(xiàn)此特征的主要原因。

2.2 EOF第二模態(tài)分析

圖5為第二模態(tài)的空間分布型?？梢钥闯?，南北方呈現(xiàn)明顯的反位相。正負(fù)最大振幅分別出現(xiàn)在華北地區(qū)和南海地區(qū)。長(zhǎng)江流域及其以南大部分地區(qū)變化不明顯。西北太平洋上，除中國(guó)東南沿海外大部分海域變化也不大。結(jié)合圖6的第二模態(tài)時(shí)間序列可以發(fā)現(xiàn)，第二模態(tài)的空間型也有明顯的季節(jié)變化，空間型在夏季最顯著，同時(shí)，對(duì)夏季AOD距平場(chǎng)進(jìn)行合成后（圖略）也得到了與圖5類似的空間分布。第二模態(tài)在春季也較明顯，但位相與夏季相反，強(qiáng)度也較夏季偏小。夏季存在5a左右的周期性振蕩且整體上有上升趨勢(shì)，春季存在3～4a的周期性振蕩且整體上有明顯下降趨勢(shì)，秋季和冬季存在4a左右的周期性振蕩但變化較小。春夏季雖然都有周期性振蕩，但總的變化趨勢(shì)相反，使得整個(gè)時(shí)間序列振幅逐年增大。

各個(gè)季節(jié)出現(xiàn)的年際振蕩為3～5a，與第一模態(tài)類似，這也可能是受到亞洲季風(fēng)存在準(zhǔn)2a，準(zhǔn)3～5a的年際振蕩的影響。由于資料長(zhǎng)度所限，年代際振蕩所表現(xiàn)出來的周期可能并不十分準(zhǔn)確，需要進(jìn)一步研究。

從時(shí)間序列上看，第二模態(tài)主要反映了夏季的特征（正的峰值遠(yuǎn)大于負(fù)的谷值），及春夏之間的差異。春季時(shí)間序列為負(fù)值，配合空間分布表明AOD在北方減小，南方增大；夏季為正值，表明北方增大，南方減小。

春季華北地區(qū)盛行西北風(fēng)，風(fēng)從燕山山脈和太行山脈吹向東部平原，不利于華北地區(qū)氣溶膠的聚集；同時(shí)大氣中溫度和濕度都較低，不利于工業(yè)氣溶膠的吸濕性膨脹。因此，春季華北地區(qū)由工業(yè)氣溶膠導(dǎo)致的AOD相對(duì)減小。廣東、廣西北部為山地，此時(shí)盛行的偏南風(fēng)受地形影響，使得氣溶膠在廣東和廣西南部堆積，同時(shí)當(dāng)?shù)販囟群蜐穸榷驾^高，利于工業(yè)氣溶膠的吸濕性膨脹，導(dǎo)致當(dāng)?shù)谹OD增大。

夏季華北地區(qū)盛行東南風(fēng)，使得氣溶膠易受燕山山脈和太行山脈的阻擋而堆積，同時(shí)大氣的溫度和濕度都較高，因此工業(yè)氣溶膠大量聚集和吸濕性膨脹，導(dǎo)致AOD增大。華北地區(qū)人口比南方更稠密，工業(yè)氣溶膠的排放源也比南方更多，這使得當(dāng)?shù)爻蔀檎麄€(gè)東亞地區(qū)夏季AOD的主要貢獻(xiàn)源。相比之下，海南地區(qū)AOD下降。但海南地區(qū)AOD只是相對(duì)第二模態(tài)空間型表現(xiàn)為下降，若只看海南地區(qū)，其夏季AOD在有些年份比春季大，有些年份比春季小。在海上，由于受到工業(yè)氣溶膠源區(qū)的影響很小，所以除了靠近大陸的海域外，其他海域AOD變化都很小。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，人為氣溶膠的時(shí)空分布特征與第二模態(tài)表現(xiàn)出的特征較為類似，因此初步認(rèn)為，第二模態(tài)反映出在排除第一模態(tài)沙塵氣溶膠影響之后，人為的工業(yè)氣溶膠決定了AOD的大小和分布。這主要是工業(yè)氣溶膠受其排放源，地形條件，以及風(fēng)場(chǎng)、溫度、濕度和降水等氣象條件的綜合影響而造成的。在此分析基礎(chǔ)上，時(shí)間序列振幅的逐年增大，反映出了工業(yè)氣溶膠對(duì)AOD的貢獻(xiàn)在逐年增大。

