京津冀地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布特征分析

黃雯婷，靖娟利*，王安娜，張占奕，盧夢緣，歐昱賢，李明杰

(1.桂林理工大學(xué) 測繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西欽州市浦北縣測繪中心，廣西 欽州 535399)

0 引言

大氣氣溶膠是大氣環(huán)境中固體和液體形成的懸浮體系，它的主要參數(shù)為氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)，表征為介質(zhì)的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，是描述氣溶膠對光的衰減作用。大氣氣溶膠來源于自然活動(dòng)和人為活動(dòng)，常見的自然活動(dòng)包括火山爆發(fā)、森林火災(zāi)和巖石風(fēng)化等；人為活動(dòng)有工業(yè)生產(chǎn)排放的煙霧微粒、煤和石油等化石燃料的燃燒以及汽車尾氣的排放等[1]。氣溶膠粒子通過吸收、散射太陽光的短波輻射可以直接影響氣候，氣溶膠粒子還可以增加云凝結(jié)核(Cloud Condensation Nuclei，CCN)濃度，改變云的反照率和微物理結(jié)構(gòu)，從而間接影響氣候[2-3]。

隨著京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近幾年來霧霾天氣頻繁發(fā)生。春季，京津冀地區(qū)容易受到沙塵暴的影響，使空氣能見度下降，容易引發(fā)交通事故并危害人體健康，且細(xì)顆粒污染物容易使人患心血管疾病和呼吸道疾病[4-5]。目前，對大氣氣溶膠的監(jiān)測主要以地基監(jiān)測為主，其監(jiān)測方法精度較高，但地基監(jiān)測存在站點(diǎn)較少、站點(diǎn)分布不均勻以及無法進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測污染物濃度變化等問題。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，通過遙感反演的AOD可以在一定程度上反映大氣渾濁度和顆粒物質(zhì)的含量，從而用于描述大氣質(zhì)量濃度的分布，實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？臻g上的連續(xù)監(jiān)測。近年來，基于遙感技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者已就大氣氣溶膠的時(shí)空分布和影響因素[6-8]等內(nèi)容進(jìn)行了廣泛研究。

京津冀地區(qū)是中國北方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心，分析其氣溶膠的時(shí)空分布及影響因素具有重要的意義[9-11]。Sun等[12]利用MODIS地表反射率產(chǎn)品(MOD09A1)結(jié)合HARLS算法反演出高分辨率的AOD數(shù)據(jù)(1 km)，利用反演后的AOD產(chǎn)品分析京津冀AOD的時(shí)空分布，表明AOD的空間分布受人為因素與自然因素的影響。張西雅等[13]對京津冀地區(qū)氣溶膠時(shí)空分布進(jìn)行分析，表明AOD呈現(xiàn)西北低東南高的特點(diǎn)，人類活動(dòng)與地區(qū)發(fā)展對AOD的分布具有顯著的影響。景悅等[14]基于2010—2016年的MODIS AOD產(chǎn)品分析了京津冀AOD年際與季節(jié)時(shí)空分布特點(diǎn)及影響因素，研究顯示AOD呈先增后減的趨勢，人為因素影響大于氣象因素。金囝囡等[15]結(jié)合AERONET地基觀測數(shù)據(jù)、MODIS衛(wèi)星遙感產(chǎn)品以及Himawari-8氣溶膠產(chǎn)品對亞洲2015—2016年41個(gè)站點(diǎn)的細(xì)模式態(tài)氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行研究。Wang等[16]通過全球自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)(AERONET)的AOD數(shù)據(jù)證實(shí)Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)具有研究意義，并利用Himawari-8小時(shí)AOD數(shù)據(jù)、氣象因素和地理因素結(jié)合混合效應(yīng)方法分析AOD的小時(shí)變化特征。

