AOD分布的地區(qū)差異及影響因素分析

許艾米　陸德輝　李文婷

摘 要：利用2000年2月～2009年2月的MODIS遙感氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）資料，研究了AOD在我國(guó)的空間分布特征，采用偏相關(guān)性分析等統(tǒng)計(jì)方法研究溫度、降水、濕度、風(fēng)場(chǎng)等氣象要素場(chǎng)以及排放源等因素對(duì)AOD的影響。結(jié)果表明：AOD的分布具有明顯的地區(qū)差異，有6個(gè)高值區(qū)，分別是華北平原、蘇皖地區(qū)、四川盆地、長(zhǎng)江中下游平原、珠江三角洲和南疆盆地；不同季節(jié)AOD的空間分布類似，但又存在一定的差異，從春季到冬季逐漸遞減；華北平原AOD春季受北方沙塵天氣外來(lái)輸送的影響最大，夏季則主要與本地人為排放源正相關(guān)，秋、冬2季受風(fēng)場(chǎng)影響最大；四川盆地AOD與降水呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，春季主要受北方沙塵天氣外來(lái)輸送的影響，夏季與溫度正相關(guān)，秋、冬季則主要受人為排放源的影響。

關(guān)鍵詞：AOD；氣象要素；相關(guān)系數(shù)；偏相關(guān)系數(shù)；PM10

中圖分類號(hào)：P4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160432206

引 言

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，全球的暖化，很大程度上與氣溶膠有關(guān)[1]。氣溶膠通常是指懸浮于大氣中直徑<10μm的微粒，它們一方面可以將太陽(yáng)光反射到太空中，從而冷卻大氣，使大氣能見度變壞。另一方面卻能通過(guò)微粒散射、漫射和吸收一部分太陽(yáng)輻射，減少地面長(zhǎng)波輻射的外逸，使大氣升溫。我國(guó)作為最大的發(fā)展中國(guó)家，氣溶膠含量都處在較高程度。因此，了解我國(guó)大氣氣溶膠多年來(lái)的時(shí)空分布狀況以及對(duì)影響它的因素進(jìn)行分析研究，具有十分重要的意義。

1 資料來(lái)源

AOD即氣溶膠光學(xué)厚度，定義為介質(zhì)的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，是表征大氣混濁度和氣溶膠含量的一個(gè)重要物理量，所以在研究中多用光學(xué)厚度值來(lái)反演大氣氣溶膠含量。本文所用AOD資料是NASA發(fā)布的MODIS Level2的氣溶膠數(shù)據(jù)集，時(shí)間從2000年2月～2009年2月的550nm月平均格點(diǎn)數(shù)據(jù)；氣象要素場(chǎng)采用NCEP/NCAR再分析資料全球2.5°×2.5°網(wǎng)格點(diǎn)的同時(shí)間的月平均資料；API指數(shù)（空氣污染指數(shù)）從中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)站上下載的逐日站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料。

2 AOD分布的地區(qū)差異及華北平原、四川盆地的影響因素分析

2.1 AOD分布的地區(qū)差異

由我國(guó)2000～2008年9a平均AOD分布圖（圖1）可以看出，我國(guó)AOD分布具有明顯的地區(qū)差異，總體是東部>西部，北部>南部，共有6個(gè)高值區(qū)，分別是華北平原、蘇皖地區(qū)、四川盆地、長(zhǎng)江中下游平原、珠江三角洲、南疆盆地[2]（由于MODIS產(chǎn)品在南疆盆地適應(yīng)性不好，該地區(qū)部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，但由前人的研究以及圖中隱約可以看出南疆盆地是一個(gè)高值區(qū)）。

同樣方法繪制2000～2008年我國(guó)中東部地區(qū)春、夏、秋、冬季9a平均AOD分布圖（圖略），可得，AOD四季的平均分布情況存在明顯的季節(jié)差異，總體來(lái)說(shuō)，從春季到冬季呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)。

