秦嶺山地對(duì)氣溶膠的生態(tài)屏障效應(yīng)

孟清, 白紅英, 趙婷，郭少壯，齊貴增

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127； 2.西北大學(xué)陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710127)

0 引言

陸地表層自然環(huán)境要素及其之間的相互作用是自然地理系統(tǒng)形成與演化的主要驅(qū)動(dòng)力之一，即格局對(duì)過程的影響[1]。山地的屏障作用對(duì)區(qū)域自然環(huán)境的塑造，尤其是對(duì)大氣環(huán)流和生態(tài)環(huán)境有著重要的影響作用。學(xué)者們對(duì)于平行嶺谷的阻隔效應(yīng)開展的研究較多，對(duì)自然要素的影響主要包括季風(fēng)[2]、溫度與熱量[1]、降雨[3]、植被動(dòng)態(tài)變化[4-5]和孢粉[6]，涉及人文要素相對(duì)較少，例如對(duì)建設(shè)用地格局演變的研究[7]。高登義[8]探討了喜馬拉雅山脈和橫斷山脈的山地屏障作用對(duì)降水分布和氣候自然帶的影響； 孟小絨[9]分析了秦嶺山地的強(qiáng)阻擋作用對(duì)預(yù)報(bào)降雪準(zhǔn)確性的影響； 陳志超等[10]研究了伏牛山對(duì)水熱等自然地理要素的阻隔作用。阻隔作用下的區(qū)域生態(tài)效應(yīng)已經(jīng)成為山地生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[11-12]。

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； 大氣氣溶膠粒子通常包括煙粒、塵埃、鹽粒、水滴、冰晶、微生物、植物的孢子和花粉等[13]。大氣氣溶膠粒子通過對(duì)太陽輻射的吸收與散射改變地面接收的太陽輻射能從而緩解全球增溫現(xiàn)象[14-18]； 另一方面，氣溶膠粒子作為云的凝結(jié)核通過改變?cè)频奈⑽锢硖卣骱妥兓芷?，間接地影響氣候[19-21]。此外，氣溶膠與酸雨和霧霾等環(huán)境問題都與氣溶膠密切相關(guān)[22-24]，且嚴(yán)重危害人類健康。氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth，AOD)是氣溶膠的重要光學(xué)特性之一，其為氣溶膠的消光系數(shù)在垂直方向上的積分[25]。目前，對(duì)于氣溶膠的觀測(cè)，衛(wèi)星遙感具有連續(xù)、動(dòng)態(tài)、宏觀和快速等特點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)地面觀測(cè)無法獲取連續(xù)時(shí)空分布特征的缺點(diǎn)[26]。He等[27]采用MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)數(shù)據(jù)研究了長江流域氣溶膠的年際變化及其驅(qū)動(dòng)因素。劉狀等[28]利用MODIS MOD08M3產(chǎn)品反演了中國北方7個(gè)省(地市)氣溶膠的時(shí)空分布特征； 吳國雄等[29]分析了氣溶膠與東亞季風(fēng)的相互影響，發(fā)現(xiàn)東亞季風(fēng)強(qiáng)弱對(duì)氣溶膠的輸送和濃度分布有明顯的影響； 張亮林等[30]基于MODIS數(shù)據(jù)研究了中國AOD的時(shí)空分布特征，指出胡煥庸線以東為AOD高值區(qū)，以西為低值區(qū)。俞海洋等[31]利用MODIS對(duì)北京及周邊區(qū)域大氣氣溶膠的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，并對(duì)影響氣溶膠的關(guān)鍵氣象因素進(jìn)行了探討，研究發(fā)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)厚度在夏春季大于秋冬季，而且春季相對(duì)濕度是影響氣溶膠光學(xué)厚度的重要因素，同時(shí)低風(fēng)速和南風(fēng)也是造成氣溶膠光學(xué)厚度高值的原因之一。徐小紅等[32]和戴進(jìn)等[33]研究了氣溶膠對(duì)秦嶺山脈地形云降水的影響，結(jié)果表明氣溶膠的增加抑制了地形云降水。杜川利等[34]研究了氣溶膠和城市熱島效應(yīng)對(duì)秦嶺地區(qū)近50 a氣溫序列影響，結(jié)果表明氣溶膠對(duì)秦嶺氣溫冷卻幅度為0.21 ℃/10 a。

