2010—2019年粵港澳地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布特征

何沐全，肖建軍，石艷軍，吳永琪

(1. 廣東省氣象衛(wèi)星遙感中心，廣東廣州510641；2. 河源市氣象局，廣東河源517000)

1 引 言

懸浮于大氣中的固態(tài)和液態(tài)微粒對(duì)地球輻射強(qiáng)迫[1-3]、氣候系統(tǒng)[4-8]、動(dòng)植物健康[9]等具有重要的作用。大氣氣溶膠作為云凝結(jié)核與云相互作用進(jìn)而改變?cè)频奈⑽锢硖匦?，并通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)輻射等方式影響氣候變化[10-14]。密閉空間的氣溶膠可作為病毒的載體，人體長(zhǎng)期吸入有害細(xì)粒子也會(huì)引發(fā)心肺等器官病變[15-17]。氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol optical depth，AOD)是指氣溶膠的消光系數(shù)在大氣垂直方向上的積分，它是估算氣溶膠直接輻射效應(yīng)的重要光學(xué)特性參數(shù)[18]。研究氣溶膠對(duì)環(huán)境和氣候的影響需要了解其長(zhǎng)時(shí)序的時(shí)空變化規(guī)律[19]，因此，研究氣溶膠的時(shí)空特征對(duì)氣候變化、綠色生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面具有重要意義[20]。

近年來(lái)，有大量學(xué)者利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究了中國(guó)區(qū)域氣溶膠時(shí)空特性，MODIS AOD 產(chǎn)品作為代表數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用[21-24]。目前NASA 對(duì)外發(fā)布了MODIS 3 km 和10 km 兩種分辨率產(chǎn)品，有研究表明3 km產(chǎn)品比10 km產(chǎn)品對(duì)噪聲的敏感度更高，在中國(guó)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)3 km 產(chǎn)品精度略優(yōu)于10 km[25-28]?；浉郯木C合經(jīng)濟(jì)實(shí)力強(qiáng)，工業(yè)發(fā)達(dá)，人口密度大，是中國(guó)顆粒物污染較嚴(yán)重的區(qū)域之一，目前國(guó)內(nèi)外已發(fā)表了大量關(guān)于粵港澳氣溶膠時(shí)空特性的研究成果。林楚勇等[29]利用MODIS C5 AOD 分析了 2002—2013 年間廣東省AOD 的時(shí)空分布特征。游積平等[30]利用2010 年11 月6 日在廣東佛山、江門等地區(qū)上空進(jìn)行的一次飛機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)，初步分析氣溶膠粒子的垂直和水平分布特征。劉艷群等[31]利用MODIS 3 km 的AOD 產(chǎn)品分析了廣東省2001—2018 年的AOD、細(xì)粒子光學(xué)厚度及細(xì)粒子消光比例的總體分布與變化特征。Kong等[32]利用地基觀測(cè)資料分析了珠三角區(qū)域的氣溶膠吸濕增長(zhǎng)特征及其光學(xué)特征。Kuang 等[33]利用 MERRA-2 數(shù)據(jù)分析了 1980—2018 年粵港澳的氣溶膠時(shí)空分布特征。黃健等[34]利用2004 年太陽(yáng)光度計(jì)的AOD 觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)MODIS AOD C4 產(chǎn)品在珠江三角洲城市地區(qū)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了檢驗(yàn)，并分析了誤差成因。王捷純等[35]利用太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)資料對(duì)MODIS C6 AOD產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗(yàn)，并分析了2003—2016 年廣東省AOD 時(shí)空特征。張磊等[36]利用MODIS AOD 及DEM、NDVI、夜間燈光等數(shù)據(jù)，分析了廣東省的AOD 時(shí)空特征及其影響因素。鄧玉嬌等[37]利用FY3A 的 MERSI AOD 產(chǎn)品分析 2010—2013 年廣東省AOD 的分布規(guī)律。范萌等[38]利用MODIS AOD 產(chǎn)品分析了珠三角地區(qū)2000—2013 年的AOD空間分布特征及年、季變化規(guī)律。

