近14年來中國大陸氣溶膠光學(xué)厚度的時空演變特征

黃春娟

摘 要：本文利用2001—2014年的MODIS產(chǎn)品分析了中國大陸地區(qū)氣溶膠的時空演變特征。結(jié)果表明：就全國地區(qū)來說，其空間分布呈現(xiàn)高低值錯落分布的特征;其時間變化表明，AOD大部分地區(qū)呈減弱趨勢。季節(jié)性年平均AOD值的空間分布中極大值區(qū)域占全國地區(qū)的面積比，夏季最大;極小值區(qū)域的面積比，秋季最大。就3個典型區(qū)域來看，四川盆地是年平均AOD值最高的區(qū)域。

關(guān)鍵詞：AOD;線性趨勢;EOF分析;聚類分析

中圖分類號：X513文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2018）28-0156-05

Abstract： Using the MODIS products from 2001 to 2014， this paper analyzed the temporal and spatial characteristics of aerosol in mainland China. The results showed that the spatial distribution of AOD in the whole country was characterized by high and low value distribution， and the temporal variation showed that AOD tended to weaken in most areas. In the spatial distribution of seasonal annual average AOD， the area ratio of the maximum area to the national area was the largest in summer， and that of the minimum area was the largest in autumn. For the 3 typical regions， the Sichuan basin was the highest area with an average annual AOD value.

Keywords： AOD;linear trend;EOF;clustering analysis

1 氣溶膠概述

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，粒子的粒徑多為0.001～10μm[1]。由于其是由不同相態(tài)物體組成的，雖然含量很少，但對大氣中發(fā)生的許多物理化學(xué)過程都有重要影響。例如，氣溶膠起到云凝結(jié)核作用，因為它的存在，地球上才會有豐富的天氣現(xiàn)象。由于氣溶膠在大氣中的停留時間較短，且其特性隨空間和時間都有明顯的變化，因此，到目前為止，尚缺少足夠的數(shù)據(jù)來研究大氣氣溶膠對氣候系統(tǒng)的確切影響。根據(jù)目前的研究結(jié)果可知，由氣溶膠引起的全球平均輻射強迫和溫室氣體引起的輻射強迫量級相等，而性質(zhì)卻相反[2]。從氣溶膠的“陽傘效應(yīng)”可知，氣溶膠引起的溫度降低有可能局部抵消由于溫室氣體引起的全球溫度升高。而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)在垂直方向的積分，是描述氣溶膠對光衰減作用的主要因子[3]。本文主要研究中國地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度的演變特征，并對氣候的多樣評估和氣候變化進(jìn)行分析。

2 資料與方法

本文采用NASA發(fā)布的MODIS Level2月平均陸上氣溶膠數(shù)據(jù)集[4]，波段為550nm的氣溶膠光學(xué)厚度，分辨率是1°×1°[1°×1°]，時間從2001年1月到2014年12月，包含168個月的平均數(shù)據(jù)。MODIS全稱為中分辨率成像光譜儀，其優(yōu)點是空間分辨率高，是百米量級;在時間分辨率上，一天可以過境4次，對各種突發(fā)性、快速變化的自然災(zāi)害有更強的實時監(jiān)測能力。但是，MODIS也有缺點，即針對陸地上反照率高的地區(qū)，會監(jiān)測不到數(shù)據(jù)[5]。本文選取的塔克拉瑪干沙漠地區(qū)，由于地面植被覆蓋率極低，使陸面反照率很強，最終導(dǎo)致AOD數(shù)據(jù)是以缺測值處理。

本文利用MATLAB將原始數(shù)據(jù)讀成DAT形式，再利用Fortran編程和GrADS畫圖軟件出圖，分析中國大陸年平均AOD變化趨勢，利用的統(tǒng)計方法有最小二乘法[6]、經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）[6]和聚類分析。文中大氣氣溶膠光學(xué)厚度用英文簡體AOD代替。

3 AOD的時空分布特征

3.1 典型區(qū)域的選取

利用EOF分析2001—2014年的年平均AOD，列出第一特征向量的特征值和方差貢獻(xiàn)率，得出第一特征向量場中所有時間的累積方差貢獻(xiàn)率都超過了70%。這說明各時間平均下，AOD的空間分布具有很高的收斂性，即全國大陸AOD的增加或者降低的步調(diào)是較為同步的，也說明全國AOD的空間分布與第一特征向量所對應(yīng)的空間場描述特征基本一致，即中國大陸AOD距平從西北向東南呈現(xiàn)負(fù)正負(fù)變化特征，其分布中心在四川盆地、京津冀地區(qū)和長江三角洲地區(qū)。這些地區(qū)的AOD分布有很好的代表性[7]，因此，選取這3個地區(qū)作為研究整個中國大陸AOD時空演變特征的典型區(qū)域。

