2006—2017年四川盆地MODIS氣溶膠光學(xué)厚度時空變化特征

王晨瑩, 何沐全, 陳軍輝, 劉志紅*

1.成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 四川 成都 610225

2.廣州氣象衛(wèi)星地面站, 廣東 廣州 510640

3.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院, 四川 成都 610041

懸浮于地表與大氣間的氣溶膠對區(qū)域或全球氣候系統(tǒng)至關(guān)重要[1]，它通過反射太陽入射光冷卻氣候系統(tǒng)，同時還可以吸收太陽入射輻射使大氣升溫并導(dǎo)致地表溫度降低[2]. 微尺度氣溶膠粒子以云凝結(jié)和冰核等形式參與云、降水的形成，通過多相化學(xué)反應(yīng)影響大氣痕量氣體的豐度和分布[3]. 此外，大氣中的顆粒在生物有機體、病原體等傳播中起重要的作用，可引起或增強呼吸道、心血管、傳染性和變異性疾病[4]. 大氣中的氣溶膠濃度隨時間和空間變化較大[5]，要準(zhǔn)確研究氣溶膠的分布和組成，需要衛(wèi)星、地面儀器網(wǎng)絡(luò)和專門的野外試驗進行連續(xù)的觀測[6-9].

我國針對大氣氣溶膠的學(xué)術(shù)研究起步相對較晚[10-14]. 四川盆地位于我國的西部，地形復(fù)雜、氣候特殊，是我國顆粒物污染高發(fā)地[15-17]. HE等[18]對比了MODIS 3和10 km AOD(氣溶膠光學(xué)厚度)產(chǎn)品在我國區(qū)域的適用性，并得出我國南方適用MODIS 3 km AOD產(chǎn)品的結(jié)論. SHI等[19]分析了MODIS C006 AOD在重慶市的可用性，得出夏秋季MODIS AOD能反映重慶市顆粒物污染狀況. 何沐全等[20]分析了四川省南部城市群氣溶膠的時空分布特征及其形成原因，發(fā)現(xiàn)氣溶膠主要分布于城市區(qū)域，呈逐年曲線減小變化，并且受地形、氣象因素和排放量影響. LIU等[21]分析了四川盆地2006—2015年的AOD時空變化特征，得出AOD年變化特征呈“V”型變化，月變化特征呈“雙峰型”等. ZHAO等[22]分析了近地面空氣污染現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)盆地污染過程主要由細(xì)顆粒物和臭氧引發(fā). HU等[23]分析了四川盆地生物質(zhì)燃燒對大氣氣溶膠的影響，得出了生物質(zhì)燃燒中以一次顆粒物排放為主等結(jié)論. 張洋[24]利用MODIS AOD分析了四川省的AOD時空分布特征，發(fā)現(xiàn)四川盆地AOD值較高.

該研究以四川盆地作為研究區(qū)域，利用CE318太陽光度計AOD監(jiān)測數(shù)據(jù)和地面ρ(PM2.5)、ρ(PM10)數(shù)據(jù)對四川盆地的MODIS C006 3 km的AOD產(chǎn)品進行適用性驗證，結(jié)合驗證后的MODIS AOD產(chǎn)品，分析2006—2017年四川盆地AOD的時空分布特征，以期為研究四川盆地的氣溶膠污染特性及其氣候效應(yīng)提供參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川盆地處于四川省東部，西靠青藏高原與橫斷山脈，北依秦嶺山地，東接湘鄂高山，南連云貴高原，形成四周高中間低的盆狀地形，故得名四川盆地(見圖1). 四川盆地涵蓋了成都平原、川東北平原、川南丘陵山地和重慶市，地勢平坦，物產(chǎn)豐富，城市聚集度高，人口密度大.

