基于MODIS C6產(chǎn)品研究湖北省氣溶膠光學(xué)特性的時空分布

王曉玲，呂睿，王艷杰，朱君

大氣顆粒物又稱大氣氣溶膠，是由固體顆粒或小液體在氣體介質(zhì)中形成的懸浮體系，是地球-大氣-海洋系統(tǒng)的重要組成部分（毛節(jié)泰等，2002；唐孝炎等，2006；張小曳，2014）。近年來，大氣氣溶膠及其氣候效應(yīng)受到廣泛的關(guān)注（石廣玉等，2008；申彥波等，2008；Gu et al.，2010；Xia et al.，2016；張小曳，2007，2014）。氣溶膠通過吸收和散射直接影響地球大氣系統(tǒng)的輻射估算（Bellouin et al.，2005，2008；Chung et al.，2005；宋姚等，2012）。由于氣溶膠存在巨大時間空間變化，使得對氣溶膠的輻射效應(yīng)的評估還存在很大的不確定性（IPCC，2013）。氣溶膠的輻射效應(yīng)主要依賴于其光學(xué)特性的變化，因此準(zhǔn)確地認(rèn)識氣溶膠的光學(xué)特性很有必要。對于氣溶膠光學(xué)特性已經(jīng)有很多研究成果，但多集中于京津冀（車慧正等，2007；呂睿等，2016；Che et al.，2014）、長三角（Xia et al.，2007；Pan et al.，2010；Xu et al.，2012；Qi et al.，2016）、珠三角（Cheng et al.，2008；Andreae et al.，2008；鄭彬等，2013）等經(jīng)濟人口密集且污染較為嚴(yán)重的區(qū)域。然而，華中地區(qū)的氣溶膠載量也處于較高水平，同時伴隨較強烈的氣溶膠消光過程，但是針對華中地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性的研究仍然比較罕見（Gong et al.，2014；Wang et al.，2015）。

對氣溶膠的遙感觀測是認(rèn)識氣溶膠光學(xué)特性的有效手段，人們通常使用地基遙感獲得氣溶膠光學(xué)參數(shù)，但存在一定空間限制。氣溶膠衛(wèi)星遙感觀測的空間覆蓋廣，時間序列連續(xù)性好，與地基觀測相關(guān)性很高（Kang et al.，2016；鄭有飛等，2012），能夠取代并彌補地基觀測的低空間適應(yīng)性，對于區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性的評估而言有很大價值。在衛(wèi)星遙感方面，Tan et al.（2015）利用MODIS C5 Level 3數(shù)據(jù)集對中國東部地區(qū)氣溶膠柱質(zhì)量濃度（AMC）和細(xì)粒子比（FMF）進行時空變化分析，發(fā)現(xiàn)高FMF值出現(xiàn)在暖季，低 FMF出現(xiàn)在冷季，夏季以積聚態(tài)氣溶膠為主。安曉丹等（2016）通過MODIS光學(xué)厚度、細(xì)粒子比及后向軌跡模型分析了 2014年華北平原在夏收期間氣溶膠污染的時空分布特征及形成原因，指出秸稈燃燒是華北平原在夏收期間的主要污染源之一。董自鵬等（2014）分析了2000年3月—2012年2月陜西省氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）的時空變化趨勢及成因，發(fā)現(xiàn)光學(xué)厚度受地形因素和局地源的共同影響。羅宇翔等（2012）分析了2001—2010年中國AOD的年變化和季節(jié)平均分布，建立了近10年來中國氣溶膠光學(xué)厚度的氣候?qū)W特征，結(jié)果表明中國年平均AOD空間區(qū)域分布中心大體呈現(xiàn)兩低兩高，春季AOD高值區(qū)面積最大，冬季最小。郭陽潔等（2010）分析了湖北省AOD與人口密度、人均工業(yè)產(chǎn)值、森林覆蓋率之間的關(guān)系，結(jié)果表明AOD高值區(qū)主要位于地勢較低、人口密度較大、人均工業(yè)產(chǎn)值較高、森林覆蓋率較低的湖北中南部。本文基于新版本（C006）MODIS Level 2數(shù)據(jù)集分析了湖北省及武漢市的氣溶膠光學(xué)厚度、細(xì)粒子比、氣溶膠柱質(zhì)量濃度的季節(jié)變化和年際變化特征，旨在為評估華中地區(qū)的氣溶膠輻射效應(yīng)提供支撐依據(jù)，為評價環(huán)境及氣候效應(yīng)提供幫助。