秦嶺山地橫亙?cè)谥袊胁浚鳛槟媳狈纸缇€，秦嶺山地相對(duì)高差達(dá)3 000 m，地面起伏度較大，地形上南坡緩長，北坡陡峭，且南北麓的自然景觀和人文景觀都呈現(xiàn)出迥然不同的狀態(tài)，且北麓城鎮(zhèn)化水平較高，本文以位于陜西的秦嶺腹地為研究對(duì)象，借助Terra/MODIS MOD04_3k氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品，對(duì)秦嶺山地南、北麓AOD的時(shí)空分布規(guī)律及其與地形的關(guān)系進(jìn)行研究，旨在揭示秦嶺山地對(duì)大氣氣溶膠分布的阻隔作用及其地形效應(yīng)，從而為氣候變化研究及環(huán)境治理等提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為位于陜西省境內(nèi)的秦嶺腹地[35]，在32°40′N～34°35′N，105°30′E～111°3′E之間，總面積約6.19萬km2，約占陜西省總土地面積30%，如圖1所示。秦嶺山地大體上與1月0 ℃等溫線、800 mm等降水量線基本一致，也是長江與黃河兩大流域的分水嶺。秦嶺山地北仰南俯，海拔范圍在195～3 771.2 m，其中>1 500 m的山地面積為1.46×104km2； >2 000 m的面積為3 675.5 km2； >3 000 m的面積為130.23 km2。秦嶺北坡位于關(guān)中平原南部地區(qū)，主要包括寶雞、西安和渭南大部分縣區(qū)； 秦嶺南坡位于秦巴山之間，跨越商洛、安康和漢中等地區(qū)[35]。截至2015年底，秦嶺北部地區(qū)總?cè)丝诩s2 280萬，生產(chǎn)總值11 223.61億元； 秦嶺南部地區(qū)人口約為844.55萬人，生產(chǎn)總值2 459.12億元[36]。秦嶺山地水量充沛，年均降水量約為825 mm，北坡平均降水量為737.25 mm，南坡平均降水量為847.37 mm[37]。秦嶺山地植被覆蓋度良好，植被覆蓋率達(dá)84%，北坡為75%，南坡為86%，秦嶺南北坡均以高植被覆蓋為主[38]。秦嶺山體龐大，對(duì)冬季西伯利亞寒流和夏季太平洋濕潤的水汽具有明顯的“阻隔作用”，使得中國南北出現(xiàn)了不同的氣候型和植被類型[39]，北坡屬于暖溫帶半濕潤氣候，廣泛分布暖溫帶落葉闊葉林； 南坡為北亞熱帶濕潤氣候，分布著北亞熱帶常綠闊葉—落葉闊葉混交林，特殊的地理位置，使秦嶺山地成為全球生態(tài)環(huán)境變化的敏感區(qū)。

圖1 秦嶺的地理位置Fig.1 Location of the Qinling Mountains

1.2 數(shù)據(jù)源

搭載于Terra和Aqua衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀(MODIS)，是目前氣溶膠探測(cè)的一個(gè)重要儀器，MODIS探測(cè)儀可以提供從可見光、近紅外到遠(yuǎn)紅外共計(jì)36個(gè)通道的探測(cè)資料，具有較高的空間分辨率，掃描寬度為2 330 km，可為陸地、海洋、大氣、氣溶膠及云的觀測(cè)提供高分辨率的檢測(cè)產(chǎn)品，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在本文中選用的氣溶膠光學(xué)厚度資料來源于NASA最新發(fā)布的Terra/MODIS MOD04_3k產(chǎn)品，時(shí)間序列自2002年1月至2017年12月，空間分辨率為3 km×3 km，數(shù)據(jù)獲取自https: //ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/網(wǎng)站。數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，分辨率為25 m×25 m。