綜上所述，MODIS AOD產(chǎn)品在氣溶膠的研究中得到了廣泛應(yīng)用，但由于氣溶膠變化速度快、生命周期短，極軌衛(wèi)星獲取的氣溶膠產(chǎn)品的時(shí)間分辨率已經(jīng)不能滿足研究需求。Himawari-8數(shù)據(jù)具有高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，對于研究氣溶膠光學(xué)性質(zhì)、時(shí)空分布等具有重要的研究意義。因此本文以京津冀為研究區(qū)，采用Himawari-8小時(shí)AOD產(chǎn)品分析2015年12月—2018年2月京津冀AOD月、季節(jié)和年尺度的時(shí)空分布特征，以期為深入研究大氣變化和空氣環(huán)境質(zhì)量的治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)位于我國東部沿海地區(qū)，東經(jīng)113°27′～119°50′，北緯36°05′～42°40′，總面積21.54 km2，包括北京市、天津市和河北省。研究區(qū)地勢呈現(xiàn)西北高、東南低的特點(diǎn)，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水量季節(jié)分配不均，夏季降水量較多。京津冀地區(qū)是中國北方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心，由于人口密度大，工業(yè)生產(chǎn)和尾氣排放等形成的污染較嚴(yán)重，從而引發(fā)霧霾天氣，能見度降低，影響人們的日常生活并危害人體健康。

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1 Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)

Himawari-8氣象衛(wèi)星是世界上首顆拍攝彩色圖像的地球同步軌道氣象衛(wèi)星，于2014年10月7日由日本氣象廳發(fā)射。Himawari-8氣象衛(wèi)星提供空間分辨率為5 km，時(shí)間分辨率為10 min(2級)、1 h、1 d和月(3級)的氣溶膠產(chǎn)品，其中包括Angstrom指數(shù)、500 nm的氣溶膠光學(xué)厚度、氣溶膠數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制參數(shù)(QA_flag)等數(shù)據(jù)[17]。本文使用的AOD數(shù)據(jù)為Himawari-8三級每小時(shí)AOD數(shù)據(jù)，來自JAXA Himawari Monitor網(wǎng)站(https:∥www.eorc.jaxa.jp/ptree/index.html)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

本文基于京津冀地區(qū)2015年12月—2018年2月的Himawari-8三級每小時(shí)AOD數(shù)據(jù)，將其分為4個(gè)等級：“非常好”“好”“差”“較差”[16]，結(jié)合Himawari-8 AOD數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制參數(shù)，通過Matlab編程提取最高等級(“非常好”)的AOD數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)[18]。研究過程中，選取北京時(shí)間一天中的9：00—16：00的AOD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到月、季節(jié)和年均值，由于2015年和2018年的數(shù)據(jù)不足，年均值主要以2016年和2017年的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到。分析季節(jié)變化時(shí)，遵循以下劃分原則：選取12月—次年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季[19]。以上數(shù)據(jù)處理主要通過ArcGIS軟件和Matlab編程實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 京津冀地區(qū)AOD時(shí)間變化特征

2.1.1 年均變化特征

2016—2017年京津冀地區(qū)各市年均AOD值如表1所示。

表1 2016—2017年京津冀地區(qū)各市年均AOD值

從表1可知，2016—2017年京津冀地區(qū)年均AOD值在0.22～0.41。天津市、衡水市和邢臺市的年均AOD值均達(dá)到0.4以上，而張家口市和承德市的年均AOD值最低，略大于0.2。AOD標(biāo)準(zhǔn)差最大值出現(xiàn)在石家莊市、邢臺市，表明AOD值變化較大；而張家口市和承德市標(biāo)準(zhǔn)差普遍比其他地區(qū)較小，表明AOD值變化差異較小。這主要是因?yàn)閺埣铱谑泻统械率形挥诰┙蚣降奈鞅眳^(qū)域，屬于水源涵養(yǎng)區(qū)，重污染工業(yè)較少，地勢較高，且森林覆蓋面積較大，對污染物的吸附能力較強(qiáng)[20]。而其他城市屬于華北平原區(qū)，地勢較低，人口分布密集，工業(yè)污染嚴(yán)重，其AOD值也相對較高。

2.1.2 季節(jié)變化特征

京津冀地區(qū)各市AOD季節(jié)變化如圖1所示。

圖1 京津冀地區(qū)各市AOD季節(jié)變化直方圖Fig.1 Seasonal variation histogram of AOD in Beijing-Tianjin -Hebei region