1 資料與方法

利用美國國家航空航天局（NASA）Aqua衛(wèi)星搭載的MODIS傳感器C6氣溶膠產(chǎn)品（MYD04_L2）獲取氣溶膠光學(xué)參數(shù)，其空間分辨率為 10 km×10 km。相比MODIS其他版本產(chǎn)品（C4、C5、C51），該版本改進了反演算法，其產(chǎn)品的準(zhǔn)確度和空間覆蓋范圍都有所提高（Levy et al.，2013）。C6產(chǎn)品準(zhǔn)確度在中國地區(qū)的研究中得到很好的驗證關(guān)系（Tao et al.，2015；趙仕偉等，2017；楊以坤等，2016；Shi et al.，2017）?？紤]到湖北省地形地貌特征，利用基于暗目標(biāo)元法（Dark Target，DT）與深藍算法（Deep Blue，DB）的融合產(chǎn)品（AOD_550_Dark_Target_Deep_Blue_Combined）獲取氣溶膠光學(xué)厚度。融合方案基于歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)將地表分為 3 個類別：NDVI＜0.2、0.2≤NDVI≤0.3 和NDVI＞0.3，基于不同地表類別對 DT和 DB兩種AOD產(chǎn)品進行質(zhì)量控制（QA）挑選和融合（Levy et al.，2013；Sayer et al.，2014）。在城市和植被稀疏區(qū) BD算法的準(zhǔn)確性更高，而在地表反照率較低的地區(qū)（如植被茂密區(qū)）DT算法具有更佳的適用性（Sayer et al.，2014）。細(xì)粒子比的獲取使用“Optical_Depth_Ratio_Small_Land”產(chǎn)品。氣溶膠柱質(zhì)量濃度的獲取使用“Mass_Concentration_Land”產(chǎn)品，由于柱質(zhì)量濃度的準(zhǔn)確性還存在很大的爭議，本研究對氣溶膠柱質(zhì)量濃度的探討更多的是基于定性層面。研究時間為2002年7月—2017年1月。由于Level 2數(shù)據(jù)為軌道數(shù)據(jù)，為了更好地進行空間匹配，本文將數(shù)據(jù)格點化插值到 0.1°×0.1°后進行等值線繪圖。對于月均及年均結(jié)果的計算，將途經(jīng)武漢周邊區(qū)域（圖1a紅框）的軌道數(shù)據(jù)進行分別提取后，在這一范圍內(nèi)進行區(qū)域格點平均，再做日平均統(tǒng)計，進而分別計算月均值、季節(jié)均值和年均值。下文結(jié)果分析中提到的主要城市也于圖1a中標(biāo)注。

圖1 2002—2016年湖北省MODIS融合產(chǎn)品格點有效樣本數(shù)空間分布Fig. 1 The seasonal spatial distribution of the number of samples based on Aqua MODIS C6 Level-2 combined products in 2002—2016 over Hubei Province1. 神農(nóng)架林區(qū) Shennongjia Forest; 2. 襄陽市 Xiangyang; 3. 孝感市 Xiaogan;4. 武漢市 Wuhan; 5. 黃岡市 Huanggang; 6. 宜昌市 Yichang; 7. 荊州市 Jingzhou

圖1 所示為融合產(chǎn)品的有效樣本數(shù)分布情況。整體而言，夏冬兩季的有效樣本數(shù)低，春秋有效樣本數(shù)高。冬季QA＞3的DT產(chǎn)品在武漢周邊出現(xiàn)大范圍缺測，而通過質(zhì)量控制高（QA＞2）的 DB產(chǎn)品的有效補充，融合產(chǎn)品在武漢周邊區(qū)域樣本統(tǒng)計結(jié)果高于其他季節(jié)。武漢周邊地區(qū)其他三季出現(xiàn)偏低統(tǒng)計結(jié)果，是由于這一區(qū)域下墊面情況特殊，不僅水域分布錯綜復(fù)雜而且混雜反照率較高的密集城市建筑群，使得DT、DB兩種產(chǎn)品數(shù)據(jù)反演質(zhì)量都比較低（DT：QA＜3，DB：QA＜2），因而未被融合，加上夏季降水頻繁（云量多，云層厚）（倪林等，2009）甚至出現(xiàn)無統(tǒng)計樣本的格點?；谏鲜鲈颍狙芯繉⑻崛∥錆h周邊地區(qū)數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度范圍定為 29.96～31.36°N、113.68～115.08°E，因為小區(qū)域內(nèi)氣溶膠分布的變化不顯著，略微擴大數(shù)據(jù)提取范圍有利于周邊區(qū)域有效值的補充，使結(jié)果更具代表性。