2 研究方法

1)山地與平原的地形特征主要區(qū)別在于其高程和坡度兩個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)[40]。因此本文在國際UNEP-WCMC(聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署-世界保護(hù)監(jiān)測(cè)中心)對(duì)山地劃分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，考慮到中國山地的復(fù)雜多變，各地區(qū)山地類型差異較大，并結(jié)合秦嶺地區(qū)的實(shí)際環(huán)境[41]，植被覆蓋率和農(nóng)作物生長情況，將秦嶺地區(qū)的平原和山地劃分依據(jù)如下： ①海拔<600 m，坡度<5°的區(qū)域?yàn)槠皆貐^(qū)； ②海拔在600～1 000 m之間的區(qū)域?yàn)榈蜕降貐^(qū)； ③海拔在1 000～2 500 m之間的區(qū)域?yàn)橹猩剑?④海拔在2 500～3 771.2 m的全部區(qū)域?yàn)楦呱健?/p>

2)核密度估計(jì)法(Kernel density estimation, KDE)，是一種用于估計(jì)概率密度函數(shù)的非參數(shù)方法，是由Emanuel Parzen在1962年提出的[42]，又名Parzen窗(Parzen window)。核密度估計(jì)法的公式為：

(1)

式中：K為核函數(shù)(非負(fù)、積分為1，符合概率密度性質(zhì))，h>0為一個(gè)平滑參數(shù)，稱為帶寬，也有人叫窗口。核密度估計(jì)的目的是給定一組樣本量大的數(shù)據(jù)，估計(jì)出該數(shù)據(jù)總體的概率密度函數(shù)。核密度估計(jì)法能有效地表達(dá)高密度二維散點(diǎn)圖的空間分布特征，針對(duì)一般散點(diǎn)圖難以辨別變量分布的集中度[42]。在本文中用來分析秦嶺地區(qū)AOD集聚中心的分布情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 秦嶺山地南北麓年均AOD時(shí)空變化

2002—2017年，秦嶺南、北麓AOD逐年均值時(shí)空分布如圖2和表1所示。由圖2、表1中可以看出，16 a來AOD在南、北麓時(shí)空上變化差異顯著，秦嶺北麓年均AOD值均高于秦嶺南麓，表現(xiàn)出秦嶺山地對(duì)氣溶膠的生態(tài)屏障作用。大多數(shù)年份且在秦嶺地區(qū)AOD整體較高的年份，高值均出現(xiàn)在秦嶺北麓的關(guān)中城市群，關(guān)中城市群位于秦嶺山地和渭北山系間，此區(qū)域處于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密度大，為四周高、中間低的地形，導(dǎo)致氣溶膠不易擴(kuò)散，而且有研究表明AOD高值中心一般分布在人口聚集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和海拔較低的地方[43-44]。另外，由圖1還可以看出，秦嶺山地的年均AOD分布還與地形明顯相關(guān)，除了北麓關(guān)中盆地是AOD的高值區(qū)，在南麓低海拔的漢中盆地亦出現(xiàn)了AOD高值區(qū)。由此可見，AOD的分布除了具有緯向差異還與地形有關(guān)。

表1 秦嶺南、北麓2002—2017年年均AOD對(duì)比Tab.1 Comparison of annual average AOD between2002 and 2017 over the southern and northernslopes of the Qinling Mountains

3.2 秦嶺生態(tài)屏障效應(yīng)下AOD的分布特征

由于秦嶺山地南、北麓的空間異質(zhì)性，為了更進(jìn)一步研究秦嶺山地對(duì)AOD的阻隔作用，分別提取秦嶺山地從西到東沿不同經(jīng)度(107°E，108°E，109°E和110°E)下大氣氣溶膠及海拔沿緯度的變化，由于秦嶺山脊線是一條東西向波動(dòng)的線，特選出每條經(jīng)度與之交點(diǎn)，以此進(jìn)行南北對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，秦嶺山地南坡緩長，北坡陡峭，南、北麓AOD波動(dòng)較大，從極值、均值和南北麓相同海拔的AOD值來看，AOD在不同經(jīng)度上基本表現(xiàn)出“北高南低”的特點(diǎn)。