近10 年來(lái)，粵港澳地區(qū)顆粒物污染得到明顯改善，學(xué)術(shù)界對(duì)粵港澳地區(qū)的氣溶膠光學(xué)特性研究熱度顯著下降；氣溶膠的顯著減少打破了地氣系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致大氣中臭氧濃度上升，因此，對(duì)近年來(lái)粵港澳大氣中氣溶膠的光學(xué)特性變化及其與臭氧的協(xié)同作用研究具有重要意義。

本文以MODIS C61 3 km AOD 產(chǎn)品為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)太陽(yáng)光度計(jì)SolarSIM-D2 和AEROSET觀測(cè)的AOD地基數(shù)據(jù)及環(huán)境監(jiān)測(cè)站觀測(cè)的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)對(duì)MODIS AOD 產(chǎn)品進(jìn)行可用性檢驗(yàn)，利用經(jīng)檢驗(yàn)的MODIS C61 AOD 產(chǎn)品分析2010—2019 年粵港澳地區(qū)的AOD 空間分布特征及年、季、月變化規(guī)律，以期為環(huán)保部門治理粵港澳地區(qū)的氣溶膠污染提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 數(shù) 據(jù)

2.1.1 MODIS AOD產(chǎn)品

為更好理解發(fā)生在陸地、海洋及低層大氣中的全球環(huán)境污染與氣候變化，美國(guó)EOS 于1999年、2002年先后發(fā)射了Terra(上午星)和Aqua(下午星)衛(wèi)星，MODIS是衛(wèi)星上搭載的一顆中分辨率成像光譜儀。MODIS AOD產(chǎn)品是利用MODIS獲取的光譜與空間信息，通過(guò)暗像元和深藍(lán)算法，在無(wú)云、無(wú)冰雪覆蓋條件下反演得到陸地、海洋上空的550 nm 氣溶膠光學(xué)特性[27,39]。MODIS AOD 產(chǎn)品最早于2000 年開始對(duì)外發(fā)布，先后經(jīng)歷了6 次改版，最新版C61 于2017 年開始發(fā)布，并于2018 年3月完成了歷史資料更新，該版本改進(jìn)了L1B 原始反演數(shù)據(jù)中存在的諸多問(wèn)題及產(chǎn)品誤差，目前可用的AOD 產(chǎn)品有3 km 和10 km 兩種空間分辨率。本文以NASA 發(fā)布的C61 最新版Terra/MODIS AOD 晴空日產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，分辨率為3 km，時(shí)間跨度為2010—2019 年，空間范圍包括廣東省及香港、澳門。

2.1.2 地基觀測(cè)資料

本文使用的地基觀測(cè)資料包括太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的AOD和國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)站觀測(cè)的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。太陽(yáng)光度計(jì)通過(guò)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)入射光，可從地面直接獲得氣溶膠消光系數(shù)，并通過(guò)自帶的軟件計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的AOD，通常將其觀測(cè)的AOD 作為真實(shí)值，用于檢驗(yàn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演的AOD 的真實(shí)性。太陽(yáng)光度計(jì)布設(shè)點(diǎn)分別位于南海農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站、香港理工大學(xué)和香港上水。南海農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站位于廣東省佛山市南海區(qū)，經(jīng)緯度為113.03 °E，23.13 °N，太陽(yáng)光度計(jì)型號(hào)為SolarSIM-D2，探測(cè)譜段有 368 nm、412 nm、500 nm、675 nm、862 nm 和 1 024 nm，觀測(cè)時(shí)間為2018 年，每5 min 一次。香港理工大學(xué)站(PolyU，114.18 °E，22.303 °N)和香港上水站(Sheung，114.12 °E，22.48 °N)是美國(guó) NASA 在全球布設(shè)的自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)網(wǎng)(AERONET)，設(shè)備型號(hào)為CIMEL CE318，光譜通道有 1 020 nm、870 nm、675 nm、500 nm、440 nm、380 nm 和340 nm，觀測(cè)時(shí)間為2018 年，數(shù)據(jù)獲取來(lái)自https://aeronet.gsfc.nasa.gov/。