圖1 四川盆地空間分布Fig.1 Spatial distribution of elevation in Sichuan Basin

四川盆地是我國灰霾污染高發(fā)地之一，大氣污染形式十分嚴(yán)峻. 受工業(yè)化和城市化發(fā)展戰(zhàn)略影響，工業(yè)生產(chǎn)、城市建筑施工和機動車保有量的增加導(dǎo)致盆地內(nèi)顆粒物排放量較大. 四川盆地中間低四周高的地形不利于氣溶膠污染擴散，不同區(qū)域的多種氣溶膠在高溫高濕的條件下催化光化學(xué)反應(yīng)，形成城市區(qū)域復(fù)合型污染，其中成都平原城市群、四川省南部城市群和重慶市尤為明顯.

大氣中的氣溶膠主要源自于本地顆粒物的直接排放. 分析2014年四川省顆粒物總排放量發(fā)現(xiàn)，2014年四川省PM10、PM2.5排放總量分別為244.18×104、79.12×104t(見表1). 其中，城市揚塵是顆粒物排放的主要來源，其排放的PM10、PM2.5分別占總排放量的76.52%、55.80%；其次是工業(yè)生產(chǎn)過程，其排放的PM10、PM2.5分別占總排放量的11.76%、25.1%；居民生活和秸稈焚燒排放的顆粒物占總顆粒物排放的7.8%.

表1 2014年四川省顆粒物總排放量

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究主要使用了NASA官方發(fā)布的2006—2017年四川盆地的MODIS 3 km AOD產(chǎn)品(https:modis.gsfc.nasa.gov)，以及成都市氣象局利用法國CIMEL公司制造的自動跟蹤掃描太陽光度計CE318觀測的2007—2008年成都市的AOD;四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院大氣環(huán)境研究所統(tǒng)計的2014年四川省顆粒物年總排放量及四川省南部城市群ρ(PM2.5)、ρ(PM10)監(jiān)測數(shù)據(jù).

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1MODIS AOD產(chǎn)品處理

MODIS是搭載于Terra和Aqua衛(wèi)星上的一個中分辨率傳感器，具有36個探測波段，不同的輻射波譜可以得到眾多的大氣物理信息，AOD就是其中最常見的反演產(chǎn)品. 目前NASA發(fā)布了10和3 km兩種氣溶膠產(chǎn)品，10 km產(chǎn)品采用了常規(guī)的暗像元算法，該產(chǎn)品適用于海洋和暗像元區(qū)(如濃密植被)；而3 km產(chǎn)品采用深藍反演算法(https:deepblue.gsfc.nasa.gov)填充了暗像元算法中對亮目標(biāo)區(qū)域的反演盲區(qū). 兩種分辨率的AOD產(chǎn)品最主要的區(qū)別在于反演算法中使用的像元矩陣不同，兩種分辨率的反演結(jié)果近乎一致[25].

該研究以2006—2017年四川盆地的MODIS 3 km C006 AOD產(chǎn)品為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用IDL和NASA官方發(fā)布用于處理MODIS產(chǎn)品的插件MCTK(the MODIS conversion toolkit)對MODIS AOD產(chǎn)品進行投影賦值處理，結(jié)合ENVI的Layer Stacking模塊對投影后的多個文件組合成多波段文件，以像素為處理單元，計算組合文件內(nèi)有效像元(忽略錯誤值和填充值)的平均值，最后利用四川盆地的邊界矢量裁剪得到相應(yīng)的AOD年均值、季均值、月均值及其空間分布，并通過ArcMap軟件繪制成專題圖.

1.3.2CE318太陽光度計數(shù)據(jù)處理

NASA發(fā)布的MODIS氣溶膠產(chǎn)品是利用暗像元算法或深藍算法反演得到的550 nm AOD數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的CE318(太陽光度計)探測通道主要是 1 020、870、670及440 nm，為保證MODIS AOD(利用MODIS數(shù)據(jù)反演的氣溶膠光學(xué)厚度)與CE318 AOD(太陽光度計CE318觀測的AOD)的可比性，需將太陽光度計探測數(shù)據(jù)統(tǒng)一到550 nm. 根據(jù)Angstrom波長指數(shù)公式[26]，利用不受水汽影響的870、440 nm兩個通道聯(lián)合求解得到550 nm的AOD.