3.2 聚類分析下中國大陸年平均AOD的空間分布特點

本文就年平均AOD進(jìn)行聚類分析[8]。一般而言，類分得越多不一定越好，因此，選取3類和4類進(jìn)行對比討論。挑出這兩類AOD范圍內(nèi)所有的AOD值，算出其平均值和加減一倍標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表1所示。4類聚類方法的均方差更小，數(shù)據(jù)分類分得更集中，因此，選4-means分類方法畫出最終的年平均AOD的空間分布圖，從分布圖中可以看出，年平均AOD的空間分布呈現(xiàn)出“高低值錯落”[9]分布的特征。主要的高值區(qū)有：①經(jīng)濟發(fā)達(dá)、人口密集的華中地區(qū)，分布從四川盆地、兩湖再到長江三角洲，并向南、向北分別擴散到華南和華北地區(qū);②以沙塵為主要氣溶膠源的塔里木盆地周圍一圈，這與羅云等[10]得出的近30年來中國AOD分布的兩個高值中心是四川盆地和南疆盆地的結(jié)論一致。。穿插在高值區(qū)域內(nèi)的是一些低值A(chǔ)OD，包括：①東北三省、內(nèi)蒙古北部和新疆北部，這些地區(qū)的AOD值都在0.4以下;②四川盆地以西青藏高原地區(qū)，云南北部與四川、西藏交界地區(qū)以北，這些低值區(qū)由于人煙稀少，海拔較高和植被覆蓋率較高，使得氣溶膠光學(xué)厚度在0.1以下。需要注意的是，海南省、臺灣省和福建省，由于毗鄰海洋，年降水量充沛，雨水對氣溶膠的沉降作用會使AOD值降低，與華中、華北地區(qū)相比，AOD呈現(xiàn)低值，為0.3～0.4。

就3個典型區(qū)域來看：①長江三角洲幾乎完全被高值區(qū)覆蓋，約為0.8;②四川盆地是中國年平均AOD的最高值中心，14年來的年平均AOD是0.7左右，中心AOD值最高可達(dá)0.8以上，這與羅宇[翔等][9]的分析一致;③京津冀地區(qū)相對其他兩個地區(qū)AOD值較小，年平均AOD為0.4左右，其南部地區(qū)有0.7左右的AOD高值區(qū)，這一區(qū)域主產(chǎn)小麥，而且人口稠密，加上農(nóng)民有焚燒秸稈的習(xí)慣[11，12]，因此氣溶膠含量很高。而北京和天津的AOD值為0.5～0.6，而人口稠密和城市化是對這些地區(qū)AOD具有主要貢獻(xiàn)的因子[13]。

從季節(jié)平均的AOD空間分布情況來看，中國大陸氣溶膠光學(xué)厚度高低值錯落分布的特征基本不變，只是AOD分布中心強弱隨季節(jié)變化而變化。

春季，中國東部地區(qū)和四川盆地，氣溶膠光學(xué)厚度AOD值最高達(dá)0.8～1.2;西北塔里木盆地西北外圈也有0.9～1.2的高值區(qū)。全國AOD最低值仍出現(xiàn)在四川、云南和西藏的交界處。

相對于春季，夏季AOD值在四川盆地、兩湖地區(qū)、珠江三角洲以及塔里木盆地周圍有所減弱，高值區(qū)聚集到了長江三角洲地區(qū)以北到京津冀地區(qū)的華北大部分，AOD值為0.8～0.9的面積較多。與春季相比，這些地區(qū)成為夏季最高值地區(qū)，這與夏季溫度升高增加了氣溶膠二次轉(zhuǎn)換的化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生有關(guān)。夏季最小值A(chǔ)OD的地區(qū)仍在川、藏和滇交界處，相比于春季最小值區(qū)域面積有所減小。如表2所示，極小值區(qū)域面積比由春季的2%增加到夏季的13%。

秋季AOD高值區(qū)在華北地區(qū)和長江三角洲地區(qū)已經(jīng)明顯的減弱，全國年平均AOD在0.2左右，是四季中年平均AOD最小的季節(jié)。AOD極大值區(qū)域的面積比由夏季的8.5%驟降到秋季的1.9%。AOD最小值區(qū)域由春季和夏季川、滇和藏交界處，增加到黑龍江省北部大興安嶺地區(qū)，秋季極小值區(qū)域面積比為32%，大于另外3個季節(jié)。

冬季由于積雪，增加了地面反照率，使我國北方高緯度許多地區(qū)AOD值缺測。與其他三個季節(jié)相比，冬季AOD高值區(qū)出現(xiàn)在四川盆地地區(qū)，最低值仍在川、藏和滇交界處，且最小值區(qū)域面積往南部擴張到云南省北部大部分地區(qū)。

3.3 中國大陸年平均AOD的時間變化特點

2001—2014年中國大陸年平均AOD的時間序列圖如圖1所示。

從圖1可知，2001—2008年AOD有明顯的上升趨勢，AOD以每年0.001 5的傾向率增加，該分析結(jié)果與文獻(xiàn)的描述基本一致。這期間出現(xiàn)兩次高峰，從2001年至2003年，年平均AOD迅速增加，從0.291增加到0.317，增加了8.9%，2003年是近14年來AOD最大的年份。2004年AOD下降到0.291，之后又開始增長，2008年達(dá)到另一個峰值（0.312）。從2008年到2014年，AOD總體呈現(xiàn)出減少的趨勢，以每年0.005 8的較高傾向率減少，其中2013年是近14年來AOD值最低的年，為0.267。就14年來看，AOD值總體為下降趨勢，以每年0.002 4的傾向率在減少。