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)自于廣東省氣象局華南區(qū)域環(huán)境氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)EMOS 2019 年發(fā)布的廣東省100 個(gè)國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)站觀測(cè)的PM2.5、PM10逐小時(shí)質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，單位為μg/m3。太陽(yáng)光度計(jì)與國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)站分布見圖1。

圖1 太陽(yáng)光度計(jì)與國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)站分布圖

2.2 方 法

本文以2018 年太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的AOD 和2019 年廣東省100 個(gè)國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)站觀測(cè)PM2.5、PM10逐小時(shí)質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以地基站點(diǎn)為中心，提取并計(jì)算5 km 半徑內(nèi)的MODIS AOD 均值及衛(wèi)星過(guò)境前后30 min 的地基觀測(cè)數(shù)據(jù)均值，利用統(tǒng)計(jì)分析方法建立MODIS AOD 與太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的AOD及PM2.5、PM10間的關(guān)系模型，完成MODIS AOD 產(chǎn)品在粵港澳地區(qū)的質(zhì)量控制與可用性檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，利用NASA 提供的MCTK(the MODIS conversion toolkit)插件對(duì)2010—2019 年粵港澳地區(qū)的MODIS AOD 3 km日產(chǎn)品進(jìn)行重投影，以像素作為統(tǒng)計(jì)單元，對(duì)有效像元計(jì)算合成得到粵港澳地區(qū)的月、季、年及10年累計(jì)AOD 平均值并繪制成圖。季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)為春季(3—5 月)、夏季(6—8 月)、秋季(9—11 月)、冬季(12月—次年2月)。

3 結(jié)果與分析

3.1 MODIS AOD產(chǎn)品可用性檢驗(yàn)

太陽(yáng)光度計(jì)通過(guò)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)，測(cè)量太陽(yáng)入射輻射信息，利用這些信息可反演得到大氣中的氣溶膠光學(xué)特性，這種自下而上獲取的AOD 通常作為真值對(duì)衛(wèi)星資料反演的AOD 進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)合CE318 和SolarSIM-D2 的探測(cè)光譜特性及Angstr?m 波長(zhǎng)指數(shù)公式[19]，選擇受水汽影響較小的近紅外與藍(lán)光波段，計(jì)算得到550 nm 的AOD，建立合理的太陽(yáng)光度計(jì)與衛(wèi)星觀測(cè)AOD 時(shí)空匹配數(shù)據(jù)集，利用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行擬合分析。

從圖2可知，MODIS AOD與AERONET AOD擬合效果較好，其中香港理工大學(xué)站、香港上水站觀測(cè)的AOD 與MODIS AOD 匹配樣本數(shù)為30、26個(gè)，擬合系數(shù)分別為0.88、0.96；佛山南海農(nóng)試站SolarSIM-D2 的412 nm 藍(lán)光波段波長(zhǎng)較短，受大氣散射影響較大，因而選擇1 024 nm 和862 nm 兩個(gè)近紅外通道計(jì)算得到550 nm 的AOD，匹配樣本數(shù)為54 個(gè)，計(jì)算結(jié)果與MODIS AOD 線性擬合系數(shù)為0.62；3 個(gè)太陽(yáng)光度計(jì)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)與MODIS AOD 的擬合結(jié)果均通過(guò)了5%的顯著性水平檢驗(yàn)(P值<0.05)。

圖2 MODIS AOD與太陽(yáng)光度計(jì)AOD線性擬合關(guān)系圖

PM2.5、PM10質(zhì)量濃度是由地面在線環(huán)境監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)獲取的近地面大氣細(xì)顆粒物濃度，是通過(guò)測(cè)量恒速定量體積空氣中的顆粒物質(zhì)量得到。利用2019 年廣東省100 個(gè)國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)站觀測(cè)的逐小時(shí)細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，篩選衛(wèi)星過(guò)境前后30 min 及站點(diǎn)5 km 半徑范圍內(nèi)的匹配數(shù)據(jù)，建立擬合關(guān)系模型。從圖3 可知，2019 年P(guān)M2.5、PM10年均濃度與 MODIS AOD 匹配樣本數(shù)為80 個(gè)，擬合系數(shù)分別為0.50、0.46；隨機(jī)晴空日各監(jiān)測(cè)站PM2.5、PM10逐小時(shí)濃度與MODIS AOD匹配樣本數(shù)為75、68 個(gè)，最優(yōu)擬合系數(shù)分別為0.58、0.56，擬合結(jié)果均通過(guò)5%的顯著性水平檢驗(yàn)，表明衛(wèi)星資料反演的AOD 與地面觀測(cè)PM2.5、PM10質(zhì)量濃度在數(shù)值上存在一定的線性關(guān)系。

