云南省氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空變化特征的遙感研究

張 云，肖鐘湧

1.易門(mén)縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站，云南 玉溪 651100

2.集美大學(xué)理學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021

云南省氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空變化特征的遙感研究

張 云1，肖鐘湧2

1.易門(mén)縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站，云南 玉溪 651100

2.集美大學(xué)理學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021

利用中分辨率成像光譜儀(MODIS)的氣溶膠產(chǎn)品研究云南省氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)的時(shí)空變化特征。研究結(jié)果表明：在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，區(qū)域月平均AOT沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，年平均值大約為0.19，反映了人為活動(dòng)排放進(jìn)入大氣的氣溶膠沒(méi)有明顯的增加；月平均AOT的變化呈雙峰分布特征，2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在3、8月，AOT大約為0.35±0.08和0.31±0.05，5月出現(xiàn)明顯的谷值(0.20±0.03)，AOT減少的原因可能是該地區(qū)降水增多，大量的降水可以清除大氣中的氣溶膠粒子，最小值常出現(xiàn)在1月或12月，AOT大約為0.09±0.02。在空間上，云南省AOT普遍較低，年平均值的空間分布為0～0.4，低值區(qū)出現(xiàn)在西北部的迪慶州、怒江州和麗江市；AOT高值區(qū)分布在云南省的南部和東北部地區(qū)，3月AOT值最大可達(dá)0.80以上，南部和北部差值達(dá)到0.60以上，8月AOT的高值區(qū)主要出現(xiàn)在中部的玉溪市紅河州北部、玉溪市和昆明市。云南省AOT北高南低分布格局的原因主要是北部地區(qū)人為氣溶膠排放較少，另外，由于地形的影響，北部地區(qū)風(fēng)速較大，氣溶膠停留在大氣中的時(shí)間較短，AOT較小。

云南?。恢蟹直媛食上窆庾V儀；衛(wèi)星遙感；氣溶膠光學(xué)厚度

大氣氣溶膠不僅危害人體健康，致使環(huán)境狀況惡化，而且影響地球氣候系統(tǒng)。研究表明人體肺部功能的下降、呼吸系統(tǒng)疾病的增多、正在逐年增加的死亡率都與氣溶膠粒子濃度的上升存在著緊密的聯(lián)系[1]。粒徑在10 μm以下的顆粒物可以進(jìn)入鼻腔，7 μm以下的顆粒物可進(jìn)入咽喉，而小于2.5 μm的顆粒物可被吸入肺部，深入肺泡并沉積，進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)，從而對(duì)人類(lèi)的健康造成直接的傷害。人類(lèi)活動(dòng)向大氣排放的氣溶膠粒子，包括大量的硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物及少量的有機(jī)酸等化學(xué)物質(zhì)，它們與酸雨的形成有密切的關(guān)系，在城市環(huán)境中容易產(chǎn)生二次光化學(xué)反應(yīng)。氣溶膠通過(guò)吸收和散射影響太陽(yáng)輻射，進(jìn)而影響地-氣系統(tǒng)的輻射收支平衡，氣溶膠在地球輻射收支平衡中扮演著最重要的角色[2-4]。另一方面，氣溶膠也可以充當(dāng)生成云、霧的凝結(jié)核，影響云的反射率，從而對(duì)地-氣系統(tǒng)輻射平衡產(chǎn)生間接影響[5-6]。但是這種間接輻射強(qiáng)迫大小還有很大的不確定性。所以，大氣氣溶膠是氣候系統(tǒng)研究的一個(gè)最重要的不確定性來(lái)源[7-8]。了解氣溶膠分布、氣溶膠特性對(duì)研究氣溶膠的環(huán)境氣候效應(yīng)是關(guān)鍵的一步。目前，氣溶膠觀測(cè)手段從地面觀測(cè)到衛(wèi)星遙感觀測(cè)，如美國(guó)NASA在全球建立了一個(gè)氣溶膠自動(dòng)地面觀測(cè)網(wǎng)(AERONET)[9-10]，為氣溶膠研究提供了大量的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，并作為衛(wèi)星遙感驗(yàn)證的數(shù)據(jù)來(lái)源。隨著傳感器的發(fā)展，衛(wèi)星遙感與地基遙感相比具有全球覆蓋的優(yōu)勢(shì)，如分辨率成像光譜儀(MODIS)提供了全球氣溶膠研究的手段，具有較高的時(shí)間空間分辨率[11-13]。