3 東亞AOD與850hPa夏季西太平洋副熱帶高壓的關(guān)系

西太平洋副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱西太副高）是影響東亞氣候的重要系統(tǒng)，其位置和強(qiáng)度都有較為明顯的季節(jié)和年際變化，當(dāng)這些變化出現(xiàn)異常時(shí)，往往能夠造成東亞地區(qū)大范圍的旱澇災(zāi)害。研究表明，西太副高的移動(dòng)受到太陽輻射［34］、海洋熱力強(qiáng)迫［35］及大氣加熱［36］等的影響，而氣溶膠通過對(duì)太陽光的輻射強(qiáng)迫，對(duì)以上3個(gè)因子都會(huì)產(chǎn)生影響。因此有必要分析氣溶膠與西太副高之間可能存在的聯(lián)系。

由于春夏季氣溶膠一般集中在對(duì)流層中低層［37－38］，因此選擇了850hPa西太副高作為研究對(duì)象，同時(shí)參照王啟等［39］定義850hPa西太副高指數(shù)的方法，選擇1 520線作為刻畫850hPa西太副高的指標(biāo)線，并定義了850hPa西太副高的月平均西脊點(diǎn)指數(shù)IW，即月平均850hPa高度場(chǎng)上110°E～155°E，10°N～40°N范圍內(nèi)位勢(shì)高度1 520gpm線最西端所在的經(jīng)度。由于該區(qū)域的月平均1 520線一般只在5～8月閉合，因此每年只得到5～8月份4個(gè)月的IW。

將各月AOD分別與5～8月IW做2000—2011年的相關(guān)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4月份AOD與6月份IW出現(xiàn)大范圍較強(qiáng)的相關(guān)性。圖7為4月份AOD與6月份IW的相關(guān)系數(shù)分布，其中陰影區(qū)顯著性水平超過90%。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，主要的相關(guān)區(qū)域都在海上，大致以22.5°N為界，以北呈負(fù)相關(guān)，以南呈正相關(guān)，即在22.5°N以北的海域上空隨著AOD的增大（減?。?50 hPa西太副高西脊點(diǎn)向西（東）移動(dòng)；在22.5°N以南的海域上空隨著AOD的增大（減?。?，850hPa西太副高西脊點(diǎn)向東（西）移動(dòng)。在對(duì)更低層925hPa的分析中也出現(xiàn)了相同的結(jié)論。

對(duì)比圖1與圖7可以發(fā)現(xiàn)，圖1中EOF第一模態(tài)海上極值部分所在區(qū)域同圖7中出現(xiàn)高相關(guān)的區(qū)域所在位置較為一致：EOF第一模態(tài)海上高值基本出現(xiàn)在30°N～45°N之間，負(fù)值區(qū)雖然有較多缺測(cè)值，但仍可以看出其基本出現(xiàn)在位于5°N～17.5°N，100°E～115°E的南海；而相關(guān)系數(shù)圖中海上負(fù)相關(guān)較強(qiáng)區(qū)基本出現(xiàn)在27.5°N～45°N之間，正相關(guān)較強(qiáng)區(qū)出現(xiàn)在位于5°N～17.5°N，100°E～115°E的南海。

由前一節(jié)論述可知，第一模態(tài)主要反映了春季沙塵氣溶膠的分布特征。在春季，蒙古國(guó)南部、中蒙交界和中國(guó)西部、北部的戈壁、沙漠等地干旱少雨且風(fēng)力較大，易起沙塵且氣溶膠的濕沉降較小，在西北風(fēng)的作用下大量沙塵氣溶膠向東長(zhǎng)距離輸送，擴(kuò)散到東部沿海，直至日本以東海域，這種現(xiàn)象在4月份最明顯［29］。