2.2 AOD分布的影響因素分析

綜上所述，AOD的分布具有明顯的地區(qū)差異，由于篇幅有限，本文挑選四川盆地和華北平原2個(gè)具有典型性特點(diǎn)的大值區(qū)進(jìn)行分析。將初步處理的9a AOD季節(jié)平均數(shù)據(jù)對(duì)華北平原進(jìn)行區(qū)域平均，得到四季AOD隨時(shí)間變化的序列曲線（見圖2）。同樣方法得到四季的降水、溫度、濕度隨時(shí)間變化的序列曲線（圖略）。為了消除降水、溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)之間的相互作用關(guān)系，分別計(jì)算AOD與這4個(gè)因素的偏相關(guān)系數(shù)（見表1）。

用初步處理好的位于華北平原（如北京、天津等站）的月平均數(shù)據(jù)資料進(jìn)行季節(jié)平均，得到9a的季節(jié)平均的結(jié)果，再分四季計(jì)算PM10指數(shù)與AOD的相關(guān)系數(shù)，得到表2。四川盆地的繪圖方法與華北平原相同。

2.2.1 華北平原AOD的影響因素分析

2.2.1.1 外來(lái)輸送、降水、溫度、濕度對(duì)AOD分布的影響分析

如圖2所示，AOD值全年在夏季最大，其次是春、秋季，冬季最小。由表1看出，華北地區(qū)AOD的影響因素具有明顯的季節(jié)變化。春季AOD與降水偏相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8220，為正相關(guān)，與溫度無(wú)相關(guān)關(guān)系，與濕度正相關(guān)；夏季，AOD與各因子間的相關(guān)性都不好；秋季AOD與降水不相關(guān)，與溫度正相關(guān)，與濕度負(fù)相關(guān)；冬季AOD與降水、溫度和濕度基本不相關(guān)。

春季華北平原AOD的主要影響因素是沙塵天氣的外來(lái)輸送[3]。春季華北地區(qū)干燥，降水少（圖略），在空氣干燥的情況下，適量的降水有利于濕度的增加，水溶性氣溶膠吸濕膨脹導(dǎo)致AOD含量增加。夏季降水、溫度和濕度都明顯高于其它季節(jié)，理論上應(yīng)受其影響大，但計(jì)算出的偏相關(guān)結(jié)果不盡如人意，可能是因?yàn)橛绊懴募続OD分布還有其它因素，對(duì)此將在后文進(jìn)行分析。秋季降水量除2002、2006～2008年比春季低外僅次于夏季（圖略），濕度位于第2，濕溫共同作用會(huì)影響氣溶膠的形成?？諝庵袧穸却?，有益于降水形成，雨水的沖刷又大大縮短氣溶膠的生命期，使AOD含量減少，表現(xiàn)為與AOD呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)；溫度與春季基本相同，溫度越大，也有利于氣溶膠的生成。冬季由表1看出都不相關(guān)，可能有其它因素影響。

2.2.1.2 風(fēng)場(chǎng)對(duì)AOD分布的影響

分析計(jì)算AOD與風(fēng)速的偏相關(guān)系數(shù)后發(fā)現(xiàn)相關(guān)性不具特征，故文中只討論風(fēng)向?qū)OD分布的影響。采用地面位勢(shì)高度場(chǎng)來(lái)表征風(fēng)場(chǎng)的分布特征。由2000～2008年9a季節(jié)平均的位勢(shì)高度場(chǎng)分布（圖3）可看出，春、夏季的風(fēng)場(chǎng)對(duì)華北平原AOD的分布影響不大。秋季華北平原處于蒙古高壓前部的控制下，為西北—東南向氣流，利于氣溶膠的稀釋或擴(kuò)散，導(dǎo)致秋季華北平原AOD含量較春、夏季迅速回落。冬季仍處于蒙古高壓前部，表現(xiàn)為南北向氣流，等壓線更密，對(duì)氣溶膠的稀釋更大，所以AOD又有所下降。總而言之，秋、冬季AOD的分布受風(fēng)場(chǎng)影響大。

2.2.1.3 PM10與AOD的關(guān)系

PM10的排放量最大的省份分別是山東、河北、江蘇、河南和廣東[4]，這與AOD大值區(qū)相吻合。由表2知PM10指數(shù)與AOD（除冬季外）呈正相關(guān)，對(duì)于華北平原這樣的人口密集區(qū)來(lái)說(shuō)，PM10含量越大，空氣質(zhì)量狀況越差，AOD含量就越高。在夏季相關(guān)性最好，所以夏季影響AOD的主要因素為人為源的排放。