圖3 MODIS AOD與PM2.5、PM10質(zhì)量濃度間的關(guān)系

綜合地基太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的AOD 和環(huán)境監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度與MODIS AOD產(chǎn)品的擬合結(jié)果，表明MODIS AOD 能夠反映粵港澳近地層大氣中的顆粒物信息，即MODIS C61 3 km AOD 產(chǎn)品適用于粵港澳地區(qū)的大氣顆粒物污染研究。

3.2 粵港澳地區(qū)AOD空間分布特征

利用2010—2019年逐日的MODIS AOD 產(chǎn)品合成計(jì)算得到粵港澳地區(qū)近10 年的AOD 累計(jì)平均值分布圖(圖4)，粵港澳地區(qū)的AOD 近10 年平均值范圍介于0.25～1.11，總平均值為0.50，高值區(qū)主要分布于佛山、廣州、東莞、中山等珠三角城市，其次是粵西地區(qū)，粵北及粵東北地區(qū)AOD 值較小。AOD 最大值出現(xiàn)于佛山北部地區(qū)，該區(qū)域工業(yè)企業(yè)分布密集，顆粒物排放量大。

圖4 粵港澳地區(qū)MODIS AOD分布圖

3.3 近10年粵港澳地區(qū)AOD年變化特征

由圖5 可知，粵港澳地區(qū)AOD 總年平均值波動(dòng)于0.36～0.61，整體上呈明顯的下降趨勢(shì)。2010—2014 年AOD 維持在較高水平，僅2013 年出現(xiàn)短暫下降后于2014 年達(dá)到近10 年最高值(AOD值：0.61)；之后呈直線下降，2016—2018 年維持在較低水平，AOD年均值均低于0.41，最低值出現(xiàn)于2016 年(AOD 值：0.36)，2019 年 AOD 值出現(xiàn)反彈，但幅度較小，AOD 值低于2010—2015 年的最小值。

圖5 粵港澳地區(qū)MODIS AOD年均值變化趨勢(shì)圖

從圖6可知，粵港澳地區(qū)的MODIS AOD年均值變化范圍為0.01～2.64，AOD 高值區(qū)主要分布于珠三角及香港、澳門地區(qū)，2010—2015年珠江入海口附近城市AOD 均維持在高值水平，但極大值呈逐年減小變化；其中，2011—2012 年，AOD 高值分布面積最廣，極大值出現(xiàn)于2011 年(AOD 極大值為2.64)，2013—2014年珠三角城市的AOD值低于2011—2012年，但其他各地的AOD 值仍維持在較高水平。從2015 年開始，粵港澳地區(qū)的大氣顆粒物污染得到明顯改善，后5 年的AOD 值明顯低于前5年，但珠三角及粵西地區(qū)AOD值仍較大，后期需持續(xù)加強(qiáng)珠三角及粵西地區(qū)的顆粒物污染防治。

圖6 2010—2019年粵港澳地區(qū)MODIS AOD年均值分布圖

3.4 粵港澳地區(qū)AOD季節(jié)變化特征

從圖7 可知，粵港澳地區(qū)的AOD 季節(jié)變化特征表現(xiàn)為春季(AOD 值：0.66)＞夏季(AOD 值：0.53)＞秋季(AOD 值：0.44)＞冬季(AOD 值：0.41)。春夏季粵港澳地區(qū)以陰雨天氣為主，氣溶膠吸濕增長(zhǎng)加劇大氣中太陽(yáng)入射輻射的消光效應(yīng)，且在偏南風(fēng)的主導(dǎo)下，沿海工業(yè)顆粒物排放及海鹽吹向內(nèi)陸，導(dǎo)致大氣中顆粒物總量增加，AOD 值增大；秋冬季以偏北風(fēng)為主，且降水少，大氣濕度低，AOD值小。