雖然沙塵氣溶膠可以吸收太陽輻射，對(duì)沙塵層有很強(qiáng)的加熱作用［40］，但由于沙塵對(duì)太陽輻射的反照率高于海面，使得對(duì)整個(gè)海氣系統(tǒng)來說，吸收的太陽輻射是減少的。研究表明，東亞春季北太平洋中高緯地區(qū)的沙塵氣溶膠對(duì)太陽的輻射強(qiáng)迫為負(fù)［41］，王宏等［42］模擬估算的2001年春季東亞－北太平洋地區(qū)大氣頂凈輻射強(qiáng)迫為－0.943W·m－2，海面為－5.445W·m－2。因此，在沙塵氣溶膠盛行并維持一段時(shí)間后，該區(qū)域海面及低層大氣溫度將下降，使得該區(qū)域氣壓升高。根據(jù)天氣分析的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，西太副高更容易向著增壓的方向移動(dòng)［43］。因此，4月份中緯度西北太平洋上空AOD的增大（減?。┯锌赡芤?月份中低對(duì)流層西太副高西脊點(diǎn)向西（東）移動(dòng)。

圖7 AOD（4月）與IW（6月）的相關(guān)系數(shù)分布Fig.7 Correlation coefficients between AOD （April）and IW （June）

由圖1分析可知，在低緯度的南海幾乎不受沙塵影響，此處的氣溶膠類型主要為炭黑氣溶膠［44］，該類型氣溶膠對(duì)太陽輻射主要為強(qiáng)烈的吸收作用，使得大氣增溫，同時(shí)造成海面接收的太陽輻射減少。但整個(gè)海氣系統(tǒng)的輻射強(qiáng)迫為正，且一般在春季最顯著［45］，正輻射強(qiáng)迫最終導(dǎo)致大氣和海面溫度升高［46］。海氣溫度的升高進(jìn)一步加強(qiáng)了當(dāng)?shù)氐膶?duì)流活動(dòng)，有利于南海季風(fēng)槽的形成和增強(qiáng)，而南海季風(fēng)槽的形成和增強(qiáng)進(jìn)一步使得西太副高西脊點(diǎn)向東移動(dòng)。所以春季南海AOD增大（減?。?，有可能引起中低對(duì)流層西太副高西脊點(diǎn)向東（西）移動(dòng)。徐海明等［47］的研究表明，孟加拉灣對(duì)流的加強(qiáng)可導(dǎo)致西太副高西脊點(diǎn)向西移動(dòng)，同時(shí)也得出孟加拉灣和南海－西太平洋的對(duì)流活動(dòng)相反，當(dāng)孟加拉灣對(duì)流活躍時(shí)，南海－西太平洋的對(duì)流活動(dòng)會(huì)明顯受到抑制，南海季風(fēng)槽中斷；祝從文等［48］的研究表明南海－西太平洋一帶的上升運(yùn)動(dòng)可以通過緯向環(huán)流為西太副高的東移提供條件。二者在一定程度上都佐證了本文所研究南海區(qū)域的AOD與IW的聯(lián)系。

從圖7還可以發(fā)現(xiàn)，與負(fù)相關(guān)區(qū)域相比，正相關(guān)區(qū)域更加集中，相關(guān)系數(shù)也更大，這說明AOD對(duì)西太副高的影響可能受太陽輻射隨緯度的變化而變化。南海處于熱帶，太陽輻射比中高緯度強(qiáng)，AOD在變化程度相同的情況下，對(duì)輻射的影響也更強(qiáng)。同時(shí)，由于南北方氣溶膠類型不同，炭黑氣溶膠對(duì)太陽輻射的吸收比沙塵氣溶膠強(qiáng)很多，而沙塵氣溶膠對(duì)太陽輻射的后向散射能力強(qiáng)于炭黑氣溶膠［49］，這造成二者對(duì)輻射及海氣溫度的影響程度也不盡相同。

陸地上之所以沒有出現(xiàn)較好的相關(guān)性，原因可能是陸地上空氣溶膠類型比較復(fù)雜，多種類型氣溶膠混雜導(dǎo)致對(duì)太陽輻射的強(qiáng)迫作用正負(fù)及大小不定，使相關(guān)性不明顯；另一方面也可能是陸上氣溶膠導(dǎo)致的地面、大氣溫度變化，與海洋上的西太副高聯(lián)系不大。