MODIS氣溶膠產(chǎn)品是運(yùn)用暗像元法進(jìn)行反演得到的[14-15]。最新的算法是Levy等[16]和Remer等[17]在Kaufman的暗像元算法基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，提供了全球10 km分辨率的氣溶膠產(chǎn)品。該產(chǎn)品對(duì)于研究區(qū)域尺度和全球尺度氣溶膠污染物有重要應(yīng)用價(jià)值。盡管衛(wèi)星遙感有很多優(yōu)點(diǎn)，由于復(fù)雜的氣溶膠特性，衛(wèi)星遙感反演存在著很大的不確定性，需要地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明了氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)產(chǎn)品有足夠的精度用于氣溶膠的時(shí)空變化特征的分析[18-20]。本文利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品分析云南省AOT的時(shí)空變化，從而揭示云南省氣溶膠污染的特征，為云南省空氣質(zhì)量評(píng)估提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云南省的地理坐標(biāo)范圍為21°12′～29°12′N(xiāo)、97°30′～106°06′E，地處中國(guó)西南邊陲。2010年第六次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)顯示，全省總?cè)丝跒? 596.6萬(wàn)人。云南省的氣候有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶和高原氣候區(qū)等7個(gè)溫度帶氣候類(lèi)型。有“植物王國(guó)”之稱(chēng)，森林覆蓋率達(dá)50%以上，而且森林覆蓋率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。平均溫度為5～24 ℃左右，南北氣溫相差達(dá)19 ℃左右。全省大部分地區(qū)年降水量為1 100 mm，南部部分地區(qū)可達(dá)160 mm以上。但是，由于冬季和夏季受不同大氣環(huán)流的控制和影響，降水量在季節(jié)上和地域上的分配極不均勻，干濕季分明。夏季受西南季風(fēng)影響，潮濕悶熱，降水充沛。一年中90%左右的降水都集中于雨季(5—10月)，降水量最多集中在6—8月中，約占全年降水量的60%，而干季(11月—次年4月)的降水總量?jī)H占全年的10%左右[21]。

2 數(shù)據(jù)和方法

MODIS氣溶膠產(chǎn)品從NASA的LADSWEB數(shù)據(jù)中心獲得。MODIS是EOS觀測(cè)計(jì)劃Terra和Aqua衛(wèi)星上搭載的一個(gè)重要傳感器。上午星Terra和下午星Aqua分別發(fā)射于1999年12月18日和2002年5月4日，大約在當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午10：30和下午13：30飛過(guò)赤道。MODIS提供了在可見(jiàn)光、近紅外光和紅外光共36個(gè)通道的全球觀測(cè)數(shù)據(jù)，為反演有關(guān)陸地、云、氣溶膠、水汽、臭氧、海色、浮游植物、生物地球化學(xué)等產(chǎn)品提供了豐富的信息?？梢?jiàn)光通道1(660 nm)和通道2(860 nm)具有250 m星下點(diǎn)的空間分辨率，3～7通道具有500 m的空間分辨率，其他通道的空間分辨率為1 000 km。MODIS掃描寬度為2 330 km，覆蓋全球只要1 d。NASA利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠特性的反演，發(fā)布了10 km分辨率的全球氣溶膠產(chǎn)品[22]，與AERONET相比，大陸上空MODISAOT的精度大約為66%±(0.05+15%)范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)(r)為0.9[23]。這些資料已被廣泛應(yīng)用于分析大氣氣溶膠的研究。田永麗等[24]利用太陽(yáng)光度計(jì)和MODIS研究了中國(guó)西南地區(qū)氣溶膠AOT的時(shí)空特征。本文運(yùn)用的MODIS氣溶膠產(chǎn)品的時(shí)間跨度為2003—2013年。存儲(chǔ)格式為HDF數(shù)據(jù)格式。

首先，利用MATLAB讀取HDF數(shù)據(jù)，生成Shapefile的點(diǎn)文件格式數(shù)據(jù)。由于各種原因，特別是云的影響，MODIS氣溶膠特性數(shù)據(jù)較少，而且為了方便數(shù)據(jù)處理和分析，把Terra-MODIS和Aqua-MODIS合成起來(lái)，作為1 d的平均值來(lái)考慮，合并的時(shí)候考慮到有些數(shù)據(jù)點(diǎn)缺失，如果在一個(gè)空間范圍內(nèi)有2個(gè)數(shù)據(jù)，取平均；只有1個(gè)數(shù)據(jù)的話(huà)，就用該數(shù)據(jù)代表該空間范圍的值。但是，在天的尺度上很難有足夠的空間分布數(shù)據(jù)滿(mǎn)足分析要求，因此，對(duì)該區(qū)域的Terra-MODIS和Aqua-MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行月合成，再對(duì)合成后的數(shù)據(jù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)成10 km空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)，通過(guò)柵格數(shù)據(jù)研究在月和年尺度上的時(shí)空變化特征。年平均的空間分布是利用12個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算。并計(jì)算區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差(σ)，計(jì)算公式為