從圖1可以看出，京津冀地區(qū)AOD值在夏季最高，冬季最低。春季AOD值最高的城市為衡水市，其值為0.41，這是因?yàn)榇杭臼俏覈硥m暴多發(fā)季節(jié)，對華北區(qū)域和西北地區(qū)的影響較大，在沙塵暴期間，大氣氣溶膠主要以粗顆粒物為主[21]。此外，春季也屬于農(nóng)田播種時(shí)期，焚燒秸稈來育肥農(nóng)田從而對空氣造成污染，2017年春季，衡水市出現(xiàn)降雨偏少導(dǎo)致農(nóng)田階段性干旱，大風(fēng)沙塵頻繁發(fā)生，空氣中粉塵懸浮形成氣溶膠。夏季和冬季AOD值最高的城市為邢臺市，其值分別為0.56和0.32。這與夏季高溫高濕的氣候特點(diǎn)有關(guān)，有利于霧霾的形成；而冬季相比其他季節(jié)AOD最低，主要是受到西北風(fēng)的影響，空氣從污染較低的西北部向東南部流動(dòng)，大氣污染得以稀釋[22]。秋季AOD整體高于冬季和春季，AOD最高值出現(xiàn)在滄州市，其值為0.48，主要與該地區(qū)在2016—2017年9月的2次中輕度污染有關(guān)。四季AOD值較低的城市為張家口市和承德市。

2.1.3 月變化特征

京津冀地區(qū)AOD月變化特征如圖2所示。

圖2 京津冀地區(qū)AOD月變化特征Fig.2 Monthly variation characteristics of AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

從圖2可知，2015年12月—2018年2月京津冀地區(qū)月AOD在0.23～0.55。根據(jù)擬合曲線可知，AOD月變化曲線呈雙峰分布，峰值分別出現(xiàn)在6月和9月，最小值出現(xiàn)在2月。這主要是因?yàn)?月氣溫較高，在高溫和相對濕度較大的條件下，有利于促進(jìn)霧霾的形成；6—8月AOD逐漸下降，主要與夏季降水量較大有關(guān)，雨水對AOD起到?jīng)_刷作用。

京津冀地區(qū)各市AOD月變化特征如圖3所示。

圖3 京津冀地區(qū)各市AOD月變化特征Fig.3 Monthly variation characteristics of AOD in cities of Beijing-Tianjin-Hebei region

從圖3可以看出，各市月AOD變化特征與京津冀整體變化一致，其中承德市和張家口市AOD值較低，與年變化和季節(jié)變化相似。這主要是由于植被通過吸收大氣顆粒物達(dá)到去除污染物的作用，張家口市和承德市相比其他城市海拔較高，并且植被覆蓋相比京津冀平原城市要好，從而減小氣溶膠對大氣的污染。

2.2 京津冀地區(qū)AOD空間分布特征

2.2.1 年均分布特征

為研究京津冀地區(qū)AOD空間分布特征，根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口分布情況，將京津冀地區(qū)劃分為4個(gè)區(qū)域：1個(gè)中心城區(qū)(北京、保定、石家莊、天津、廊坊)和3個(gè)郊區(qū)(北郊、東郊、南郊)，北郊包括承德西部、張家口；東郊包括承德東部、秦皇島和唐山；南郊包括邯鄲、邢臺、衡水和滄州[12]。

京津冀地區(qū)年均AOD空間分布如圖4所示。

圖4 京津冀地區(qū)年均AOD空間分布Fig.4 Spatial distribution of Annual AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

從圖4可以看出，京津冀地區(qū)年均AOD在0～0.7，空間分布整體呈從北向南增大的特點(diǎn)。中心城區(qū)與南郊AOD分布均勻且AOD在0.3～0.5，這些地區(qū)屬于京津冀人口密度和工業(yè)化程度較高的地區(qū)，排放的氣溶膠主要以人為氣溶膠為主。AOD低值區(qū)主要在北郊，數(shù)值在0.3以下。這主要是因?yàn)楸苯嫉貐^(qū)地勢西北高東南低，西北風(fēng)容易將污染物帶到華北平原，此外北郊地區(qū)植被生長茂盛，植被覆蓋較好，有利于吸收大量的氣溶膠顆粒物[23]。此外，太行山脈和燕山山脈位于西部和北郊與中心城區(qū)的交界處，污染物受到地形的阻擋，污染物邊界與二者邊界一致。而靠近渤海的東郊區(qū)域和相鄰中心城區(qū)AOD值較高，主要與海鹽氣溶膠的影響有關(guān)。