從極值來看，秦嶺山地從西向東不同經(jīng)度上，北麓的AOD極大值在升高，南麓的極大值在減小。就均值來看，除了107°E，秦嶺南、北麓的均值均為0.23外，108°～110°E的AOD在南、北麓上存在差異性，北麓均值分別為0.27，0.47和0.47，南坡均值分別為0.24，0.25和0.25，由此可見，AOD均值亦存在“南高北低”的特點(diǎn)。為了更進(jìn)一步的研究AOD在秦嶺山地南北麓的差異性，分別選取秦嶺山地南北麓所有海拔相同上的AOD值進(jìn)行對(duì)比分析，見表2。由表2可知，相同海拔上南北麓的AOD值亦存在差異性，在19個(gè)采樣點(diǎn)中有15個(gè)AOD值北麓高于南麓，分布在山地西部(107°E和108°E)的高海拔區(qū)處(1 200 m)，有4個(gè)值南麓高于北麓，分布在山地東部(109°E和110°E)，北坡AOD均高于南坡。綜上所述，秦嶺山地經(jīng)度上從西到東，AOD值基本表現(xiàn)為北麓高于南麓，此外，AOD值均與海拔密切相關(guān)。

表2 秦嶺山地南北坡相同海拔沿不同經(jīng)度的AOD值對(duì)比Tab.2 Comparison of AOD values along differentlongitudes at the same altitude on the northernand southern slopes of the Qinling Mountains

3.3 秦嶺山地AOD與地形的關(guān)系

3.3.1 秦嶺山地AOD隨海拔的變化規(guī)律

秦嶺山地相對(duì)海拔差異較大，為研究秦嶺山地AOD隨海拔的變化規(guī)律，使用ArcGIS10.3提取2002年1月至2017年12月16 a來秦嶺山地不同海拔梯度上的AOD值，結(jié)果如圖4(a)所示。從圖4(a)可以看出，秦嶺山地16 a來大氣氣溶膠光學(xué)厚度在海拔上表現(xiàn)差異顯著，隨著海拔的上升，AOD呈對(duì)數(shù)下降趨勢(shì)。運(yùn)用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)AOD隨海拔變化進(jìn)行突變分析得知，突變點(diǎn)位于海拔2 000 m左右，對(duì)趨勢(shì)方程求導(dǎo)后得到AOD隨海拔的變化速率圖4(b)，由圖4(b)可知，在海拔2 000 m以下，AOD呈顯著地加速下降趨勢(shì)(p<0.01)，速率為0.001/1 000 m； 在海拔2 000 m以上，AOD呈顯著勻速下降趨勢(shì)(p<0.01)，速率幾近為0。

(a) AOD隨海拔的變化規(guī)律

(b) AOD隨海拔變化速率圖圖4 16 a間秦嶺山地AOD隨海拔的變化規(guī)律Fig.4 Variation of AOD with Altitude over theQinling Mountains during 16 Years

3.3.2 秦嶺山地AOD與地形的關(guān)系

AOD的分布除了具有南北差異和經(jīng)向差異，還受地形、坡度和坡向影響，因此將秦嶺地區(qū)按照海拔和坡度分級(jí)分為平原、低山、中山和高山4種地形，如圖5所示，平原地區(qū)主要為秦嶺北麓的關(guān)中盆地、南部的漢中盆地和安康盆地3大區(qū)域； 平原和低山的面積分別占秦嶺地區(qū)總面積的16%和25%，中山面積分布較廣，約占秦嶺地區(qū)面積的58%； 高山面積分布較少，只占1%。利用ArcGIS10.3和核密度估計(jì)法提取出秦嶺地區(qū)不同地形下的空間密集中心，如圖6所示。從圖6中可以得知，AOD密集中心在秦嶺山地不同地形下分布差異較大。平原區(qū)的集聚中心分布在海拔330～420 m處，集聚中心約79%的值集聚在0.35～0.71之間，并且在330～340 m之間出現(xiàn)了高值集聚中心(AOD=0.7)，此海拔多為秦嶺南、北麓城市群，故此處人口較密集； 低山區(qū)的集聚中心分布在海拔900～1 000 m處，集聚中心約79%的值集聚在0.15～0.32之間； 中山區(qū)的集聚中心在海拔1 000～1 400 m處，集聚中心約60%的值集聚在0.19～0.3之間，此3種地形下，AOD均呈霧狀分布； 高山區(qū)AOD呈零星點(diǎn)狀分布無集聚中心。