2 結(jié)果與討論

2.1 湖北省氣溶膠光學(xué)特性空間分布特征

圖2所示為湖北省550 nm AOD的季節(jié)變化特征。由圖可知，湖北省 AOD季節(jié)變化特征非常明顯，整體表現(xiàn)為春季＞夏季＞冬季＞秋季。這種春夏高、秋冬低的季節(jié)特征與南京（Kang et al.，2016）、北京（Yu et al.，2017）等地區(qū)結(jié)果類似，且中國整個東部地區(qū)也表現(xiàn)出這一特征（李嘉偉等，2016；Tan et al.，2015）。從地區(qū)分布來看，AOD值跨度很大，東西部出現(xiàn)明顯的高低值區(qū)分界線，分界線位于襄陽市和宜昌市，兩市東西區(qū)域AOD梯度較大。湖北西部為山地地區(qū)，地勢高、人口密度低、人類活動少（龔勝生等，2015），使鄂西部地區(qū)AOD值遠小于地勢平坦、人口密集的東部地區(qū)，其低值區(qū)范圍在冬天達到最大。春季湖北省中南部地區(qū)存在大范圍的高值區(qū)，其AOD值遠超出1.0，顯著高于同地區(qū)其他季節(jié)值，更超出湖北省平均水平（0.81），這與春季局地?fù)P塵增多和遠程輸送沙塵頻繁有關(guān)（李蘭等，2004；王芬娟等，2015）。四季最低值均出現(xiàn)在神農(nóng)架林區(qū)，其AOD值小于0.2，秋冬季甚至有部分地區(qū)低于0.1。四季最高值出現(xiàn)在荊州周邊及武漢周邊，AOD大于0.9，春夏季甚至超過1.0，這一方面與人類活動氣溶膠排放有密切關(guān)系，另一方面因為這一區(qū)域三面環(huán)山（鄂西山地、鄂東北低山丘鄂東南低山丘陵），地勢較為低洼（郭陽潔等，2010），有利于污染物積聚。此外，襄陽市和黃岡市東南部也出現(xiàn)較高的AOD中心。

圖2 湖北省2002—2016年的AOD550的空間分布和季節(jié)變化特征Fig. 2 The seasonal averaged spatial distribution of AOD550 based on Aqua MODIS C6 Level-2 combined products in 2002—2016 over Hubei Province

圖3 湖北省2002—2016年FMF 空間分布和季節(jié)變化特征Fig. 3 The seasonal averaged spatial distribution of FMF based on Aqua MODIS C6 Level-2 combined products in 2002—2016 over Hubei Province

圖3 所示為湖北省細(xì)粒子比季節(jié)分布情況。細(xì)粒子比表征有效直徑小于 1 μm 粒子 AOD與總AOD比值（Anderson et al.，2005）。由圖可知，氣溶膠細(xì)粒子比分布與氣溶膠光學(xué)厚度分布呈現(xiàn)相反的趨勢，即鄂西部地區(qū)四季 FMF值均高于東部地區(qū)，AOD值越高的地區(qū)FMF值越低。春季鄂西部地區(qū)氣溶膠細(xì)粒子比遠低于其他3個季節(jié)，即便在大氣較為清潔的神農(nóng)架林區(qū)，其細(xì)粒子比也僅在0.6～0.7的范圍內(nèi)，這是由于春季頻繁的沙塵天氣攜帶大量的粗粒徑沙塵粒子所影響（操文祥等，2015）。相比冬春季，夏秋季細(xì)粒子比更高，這一結(jié)果與Tan et al.（2015）對中國東部地區(qū)的分析結(jié)果類似，夏季高溫高濕的氣象條件（鄭祚芳等，2002）使得氣粒轉(zhuǎn)化更為頻繁，亞微米級氣溶膠顯著增加，此外，夏季植物生長繁茂，生物排放氣溶膠含量增加也為夏季貢獻了較多的細(xì)模態(tài)顆粒物（Li et al.，2013）。鄂西部地區(qū)夏季細(xì)粒子比接近1，這表明此地區(qū)主要為細(xì)模態(tài)氣溶膠。細(xì)粒子比最低值出現(xiàn)在冬季的武漢市及荊州市，其值低于 0.1，說明人為源氣溶膠在這一地區(qū)排放量大，為大氣帶入大量粗模態(tài)顆粒物，如燃煤飛灰等（Han et al.，2009）。此外，冬季偶發(fā)的局地?fù)P塵和沙塵輸送也是粗模態(tài)顆粒物的一大貢獻源（李亮等，2013）。冬季湖北省全境范圍內(nèi) FMF值較低，就鄂西部而言，細(xì)粒子比高低值梯度較大，與人口密集程度成正比（龔勝生等，2015），說明冬季氣溶膠成分在城鎮(zhèn)區(qū)域很大程度受人為源排放的影響。