(1)

3 結(jié)果與分析

3.1 AOT的空間分布特征

圖1為2003—2013年云南省年平均AOT的時(shí)間變化和空間分布特征。

圖1 2003—2013年云南省年平均AOT空間分布特征

從圖1可以看出，云南省AOT普遍較低，年平均值的空間分布為0～0.4，云南省的工業(yè)和交通等人為氣溶膠源相對(duì)較少，工業(yè)排放和汽車(chē)尾氣的排放較?。恢脖桓采w好，植被可以減少地面氣溶膠進(jìn)入大氣，而且可以吸附大氣中的氣溶膠粒子，植被起到凈化空氣的作用；另外，云南省海拔較高，大氣層厚度減小，空氣密度和水汽含量較??；除了本地源影響較小外，由于云南省所處的地理位置，受其他高值氣溶膠的區(qū)域影響較小。這些原因使得AOT值普遍偏低[24-25]。2003—2013年這段時(shí)間，整個(gè)地區(qū)的AOT沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)。這說(shuō)明了10a以來(lái)云南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較慢，城市化進(jìn)程較低，環(huán)境保持得較好。

云南省AOT空間差異顯著，低值區(qū)出現(xiàn)在西北部的迪慶州、怒江州和麗江市。主要原因是海拔高(平均在3 000 m以上)，人為活動(dòng)較小，空氣干潔，沒(méi)有污染，使得該區(qū)域的AOT較小[24-25]，這跟大氣背景氣溶膠的數(shù)據(jù)相近。從圖中還可看出，云南省西北部地區(qū)空間分布較為一致，突出了背景氣溶膠的特點(diǎn)。最大的AOT高值區(qū)分布在云南省的南部和東北部地區(qū)，特別是在西雙版納州的勐臘，2004年，年平均AOT達(dá)0.50以上。在南部出現(xiàn)較高AOT的原因可能是工礦業(yè)較為發(fā)達(dá)，人為氣溶膠排放源相對(duì)較多，在勐臘有較大的鐵礦和水泥工廠(chǎng)；另一個(gè)高值區(qū)出現(xiàn)在東北部的昭通市，2006年平均AOT達(dá)0.50，原因主要有人口多(521.3萬(wàn))，人為活動(dòng)影響較大，而且煤碳工業(yè)發(fā)達(dá)，2006年煤炭產(chǎn)量突破了千萬(wàn)噸，工礦業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生大量的氣溶膠，使得AOT較高。

云南省AOT分布呈北高南低格局的另外一個(gè)原因是北部地區(qū)海拔較高(海拔大于2 000 m)，地面摩擦衰減的影響小，風(fēng)速較大；反之，南部的大部分地區(qū)，因海拔相對(duì)較低，地形對(duì)風(fēng)的衰減影響很大，風(fēng)速較小。大風(fēng)使得氣溶膠停留在大氣中的時(shí)間較短，因此AOT較小。