圖5 秦嶺地區(qū)地形分類圖Fig.5 Topographic classification Mapover the Qinling Mountains

3.3.3 秦嶺山地AOD與南北坡地形的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析秦嶺山地南北坡地形與AOD的關(guān)系，本文將分別分析南坡和北坡海拔和AOD的關(guān)系。如圖7所示，秦嶺山地北坡的AOD聚集中心(AOD=0.6)分布在海拔500 m處，而秦嶺南坡AOD的聚集中心(AOD=0.22)分布在海拔1 100～1 200 m處。此外，從圖7中還可以得知，隨著秦嶺北坡海拔的升高，AOD值呈“對(duì)數(shù)型”曲線下降； 而南坡的下降趨勢(shì)表現(xiàn)不明顯。

4 結(jié)論

本文基于Terra/MODIS MOD04_3k遙感產(chǎn)品研究了秦嶺山地對(duì)大氣氣溶膠光學(xué)厚度的生態(tài)屏障效應(yīng)及其與地形的關(guān)系。主要結(jié)論如下：

1)2002年1月至2017年12月16 a來秦嶺北麓年均AOD值均高于秦嶺南麓，高值均出現(xiàn)在秦嶺北麓的關(guān)中城市群； AOD的擴(kuò)散具有明顯的緯向性特征，作為一種生態(tài)屏障，對(duì)大氣氣溶膠的擴(kuò)散具有明顯的阻隔作用。

2)秦嶺山地AOD表現(xiàn)出南北差異較大。不論秦嶺南、北麓AOD的極值、均值和相同海拔處的AOD都表現(xiàn)出“南低北高”的特點(diǎn)，同時(shí)，秦嶺山地AOD與海拔表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3)AOD隨海拔的分布規(guī)律表現(xiàn)在： AOD隨海拔上升呈現(xiàn)對(duì)數(shù)下降趨勢(shì)，在海拔2 000 m以下，AOD呈顯著的加速下降趨勢(shì)，速率為0.001/1 000 m； 在海拔2 000 m以上，AOD呈顯著地勻速下降趨勢(shì)，速率接近為0。

4)AOD在秦嶺山地不同地形下分布差異較大。平原區(qū)的集聚中心分布在海拔330～420 m處，集聚中心約79%的值集聚在0.35～0.71之間，并且在330～340 m之間出現(xiàn)了高值集聚中心； 低山區(qū)的集聚中心分布在海拔900～1 000 m處，約79%的值集聚在0.15～0.32之間； 中山區(qū)的集聚中心在海拔1 000～1 400 m處，約60%的值集聚在0.19～0.3之間； 高山區(qū)AOD呈零星點(diǎn)狀分布無集聚中心。AOD集聚中心在秦嶺北坡的海拔分布比南坡低，北坡AOD集聚中心值高于南坡。AOD隨著秦嶺北坡海拔升高而呈對(duì)數(shù)下降趨勢(shì)，南坡下降趨勢(shì)不明顯。

以上結(jié)論表明，由于秦嶺山地的阻隔作用使得對(duì)AOD產(chǎn)生明顯的生態(tài)屏障作用，另一方面，AOD受地形影響，在海拔2 000 m以下表現(xiàn)得最為密集，應(yīng)在此區(qū)域加強(qiáng)氣溶膠的監(jiān)測(cè)與環(huán)境的治理工作。