圖 4所示為氣溶膠柱質(zhì)量濃度的空間分布狀況。四季高低值分界線明顯，高值區(qū)主要出現(xiàn)在鄂中南部地區(qū)（江漢平原），鄂西部山地區(qū)全年的氣溶膠濃度較低，大氣較清潔，其中最低值均位于神農(nóng)架林區(qū)，這一結(jié)果與AOD分布較為類似。夏秋冬三季低值區(qū)范圍較春季有所擴大，結(jié)合春季低值區(qū)的細(xì)粒子比較低的狀況，可能是由于春季氣候條件特殊（鄭祚芳等，2002），氣溫回暖迅速、大風(fēng)天氣頻繁，使土壤揚塵增加，并且伴隨著北方沙塵氣溶膠的大量輸送使得春季氣溶膠量含量增多。春季氣溶膠柱質(zhì)量濃度的整體水平較高，最大值中心出現(xiàn)在荊州市、武漢市及孝感市，其值超過 80 μg?cm-2。冬季AMC高值區(qū)范圍及最大值僅次于春季，這主要歸因于冬季邊界層條件穩(wěn)定，有利于大量排放的人為氣溶膠積聚和轉(zhuǎn)化，使氣溶膠消光隨著濃度增加而增強。夏秋兩季高值中心均出現(xiàn)在荊州市東部及武漢地區(qū)，其最大值在 50～60 μg?cm-2。夏季AMC分布高值區(qū)范圍最小，這一狀況與AOD分布情況略有不同，這表明夏季AOD高值并不是氣溶膠濃度升高引起，而是由于夏季水汽含量非常高，氣溶膠吸濕性增長作用明顯，氣-粒轉(zhuǎn)化過程形成的二次氣溶膠增加，兩者共同作用使得消光加?。℉e et al.，2012；Yu et al.，2017）。

2.2 武漢地區(qū)氣溶膠光學(xué)特性

武漢地區(qū)近年來經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市化水平不斷提高，成為華中地區(qū)工業(yè)、經(jīng)濟與人口密集的大型城市之一，其空氣質(zhì)量問題也引起人們的廣泛關(guān)注。為加強對武漢地區(qū)上空氣溶膠狀況的認(rèn)識，對其氣溶膠光學(xué)特性進行分析，數(shù)據(jù)提取范圍為29.96～31.36°N、113.68～115.08°E。表 1 所示為武漢地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度、細(xì)粒子比和柱質(zhì)量濃度的季節(jié)平均值。

圖4 湖北省2002—2016年AMC空間分布和季節(jié)特征Fig. 4 The seasonal averaged spatial distribution of AMC based on Aqua MODIS C6 Level-2 combined products in 2002—2016 over Hubei Province

表1 武漢地區(qū)AOD、FMF、AMC季節(jié)平均值Table 1 The seasonal averaged AOD550, FMF, AMC over the surrounding areas of Wuhan

武漢地區(qū)AOD季節(jié)平均值表現(xiàn)為春夏季節(jié)高，秋冬季節(jié)低，與整個湖北省結(jié)果相同。但與Gong et al.（2014）對武漢 2012—2013年利用太陽光度計觀測的光學(xué)厚度結(jié)果略有不同（冬季偏高）。武漢AOD水平較高，四季均達到0.7以上，春天AOD遠高于其他季節(jié)，達到1.0，高于2012年武漢春季研究結(jié)果（0.83，500 nm）。Wang et al.（2015）分析了武漢市 2007—2013年長期太陽光度計觀測資料，表明武漢市500 nm AOD在夏季達到了1.09，高于本文MODIS反演結(jié)果（0.83）。武漢四季細(xì)粒子比夏天最高（0.51），代表顆粒物細(xì)模態(tài)消光與粗模態(tài)消光水平相當(dāng)，次大值出現(xiàn)在秋天（0.34），冬天最低（僅為 0.15），這表明，相對于其他季節(jié)，冬季的粗顆粒物消光對總消光的貢獻增加，這可能歸因于冬季取暖等人為活動增強，燃煤飛灰等排放增加，除此之外冬季偶發(fā)的沙塵天氣也對粗粒子消光有一定的貢獻（李亮等，2013）。武漢地區(qū)氣溶膠柱質(zhì)量濃度在春季達到最大值（69 μg?cm-2），夏秋冬 3個季節(jié)相差不大，分別為 43 μg?cm-2、43 μg?cm-2和 42 μg?cm-2，表明除春季大量外來沙塵粒子入侵使氣溶膠量增加外，其余時間武漢市氣溶膠含量處于較為均一的狀態(tài)，污染源比較穩(wěn)定。