圖2描述了云南省多年月平均AOT的時(shí)間變化和空間分布特征。

圖2 2003—2013年云南省多年月平均AOT的空間分布特征

由圖2可見(jiàn)，AOT呈現(xiàn)明顯的季節(jié)和空間變化，整個(gè)區(qū)域最大值出現(xiàn)在3月，AOT平均值和σ分別為0.36和0.16，σ是指根據(jù)區(qū)域每個(gè)像元的σ，它能反映AOT空間分布的差異。AOT空間分布差異最大的月份出現(xiàn)在3、4月，北部和南部的差值達(dá)到0.60以上。在空間分布上，整個(gè)區(qū)域的AOT普遍大于其他月份；到5月，AOT從4月的0.31±0.14下降為0.20±0.07，AOT減少的原因可能是該地區(qū)降水增多，大量的降水可以清除大氣中的氣溶膠粒子。到7月，AOT值逐漸回升，8月出現(xiàn)一年中第2個(gè)峰值，AOT大約為0.31±0.09。在空間分布特征上與3月不同，AOT的高值區(qū)主要出現(xiàn)在中部的昆明市、玉溪市和紅河北部(如昆明市污染較為嚴(yán)重的地區(qū)，AOT達(dá)到0.85以上)，主要原因是人為排放氣溶膠較多，而且靜穩(wěn)天氣比較多，使得氣溶膠長(zhǎng)時(shí)間停留在大氣中，AOT較大。一年四季最低值區(qū)出現(xiàn)在西北部的迪慶州、怒江州和麗江市。10月—次年2月，整個(gè)地區(qū)的AOT普遍較低，個(gè)別地區(qū)的AOT達(dá)到0.30(如昭通市的北部、文山州的東部)；12月或1月的AOT達(dá)到極小值，大約為0.09±0.06，空間差異最小，整個(gè)區(qū)域的AOT最低。

3.2 AOT的時(shí)間變化特征

圖3為2003—2013年全省區(qū)域月平均AOT和σ變化的點(diǎn)線(xiàn)圖(圖中黑實(shí)線(xiàn)為散點(diǎn)圖的擬合直線(xiàn))。

圖3 2003—2013年區(qū)域月平均AOT和σ的變化

由圖3可見(jiàn)，在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，AOT沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，年平均值在0.19上下波動(dòng)，變幅大約為0.02，說(shuō)明云南省的大氣氣溶膠狀況比較穩(wěn)定。人為活動(dòng)排放進(jìn)入大氣的氣溶膠較少，這也可以說(shuō)明云南省城市化和工業(yè)化過(guò)程較慢。云南省氣溶膠存在明顯的季節(jié)變化，區(qū)域差異變化明顯，月平均AOT的變化范圍為0～0.5，2003—2013年期間，年平均最大值出現(xiàn)在2007年，AOT為0.21±0.09；月平均最大值出現(xiàn)在2011年9月，AOT大約為0.50±0.33。AOT較大的月份，空間差異也相應(yīng)變大。

圖4為2003—2013年多年區(qū)域月平均AOT和σ變化的柱狀圖，誤差棒代表了相同月區(qū)域平均AOT的σ值，它可以說(shuō)明AOT在相同月的波動(dòng)情況。

圖4 2003—2013年多年區(qū)域月平均AOT和σ的變化

由圖4可見(jiàn)，多年月平均AOT的變化呈雙峰分布特征，2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在3、8月，AOT大約為0.35±0.08和0.31±0.05。在5、6月出現(xiàn)明顯的谷值，分別為0.20±0.03和0.22±0.04。產(chǎn)生這種變化特征的原因主要是該地區(qū)從4月底開(kāi)始進(jìn)入雨季，降水增多，大量的降水清除掉大氣中的部分氣溶膠粒子，從而AOT比較小。從11月—次年4月，云南省的天氣狀況較為干冷，常出現(xiàn)大風(fēng)，使得氣溶膠停留在大氣中的時(shí)間較短，進(jìn)而使得AOT較小。最小值常出現(xiàn)在1月或12月，AOT大約為0.09±0.02。主要原因是局地氣溶膠排放量較小，而且由于冬季風(fēng)影響小，從其他地方帶來(lái)的氣溶膠也較少。較小的σ值也說(shuō)明了1、12月的AOT波動(dòng)較小。9月，AOT的波動(dòng)最大，與3月相比，平均值(0.24)較小，而σ值(0.10)最大。

表1為多年間4個(gè)季節(jié)AOT的區(qū)域平均值和σ值，σ利用相同季節(jié)的區(qū)域平均AOT計(jì)算，說(shuō)明AOT在相同季節(jié)的變化情況。

表1 多年區(qū)域季節(jié)平均AOT和σ值

由表1可見(jiàn)，4個(gè)季節(jié)的AOT平均值和σ依次為春季(0.29±0.09)>夏季(0.27±0.06)>秋季(0.16±0.09)>冬季(0.10±0.03)；在春季，平均AOT值較大，大于秋季，而σ相同，這表明了秋季氣溶膠的變化較春季明顯。與秋季相比，春季變化比較小，說(shuō)明春季氣溶膠粒子常保持在濃度較高水平。