以太陽光度計所在的位置為圓心，匹配10 km半徑范圍內(nèi)的MODIS AOD數(shù)據(jù)并計算平均值，對比分析MODIS AOD與衛(wèi)星過境前后30 min的CE318 AOD，完成MODIS AOD的初步驗證工作.

1.3.3PM2.5、PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

根據(jù)2014年瀘州市和自貢市環(huán)境監(jiān)測站觀測的ρ(PM2.5)、ρ(PM10)日均值數(shù)據(jù)，利用IDL編寫MODIS AOD與PM數(shù)據(jù)的匹配模型，提取瀘州市、自貢市監(jiān)測站10 km范圍內(nèi)且云量小于10%的AOD，建立對應(yīng)時間段的線性擬合關(guān)系.

2 結(jié)果與討論

2.1 MODIS AOD產(chǎn)品在四川盆地適用性驗證

MODIS AOD是地表到衛(wèi)星高度上大氣顆粒對入射太陽光的消光，太陽光度計是從地面直接探測太陽入射光在進入大氣層后到達地面的消光，是目前世界上公認(rèn)的獲取近地面氣溶膠最準(zhǔn)確的探測手段之一[27]，其探測原理與衛(wèi)星遙感相一致，理論上兩種方式獲取的AOD值相近；而顆粒物質(zhì)量濃度能直接反映大氣中顆粒物的含量，在數(shù)值上與AOD存在一定的線性關(guān)系[28]. 國內(nèi)外大量研究[29-31]表明，衛(wèi)星遙感反演的AOD與太陽光度計監(jiān)測的AOD和大氣中的顆粒物濃度存在明顯的相關(guān)性.

圖2 MODIS AOD與CE318 AOD、ρ(PM2.5)、ρ(PM10)的相關(guān)性分析Fig.2 Linear analysis of MODIS AOD and CE318 ground-based AOD, ρ(PM2.5), ρ(PM10)

圖2為MODIS AOD與CE318 AOD、ρ(PM2.5)、ρ(PM10)的相關(guān)性分析. 由圖2可見，MODIS AOD與CE318 AOD、ρ(PM2.5)、ρ(PM10)線性相關(guān)系數(shù)分別為0.78、0.77、0.75. 結(jié)果表明，MODIS AOD與地面觀測數(shù)據(jù)之間存在明顯線性相關(guān)關(guān)系，表明MODIS 3 km AOD氣溶膠產(chǎn)品能夠適用于分析四川盆地近地面的大氣氣溶膠污染狀況.

2.2 MODIS AOD平均值空間分布特征

以2006—2017年四川盆地的MODIS AOD產(chǎn)品為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，統(tǒng)計12 a內(nèi)各像元有效值天數(shù)并計算AOD平均值，得到四川盆地的AOD空間分布情況(見圖3). 由圖3可見，四川盆地AOD年均值范圍為0.1～1.3，AOD高值區(qū)主要分布于德陽市、成都市、眉山市以及樂山市北部地區(qū)，呈帶狀分布，這些城市西側(cè)是龍門山脈，東側(cè)是龍泉山脈，形成鮮明的沿山脈走向分布特征，該分析結(jié)果與張洋等[32]研究結(jié)論一致. 氣象預(yù)報數(shù)值模擬結(jié)果顯示，四川盆地盛行東北風(fēng)，盆地以北區(qū)域排放的氣溶膠顆粒在流場驅(qū)動下向南傳輸，導(dǎo)致盆地中、南部城市大氣中氣溶膠含量增加.