2.2.2 季節(jié)分布特征

京津冀地區(qū)AOD季節(jié)變化空間分布如圖5所示。

圖5 京津冀地區(qū)季節(jié)AOD空間分布Fig.5 Spatial distribution of seasonal AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

從圖5可知，AOD季節(jié)變化特征顯著，整體表現(xiàn)為以北京、保定、石家莊、天津和廊坊為中心城區(qū)向南、向東增加，向北減少的趨勢。AOD高值區(qū)主要分布在東郊、中心城區(qū)和南郊。AOD高值區(qū)(>0.5)空間分布季節(jié)差異顯著，表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季。東南部地區(qū)夏季AOD最高，冬季AOD最低，這一結(jié)論與紀(jì)曉璐等和劉浩等的研究結(jié)果一致。夏季AOD高值區(qū)主要分布在中心城區(qū)和南郊，其值在0.4～0.6，主要與夏季氣溫較高，相對濕度較大，有利于霧霾的形成有關(guān)。此外，人類活動(dòng)增加與AOD高值分布區(qū)密切相關(guān)；夏季氣溫較高，森林容易產(chǎn)生火災(zāi)，物質(zhì)在燃燒的過程中會(huì)生成大量的濃霧和煙塵，對空氣造成污染[24]；夏季是平原地區(qū)小麥?zhǔn)斋@季節(jié)，大量的秸稈燃燒也是造成AOD值較大的原因之一。冬季AOD值較小，數(shù)值在0.1～0.3，在冬季西北風(fēng)的作用下，空氣從西北向東南流向，有利于氣溶膠濃度的稀釋。

2.2.3 月分布特征

京津冀地區(qū)逐月AOD空間分布如圖6所示。

圖6 京津冀地區(qū)逐月AOD空間分布Fig.6 Spatial distribution of monthly AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

從圖6可以看出，京津冀地區(qū)AOD值在0～0.7，與季節(jié)變化和年均變化數(shù)值范圍一致。1—6月京津冀地區(qū)AOD在0.4以上的污染面積逐漸增大，6月達(dá)到了最大，除了張家口市與承德市西部，其余地區(qū)AOD達(dá)到0.5以上，主要與6—7月氣溫較高，物質(zhì)燃燒產(chǎn)生大量的煙霧，加上此時(shí)正是平原地區(qū)秸稈燃燒的高峰期有關(guān)。胡梅等[25]利用火點(diǎn)產(chǎn)品分析中國農(nóng)作物燃燒排放情況，研究結(jié)果表明華北平原在夏季燃燒火點(diǎn)較密集。8月AOD逐漸減小，與8月是一年四季降雨量最大的時(shí)期，雨水能有效沖刷空氣中的污染物有關(guān)[26]。9月中心城區(qū)和南郊AOD值較大，與9月臺風(fēng)活動(dòng)和降水明顯減小，大氣處于穩(wěn)定的狀態(tài)，容易形成逆溫現(xiàn)象，使得大氣擴(kuò)散能力較差，污染物積累有關(guān)。10—12月，AOD逐漸減小。

3 結(jié)束語

本文基于Himawari-8氣象衛(wèi)星的AOD產(chǎn)品，分析了2015年12月—2018年2月京津冀地區(qū)AOD時(shí)空變化特征。得到如下結(jié)論：

(1) 京津冀地區(qū)各市AOD年均值天津市最高，承德市最低。AOD季節(jié)變化特征明顯，夏季AOD最高，冬季最低。AOD月變化曲線具有雙峰特征，各城市與研究區(qū)變化趨勢一致。

(2) 京津冀地區(qū)AOD空間分布表現(xiàn)為南高北低的特點(diǎn)，月、季空間分布與年空間分布特征基本一致。AOD表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化特征，表現(xiàn)為夏季最高，冬季最低的特點(diǎn)。AOD月變化與季變化存在相似性，即高值區(qū)在夏季的6月、7月，冬季的12月、1月和2月AOD整體普遍最低。

(3) 氣溶膠生命周期短，時(shí)空變化性強(qiáng)，Himawari-8提供的AOD產(chǎn)品具有較高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，未來可重點(diǎn)研究AOD的小時(shí)變化，為相關(guān)部門對空氣污染治理提供決策支持。