4 結(jié)論

1)利用遙感的氣溶膠產(chǎn)品分析了云南省AOT時(shí)空變化特征，從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，AOT沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，年平均值在0.19上下波動(dòng)，幅度約為0.02，月平均AOT的變化范圍為0～0.5。在2003—2013年期間，AOT最大的月份出現(xiàn)在2011年9月(0.50±0.33)。這說(shuō)明了近10a以來(lái)云南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較慢，城市化進(jìn)程較低，人為排放的氣溶膠較少，環(huán)境保持得較好。

2)區(qū)域月平均AOT的變化呈雙峰分布特征。2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在3、8月，AOT大約為0.35±0.08和0.31±0.05。在5、6月出現(xiàn)明顯的谷值，分別為0.20±0.03和0.22±0.04，AOT減少的原因可能是該地區(qū)降水增多，大量的降水可以清除大氣中的氣溶膠粒子。最小值常出現(xiàn)在1月或12月，AOT大約為0.09±0.02，主要原因是局地氣溶膠排放量較小，而且由于冬季風(fēng)影響小，從其他地方帶來(lái)的氣溶膠也較少。4個(gè)季節(jié)AOT值依次為春季(0.29±0.09)>夏季(0.27±0.06)>秋季(0.16±0.09)>冬季(0.10±0.03)。

3)云南省AOT普遍較低，年平均值的空間分布為0～0.4，最大的年平均值出現(xiàn)在2007年，區(qū)域平均AOT僅為0.21±0.09，說(shuō)明云南省空氣質(zhì)量較好。特別是在海拔高，人為活動(dòng)較小的區(qū)域，空氣干潔，污染很少。如AOT低值區(qū)出現(xiàn)在西北部的迪慶州、怒江州和麗江市，高值區(qū)分布在云南省的南部和東北部地區(qū)，特別是在西雙版納州的勐臘，2004年年平均AOT值最大，達(dá)0.50以上；另一個(gè)高值區(qū)出現(xiàn)在東北部的昭通市，2006年年平均值最大，AOT達(dá)0.50。3月，AOT空間分布差異最大，AOT值最大的南部和最小的北部差值達(dá)到0.60以上，而在8月，AOT的高值區(qū)主要出現(xiàn)在中部的昆明市、玉溪市和紅河北部，昆明市污染較為嚴(yán)重的地區(qū)AOT達(dá)到0.85以上，主要是人為排放氣溶膠較多，而且靜穩(wěn)天氣比較多，使得氣溶膠長(zhǎng)時(shí)間停留在大氣中，AOT較大。

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Temporal-Spatial Variations Characteristics of Aerosol Optical Thickness using Satellite Remote Sensing over Yunnan Province,China

ZHANG Yun1,XIAO Zhongyong2

1.Yimen Environmental Monitoring Station,Yuxi 651100,China

2.School of Sciences, Jimei University,Xiamen 361021,China

The characteristics of temporal-spatial variation of aerosol optical thickness (AOT) were analyzed using the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) aerosol products over Yunnan province, China. The results indicated that, in a long term scale, theAOTpresents not obvious increasing trend. The yearly meanAOTvalue is about 0.19, this reflects there is no obvious increasing aerosols from anthropogenic activities emission into atmosphere. The multi-year monthly variation shows the characteristics of bimodal distribution, the two peaks appear in March and August, respectively. There is a valley value at 0.20±0.03 in May. The reason for the lowerAOTis likely due to the increasing precipitation over this region, which washing away partial aerosol particles from atmosphere. The smallest value always appears in January or December and theAOTis about 0.09±0.02. In space scale, theAOTis generally lower, the yearly mean values are from 0 to 0.4. The lower values appear in Diqing Tibetan Autonomous Prefecture, Nujiang of the Lisu Autonomous Prefecture and Lijiang city. Larger values are distribute in south and northeastern Yunnan,AOTis up to 0.8 in March and the difference between northern and southern region is up to 0.60. The second peak at August and compared toAOTin March, higher values appear in the northern Hani-Yi Autonomous Prefecture of Honghe, Yuxi and Kunming cities. The reasons for the pattern of higher in north lower in south is due to the less anthropogenic aerosol emission over the northern region, and in the other hand, there is the higher wind speed in northern region due to the effect of terrain, which makes the aerosols in the atmosphere shorter time, and have a lowerAOT.

Yunnan province;MODIS;satellite remote sensing;aerosol optical thickness

2015-03-13;

2015-04-09

福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA14183)；潘金龍基金項(xiàng)目(ZC2013022)

張 云(1980-)，男，云南玉溪人，碩士，工程師。

肖鐘湧

X87

A

1002-6002(2016)02- 0127- 07