圖7 粵港澳地區(qū)MODIS AOD季均值變化圖

3.5 粵港澳地區(qū)AOD月變化特征

從圖8 可知，粵港澳地區(qū)各月的AOD 變化范圍為 0.01～3.45，其中1—2 月AOD 值整體較小，總 AOD 月均值約為 0.40，3 月最大(AOD 值：0.73)，其次是 4 月(AOD 值：0.71)；5—8 月，AOD 總均值在0.45～0.56 間波動(dòng)，各月的AOD 均值分布特征相似，高值區(qū)均分布于珠三角地區(qū)；9—12 月，AOD 值呈逐月下降趨勢(shì)，12 月AOD 總均值為全年 最 低 (AOD 值 ：0.35)，其 次 是 11 月 (AOD 值 ：0.38)。

圖8 粵港澳地區(qū)MODIS AOD月均值變化圖

4 結(jié) 論

本文利用2010—2019 年的粵港澳MODIS C61 3 km AOD逐日產(chǎn)品，結(jié)合地基太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的AOD和廣東省100個(gè)國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)站觀測(cè)的PM2.5、PM10質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，先是對(duì)粵港澳地區(qū)的MODIS AOD 產(chǎn)品進(jìn)行了可用性檢驗(yàn)，并利用經(jīng)檢驗(yàn)的MODIS AOD 產(chǎn)品分析了粵港澳地區(qū)的AOD時(shí)空分布特征，得出以下結(jié)論。

(1) MODIS AOD 與地基太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)AOD 具有較好的擬合效果，其數(shù)值上與近地面的PM2.5、PM10濃度存在一定的線性關(guān)系，表明MODIS AOD 能反映粵港澳大氣中的氣溶膠光學(xué)特性，適用于粵港澳AOD時(shí)空分布特征研究。

(2) 粵港澳地區(qū)AOD 空間分布特征表現(xiàn)為佛山、廣州、東莞、中山等珠三角城市高，其次是粵西的雷州灣地區(qū)?；浉郯母沟毓I(yè)集中，城市化率高，人為顆粒物排放量大，表現(xiàn)為AOD 值高；粵西地區(qū)海岸線長(zhǎng)，受海水鹽沫和工業(yè)、城建等顆粒物排放影響，AOD 值次高；粵北地區(qū)植被覆蓋度高、城市化率低，顆粒物排放量較小，AOD值低。

(3) 粵港澳地區(qū)近10年AOD整體上呈明顯的下降趨勢(shì)。2010 年是廣州亞運(yùn)年，環(huán)保管控強(qiáng)度大，表現(xiàn)為 AOD 值較低；2011—2012 年環(huán)保管控力度放緩，經(jīng)濟(jì)增速加快，顆粒物排放量增加，表現(xiàn)為AOD 值增大，至2014 年達(dá)到近10 年最高值(AOD 值：0.61)；2015 年之后，大氣顆粒物污染得到明顯改善，AOD 值呈小幅波動(dòng)，但總體明顯低于2010—2014年的均值。

(4) 粵港澳地區(qū)的AOD 季節(jié)變化特征表現(xiàn)為春季(AOD 值：0.66)＞夏季(AOD 值：0.53)＞秋季(AOD 值：0.44)＞冬季(AOD 值：0.41)。春夏季粵港澳地區(qū)以陰雨天氣為主，氣溶膠吸濕增長(zhǎng)，且在偏南風(fēng)的主導(dǎo)下，沿海工業(yè)顆粒物排放及海鹽吹向內(nèi)陸，AOD 值大；秋冬季以偏北風(fēng)為主，降水少，大氣濕度低，AOD值小。

(5) 粵港澳地區(qū)各月的AOD 變化特征表現(xiàn)為1—2 月 AOD 值低，3—4 月 AOD 值較高，5—8 月AOD 在高值區(qū)波動(dòng)平穩(wěn)，9—12 月 AOD 值明顯下降，至12月達(dá)全年最低值。