利用最小二乘法算出四季和年平均AOD的線性回歸系數(shù)，并進(jìn)行檢驗，得出除冬季、春季、夏季、秋季和年平均AOD值都在隨時間的增加而減小，并且相關(guān)系數(shù)通過95%的t檢驗。而冬季隨時間的增加呈增長趨勢，相關(guān)性較差。

圖2為近14年來AOD的逐年和季節(jié)平均的時間序列圖。圖中全國地區(qū)年平均AOD總體呈降低趨勢，縱向看，春季每年的AOD值都高于同年的其他季節(jié)。

長江三角洲AOD值總體以每年0.004的速率減少，其變化速率要比全國年平均值大。除2009和2014年外，長江三角洲春季的AOD值都大于夏季的年平均AOD值。四季變化中，AOD值與全國地區(qū)變化一致。

四川盆地年平均AOD以每年-0.004 9的趨勢變化，且春季具有AOD季節(jié)平均的最大值，比長江三角洲地區(qū)和京津冀地區(qū)的春季AOD值高?？赡艿脑蚴牵捍杭舅拇ㄅ璧厥芪覈狈竭h(yuǎn)距離輸送沙塵的影響，加上四川盆地四周環(huán)山中間海拔低和這一段時間里降水不多，使得AOD得到堆積。到了夏季，年平均AOD值降到了0.57，原因可能是：夏季四川盆地降水充沛，降水量約占四川盆地全年的60%～90%左右，雨水的沉降作用大大減少了氣溶膠的含量。

京津冀地區(qū)四季變化中，夏季具有最大的氣溶膠光學(xué)厚度值，而冬季的AOD值是最小。分析其原因，可能是京津冀地區(qū)四季分明，冬季和春季的溫濕相差很大。夏季的氣溫和濕度很比冬季要高，對氣-粒轉(zhuǎn)化過程有利。在夏季，混合層發(fā)展較高，水溶性氣溶膠吸濕膨脹也會導(dǎo)致季節(jié)平均的AOD值夏季高于冬季[14]。同一時間不同地區(qū)的變化特征中四川盆地是全國年平均AOD高值區(qū)。除了夏季，四川盆地的AOD平均值要高于其他任何地區(qū)。這3個典型區(qū)域都是人口比較稠密，經(jīng)濟比較發(fā)達(dá)和地勢較平坦的地區(qū)，氣溶膠光學(xué)厚度值都遠(yuǎn)高于全國地區(qū)的年平均值[13]。總體從年變化趨勢來看，3個典型地區(qū)無一例外的呈現(xiàn)減弱趨勢，且四川盆地地區(qū)的減少趨勢最大，京津冀地區(qū)最慢。

4 討論和結(jié)果

本文利用2001—2014年的MODIS產(chǎn)品分析了中國大陸地區(qū)氣溶膠的時空演變特征，其分布特征和文獻(xiàn)[4，9]所述基本一致，由于本文使用了14年的資料，因此能更細(xì)致地描述全國地區(qū)和幾個典型地區(qū)AOD值得時空演變特征。

就全國地區(qū)來看，其空間分布呈現(xiàn)高低值錯落分布的特征;其時間變化表明，AOD大部分地區(qū)呈減弱趨勢。季節(jié)性年平均AOD值的空間分布中極大值區(qū)域占全國地區(qū)的面積比，夏季最大;極小值區(qū)域的面積比，秋季最大。四季中共同的最小值區(qū)域為川、藏和滇的交匯處。全國地區(qū)的時間序列總體呈下降趨勢，線性回歸系數(shù)為-0.002 4/a。四季中，春季的年平均AOD值最大，這與宗雪梅等[15]得出春季容易出現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度的較大值一致。之后為夏季和冬季，秋季最小。

就3個典型區(qū)域來看，四川盆地是年平均AOD值最高的區(qū)域。春季、秋季和冬季四川盆地都是年平均AOD值最高的區(qū)域，而夏季，長江三角洲是AOD年平均值最大的區(qū)域。毫無例外，這三個典型地區(qū)的年平均和季節(jié)平均AOD值都大于全國地區(qū)。另外，這3個典型地區(qū)的年平均AOD的變化趨勢和全國地區(qū)的變化趨勢一致，都呈減弱趨勢，只是減小的幅度有所差異。近14年來，年平均AOD值呈連續(xù)下降的趨勢，具體原因需要進(jìn)一步確認(rèn)，最終由定性分析轉(zhuǎn)為定量分析。本文基本的時空演變特征將有助于全國地區(qū)和3個典型地區(qū)的空氣質(zhì)量變化的研究和區(qū)域氣候變化的討論。

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