2.2.2 四川盆地AOD的影響因素分析

2.2.2.1 氣象要素場(chǎng)對(duì)AOD分布的影響

與華北平原分析方法類似，四川盆地AOD的含量春季最大（圖略），秋、冬季次之，夏季除2001、2006～2008年外AOD含量最低。春季AOD與降水負(fù)相關(guān)（表1），與溫度相關(guān)性不大，與濕度正相關(guān)；夏季與降水、濕度基本不相關(guān)，與溫度正相關(guān)；秋季與降水負(fù)相關(guān)，與其它因素不相關(guān)；冬季與降水負(fù)相關(guān)，濕度正相關(guān)，與溫度相關(guān)性不大。由于NCEP/NCAR再分析資料在四川盆地的精度不高，所以AOD和風(fēng)場(chǎng)的偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果存在較大誤差，但已知盆地內(nèi)風(fēng)速全年都是很小的[7]。因此在該地區(qū)，風(fēng)場(chǎng)對(duì)AOD的影響不顯著。

同樣的方法繪制四川盆地四季的降水、溫度、濕度隨時(shí)間變化的序列曲線（圖略），分析可得，春季該地區(qū)濕度為全年最小，空氣干燥，降水也不多，雨水對(duì)氣溶膠的沖刷少，有利于AOD的堆積，表現(xiàn)為降水量與AOD負(fù)相關(guān)。夏季降水為全年最大，雨量充沛，雨水的沖刷會(huì)很大程度的縮短氣溶膠的生命期[8-9]，所以夏季AOD含量最小，但可能降水多會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)誤差，本文中計(jì)算結(jié)果負(fù)相關(guān)性很小。夏季氣溫高，濕度大，在溫濕共同作用下，水溶性氣溶膠粒子吸濕膨脹導(dǎo)致AOD含量增大，因此AOD與溫度正相關(guān)。秋季，濕度為全年最大，有利于氣溶膠的生成，而降水較夏季明顯減小，不利于氣溶膠的擴(kuò)散沖刷，所以AOD含量又增加，與降水表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。冬季降水少，但濕度較大，有利于氣溶膠的形成，所以AOD含量與濕度正相關(guān)。

2.2.2.2 AOD與PM10指數(shù)的相關(guān)關(guān)系

四川盆地以成都、重慶為代表的人口密集城市中，人類活動(dòng)產(chǎn)生的地面排放源對(duì)AOD的影響是不容忽視的，四川省的PM10含量也位居前列[5]。如表2所示，四川盆地PM10與AOD夏、秋季相關(guān)性較好，春、冬季基本不相關(guān)?？偟膩?lái)說(shuō)，AOD的含量受空氣質(zhì)量影響。此外，由于盆地內(nèi)風(fēng)速小，工業(yè)燃煤等人為排放源生成的有效半徑較大的吸收型氣溶膠堆積，水平擴(kuò)散條件差，從而導(dǎo)致AOD含量全國(guó)范圍內(nèi)（除夏季外）處于首位。

3 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)AOD共有6個(gè)高值區(qū)域，分別是華北平原、蘇皖地區(qū)、四川盆地、長(zhǎng)江中下游平原、珠江三角洲和南疆盆地；

不同季節(jié)的AOD空間分布特征類似，但又存在一定的季節(jié)差異，從春季到冬季逐漸遞減；

不同地區(qū)不同季節(jié)AOD的影響因素不同。華北平原AOD含量春季受北方沙塵天氣外來(lái)輸送的影響最大，夏季則主要與本地人為源的排放正相關(guān)，秋、冬季受風(fēng)場(chǎng)影響最大。此外，全年還可能受到降水、溫度、濕度的影響，但程度因季節(jié)而異；四川盆地AOD含量與降水負(fù)相關(guān)。春季主要受北方沙塵天氣的外來(lái)輸送的影響，夏季與溫度正相關(guān)，秋、冬季主要受人為排放源的影響，還與溫濕因素有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：許艾米（1989-），湖北荊州人，專業(yè)或研究方向：大氣科學(xué)、天氣預(yù)報(bào)。