圖3 四川盆地AOD空間分布情況Fig.3 Spatial distribution of AOD in Sichuan Basin

四川省南部城市群(包括內(nèi)江市、自貢市、宜賓市、瀘州市)是AOD第2個高值中心. 根據(jù)ZHANG等[33-34]對四川盆地的氣象模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四川盆地南部地區(qū)靜風(fēng)頻率高，并且具有明顯的風(fēng)向輻合帶等不利氣象條件，與顆粒物擴散強度呈負(fù)相關(guān). 此外，四川省南部城市群機動車保有量僅次于成都市，機動車通勤排污大；自貢市本地化井鹽產(chǎn)業(yè)和宜賓市、瀘州市酒業(yè)生產(chǎn)使四川盆地南部AOD高于其他區(qū)域. 除成都平原和四川省南部城市群外，資陽市、遂寧市、廣安市和重慶市是四川盆地第三大AOD高值中心.

四川盆地AOD空間分布特征整體上表現(xiàn)為中部低海拔城市AOD值較高的特征，其中成都平原和四川盆地東南部地區(qū)是AOD高值(AOD值>1.0)中心；AOD由盆地中部向四周高山區(qū)域遞減，海拔越高，AOD值越低，四川盆地四周AOD值均小于0.3，該結(jié)論與張靜怡等[35]對四川盆地氣溶膠時空格局研究的結(jié)果基本一致.

2.3 2006—2017年MODIS AOD年際變化特征

圖4為2006—2017年四川盆地MODIS AOD年均值變化特征. 由圖4可見：四川盆地中部的AOD存在明顯的年變化特征，AOD年均值范圍為0～2.5，整體上呈“倒N型”曲線下降，盆地四周無明顯時序變化特征. 2006—2009年AOD值逐年減小，AOD年均值范圍為0～1.6，AOD高值中心分布于成都市和自貢市，2009年AOD值小于1.0的面積占整個盆地的95%以上；2010—2013年AOD年均值明顯增大，2012年AOD年均值出現(xiàn)短暫減小后于2013年達到峰值，2013年AOD大于1.0的區(qū)域占四川盆地的34.1%，是12 a顆粒物污染最重的一年，4 a內(nèi)四川盆地60%以上的區(qū)域AOD年均值在0.8～2.0，其中2010年成都市、眉山市、自貢市出現(xiàn)AOD年均值大于2.0的極值；2014—2017年AOD值大幅減小，99%以上區(qū)域AOD年均值小于1.0，至2017年進入谷值，盆地內(nèi)90%以上區(qū)域AOD年均值小于0.6，其中低于0.3的區(qū)域占四川盆地的57.1%.

2.4 MODIS AOD季節(jié)性變化特征

圖5為四川盆地AOD季節(jié)性變化特征. 由圖5可見：四川盆地AOD季節(jié)性變化呈春季最大、夏季次之、秋季最小的特征. 其中，春季AOD平均值范圍為0～1.5，AOD高值中心分布于成都平原和四川盆地南部地區(qū)，其主要受本地秸稈焚燒和北方沙塵影響；夏季AOD平均值分布與冬季相似，盆地內(nèi)夏季氣溫高、降雨量大且是生產(chǎn)作業(yè)的旺季，大氣中氣溶膠在高溫高濕環(huán)境下吸濕膨脹、聚集成核，在MODIS AOD反演產(chǎn)品中表現(xiàn)為AOD高值區(qū)分布更廣的特征；冬季氣溫低、風(fēng)速小、相對濕度較小且邊界層高度低，常伴有重污染過程發(fā)生，因而冬季表現(xiàn)為局部區(qū)域AOD高值凸顯的特征；秋季濕度小、邊界層高、風(fēng)速較大，有利于污染物擴散. 四川盆地四周海拔高，人煙稀少，污染物排放量小且擴散條件好，常年AOD值較小，無明顯季節(jié)性變化.