4 結(jié)論

本文利用Terra衛(wèi)星MODIS傳感器2000—2011年550nm AOD資料，AERONET東亞站點(diǎn)AOD和Angstrom指數(shù)資料，以及 NCEP／NCAR的2000—2011年位勢(shì)高度資料，用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解方法（EOF）分析了近12a東亞AOD時(shí)空分布特征，同時(shí)分析了AOD對(duì)夏季850hPa西太平洋副熱帶高壓的影響。研究結(jié)果表明：（1）EOF第一模態(tài)，東亞AOD整體呈同位相變化。陸地上，振幅最大的地區(qū)在中國(guó)華東、華北，越往南振幅越小，尤其在中國(guó)西南地區(qū)，振幅最小。在海洋上，最大振幅出現(xiàn)在35°N以北靠近大陸的部分，越往南振幅越小，在20°N以南振幅最小，甚至在17°N以南的南海出現(xiàn)反位相?？臻g型在春季最顯著，其次為秋冬季，但位相相反。沙塵氣溶膠是導(dǎo)致EOF第一模態(tài)出現(xiàn)的主要原因。

（2）EOF第二模態(tài)，東亞大陸AOD在南北方呈現(xiàn)明顯反位相，正負(fù)最大振幅分別出現(xiàn)在華北地區(qū)和南海地區(qū)。長(zhǎng)江流域及其以南大部分地區(qū)變化不明顯。西北太平洋上，除中國(guó)東南沿海外大部分海域變化也不大?？臻g型在夏季最顯著，春季也較明顯，但位相與夏季相反。第二模態(tài)反映出在排除第一模態(tài)沙塵氣溶膠影響之后，人為的工業(yè)氣溶膠決定了AOD的大小和分布。這主要是工業(yè)氣溶膠受其排放源，地形條件，以及風(fēng)場(chǎng)、溫度、濕度和降水等氣象條件的綜合影響而造成的。

（3）4月份西太平洋上AOD與6月份850hPa西太副高的西脊點(diǎn)指數(shù)有較明顯的2個(gè)月超前相關(guān)。該相關(guān)大致以22.5°N為界，以北呈負(fù)相關(guān)，以南呈正相關(guān)。初步分析認(rèn)為：北部負(fù)相關(guān)是由于4月份當(dāng)?shù)睾Ｓ蛏峡帐苌硥m氣溶膠影響，負(fù)的輻射強(qiáng)迫使溫度下降，氣壓上升。因此AOD的增大（減小）將導(dǎo)致西太副高西伸（東退）。南部正相關(guān)是由于4月份當(dāng)?shù)睾Ｓ蛏峡帐芴亢跉馊苣z影響，正的輻射強(qiáng)迫使溫度升高，對(duì)流加強(qiáng)。因此AOD的增大（減?。?dǎo)致西太副高東退（西伸）。

當(dāng)然，EOF只是1種純數(shù)學(xué)的分析方法，其結(jié)果不一定與物理意義吻合。本文中，前兩模態(tài)分別可以解釋方差的41.96%和19.09%，雖然比較大，但畢竟沒有體現(xiàn)出AOD分布的所有特征。同時(shí)，1個(gè)模態(tài)可能受多種物理機(jī)制共同影響，1種物理機(jī)制也可能在多個(gè)模態(tài)中發(fā)揮作用，所以文中所述影響2個(gè)模態(tài)的主要因素，不能完全解釋該2個(gè)模態(tài)表現(xiàn)出來的所有特征，但對(duì)于主要特征，文中解釋是合乎邏輯的。

文中提到EOF時(shí)間序列出現(xiàn)的年際振蕩，還需要更長(zhǎng)時(shí)間尺度資料的驗(yàn)證，與亞洲季風(fēng)年際振蕩的關(guān)系，也有待進(jìn)一步研究。

另外，西太副高的移動(dòng)受多種動(dòng)力、熱力因子綜合影響，情況復(fù)雜，本文只是從1個(gè)可能的方面進(jìn)行了初步分析并提出觀點(diǎn)，要想深入了解氣溶膠對(duì)西太副高的影響，還需大量的研究工作。

致謝：感謝NASA提供的 MODIS AOD資料，感謝AERONET提供的AOD和Angstrom指數(shù)資料，感謝NCEP／NCAR提供的位勢(shì)高度資料。

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