圖5所示為武漢地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度、細(xì)粒子比和氣溶膠柱質(zhì)量濃度的年平均及月平均情況。光學(xué)厚度峰值略滯后于氣溶膠柱質(zhì)量濃度峰值，而細(xì)粒子比峰值滯后于AOD峰值。細(xì)粒子比峰值出現(xiàn)在夏季，其中最大值（0.70）出現(xiàn)在2010年6月，這是由于夏季溫度高、濕度大，容易產(chǎn)生粒徑較小的二次顆粒物（He et al.，2012）。氣溶膠光學(xué)厚度月平均最大值出現(xiàn)在2010年6月，達到1.62；次大值發(fā)生在2014年6月，AOD值為1.58；最小值出現(xiàn)在2014年和2015年的12月，均為0.36，僅為最大值的1/5。從14年的月均變化趨勢分析來看，AOD和AMC整體呈現(xiàn)下降趨勢，其中AOD每月降率為-0.0006（通過90%顯著性檢驗），AMC每月降率為-0.05（通過95%顯著性檢驗）。FMF呈逐年增加趨勢，增率為 0.0004，但顯著性水平較低（P=0.17）。2008年平均光學(xué)厚度達到最大值（0.98），AOD在 2008年前有逐年增加的趨勢，每月增加0.002（通過95%顯著性檢驗），而在2010年后光學(xué)厚度呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，每月降低 0.004（通過99%顯著性檢驗）。氣溶膠柱質(zhì)量濃度年平均最大值（54 μg?cm-2）和次大值（53 μg?cm-2）分別出現(xiàn)在 2007年、2008年，2008年之后月平均距平減小，峰谷值均有所降低，表明武漢周邊區(qū)域空氣質(zhì)量狀況有所改善，推測與近年來大氣污染治理政策的實施有很大關(guān)系。這一點在對于武漢近些年地面空氣質(zhì)量檢測結(jié)果的趨勢研究中也得到了印證（許剛等，2016；高丹丹等，2016）。

圖5 武漢地區(qū)AOD550、FMF、AMC月均變化及年平均狀況Fig. 5 Monthly average trend and annual average of AOD550, FMF, AMC over the surrounding areas of Wuhan

3 結(jié)論

（1）由于湖北省地形和人口密度呈現(xiàn)東西部兩極分化情況，鄂西部地區(qū)氣溶膠含量較低，消光較弱，尤其在神農(nóng)架林區(qū)，氣溶膠水平極低，主要以潔凈的自然源氣溶膠為主；鄂東部地區(qū)人口密度大，尤其在中南部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，能源消耗高、人為排放量大，使其氣溶膠含量增加，且以粗模態(tài)粒子為主。在季節(jié)變化方面，春季由于氣溫回暖，風(fēng)速增加，大氣氣溶膠結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性受遠距離輸送的沙塵氣溶膠影響很大；夏季相對濕度劇增，氣溶膠吸濕增長和二次氣溶膠的生成使得細(xì)粒子比增加，氣溶膠消光增強；冬季高載量的氣溶膠主要歸因于穩(wěn)定的邊界層條件。

（2）武漢地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度表現(xiàn)出春季＞夏季＞冬季＞秋季。氣溶膠柱質(zhì)量濃度以春季最高，其他三季均值相差不大，表示除春季大量外來氣溶膠輸送外，武漢地區(qū)氣溶膠排放源較為穩(wěn)定。從變化趨勢來看，AOD與AMC均隨時間呈現(xiàn)減小趨勢，2010年后 AOD以每年約 0.05的趨勢下降；2008年后AMC月平均距平減小，峰谷值均降低，與武漢近年地面空氣質(zhì)量檢測變化趨勢結(jié)果類似，表明武漢地區(qū)大氣污染治理初見成效。

致謝：非常感謝NASA數(shù)據(jù)中心提供MODIS資料。

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