圖4 2006—2017年四川盆地MODIS AOD年均值變化特征Fig.4 Interannual variation of AOD in Sichuan Basin from 2006 to 2017

圖5 四川盆地AOD季節(jié)性變化特征Fig.5 Seasonal variation of AOD in Sichuan Basin

2.5 MODIS AOD月變化特征

圖6為2006—2017年四川盆地AOD月均值變化特征. 由圖6可見：四川盆地AOD月均值范圍為0～2.5，整體呈“雙峰型”周期變化特征，AOD值呈1—3月逐月增加、4—7月平緩下降、8—9月緩慢增加、10—12月再下降的特征. 其中，2月AOD高值區(qū)分布范圍最廣，成都市、眉山市、自貢市和重慶市為AOD高值(AOD月均值大于1.5)中心，盆地中部城市AOD月均值均大于0.5； 3月AOD高值中心出現(xiàn)在成都平原一帶，四川盆地中、南部有少數(shù)AOD大于1.2的散點，AOD高值分布面積小于2月；4—5月，由于揚塵和春耕秸稈燃燒的影響，大氣中總顆粒物含量大，以成都平原城市群和川南城市群最為突出，氣溶膠在數(shù)值上和污染程度上均小于2月、3月；8—9月，受高溫高濕的大氣條件影響，導(dǎo)致大氣氣溶膠含量短期上升，但整體水平低于2—5月；其他月份AOD平均值小于1.2，局部地區(qū)AOD月均值高于1.5，氣溶膠污染程度較小.

綜上，四川盆地2—5月AOD月均值均大于0.7，8月AOD月均值為0.6，11—12月AOD月均值均小于0.5，其他月份AOD月均值范圍為0.5～0.6.

圖6 2006—2017年四川盆地AOD月變化特征Fig.6 Monthly variation of AOD in Sichuan Basin from 2006 to 2017

3 結(jié)論

a) 四川盆地的MODIS AOD與CE318 AOD、ρ(PM2.5)、ρ(PM10)線性相關(guān)系數(shù)分別為0.78、0.77、0.75，表明MODIS C006 3 km AOD產(chǎn)品適用于四川盆地顆粒物污染研究.

b) 成都平原和四川盆地東南部地區(qū)是AOD高值(AOD值>1.0)中心，氣溶膠顆粒主要分布在四川盆地中西部，AOD年均值范圍為0.1～1.3，四川盆地四周海拔高、AOD年均值均小于0.3，這與四川盆地的地形特征、城市密集程度和氣象條件有關(guān).

c) 四川盆地中部的AOD具有明顯的年變化特征，AOD年均值范圍為0～2.5，整體上呈“倒N型”曲線下降，表現(xiàn)為2006—2009年AOD值逐年減小，2010年起AOD值開始上升，至2013年達到峰值，2014—2017年AOD值逐年減小并于2017年進入谷值，其中，2013年AOD值大于1.0的區(qū)域占四川盆地的34.1%，是12 a顆粒物污染最重的一年，2017年AOD小于0.3的面積占57.1%，四川盆地四周無明顯年際變化.

d) 四川盆地AOD季節(jié)性變化特征呈春季最大、夏季次之、秋季最小的特征. 春季受本地秸稈焚燒和北方沙塵影響，AOD值較高；夏季AOD值有所降低，但受高溫高濕環(huán)境影響仍維持在較高的水平；冬季氣溫低、濕度小且邊界層高度低、靜風(fēng)天氣多，不利于污染物擴散，常有重污染過程發(fā)生；秋季具有良好氣象條件，AOD值整體較低.

e) 四川盆地AOD月均值范圍為0～2.5，整體呈“雙峰型”周期變化特征，表現(xiàn)為1—3月逐月增加、4—7月平緩下降、8—9月緩慢增加、10—12月再下降的特征，其中2—5月AOD月均值均大于0.7，8月AOD月均值為0.6，11—12月AOD月均值均小于0.5.