廈漳泉地區(qū)氣溶膠污染特征及影響因素分析

肖鐘湧，陳穎鋒，陳坰烽，施益強(qiáng)，謝先全

(1.集美大學(xué)港口與海岸工程學(xué)院，福建 廈門 361021;2.集美大學(xué)地理國情監(jiān)測(cè)研究中心，福建 廈門 361021)

0 引言

大氣氣溶膠粒子中含有各種各樣的有毒化合物，高濃度的氣溶膠粒子直接危害人體健康[1-2]。同時(shí)，大氣氣溶膠也是氣候變化的一個(gè)重要的不確定來源[2-4]。目前，氣溶膠的研究方法從原位觀測(cè)發(fā)展到遙感估算。與地基遙感相比，衛(wèi)星遙感具有全球覆蓋的優(yōu)勢(shì)，越來越受重視。如MODIS衛(wèi)星遙感傳感器提供的全球氣溶膠產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛用于氣溶膠污染研究中[4-7]。在區(qū)域尺度上，張亮林等[8]利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品研究了中國11年間AOD的空間分布特征及年際和四季變化特征；趙仕偉等[9]利用2006—2015年MODIS/AQUA C6 MYD08-M3產(chǎn)品分析了中國西北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空變化特征和形成原因；瑪依拉·熱西丁等[10]利用MODIS/AQUA C6.1 MYD04_L2氣溶膠光學(xué)厚度日數(shù)據(jù)，對(duì)烏魯木齊市氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析。

福建省廈漳泉地區(qū)正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的階段，人為活動(dòng)強(qiáng)烈，工業(yè)污染物排放增加，產(chǎn)生了大量的人為氣溶膠粒子。因此，研究該地區(qū)的氣溶膠質(zhì)量濃度具有區(qū)域代表性。本研究第一次利用Terra-MODIS和Aqua-MODIS兩個(gè)傳感器反演的氣溶膠產(chǎn)品，合成不同時(shí)間尺度信息，利用時(shí)空分析方法對(duì)廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，并分析廈漳泉3個(gè)城市的差異及其影響因素，以期為廈漳泉地區(qū)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)和空氣污染預(yù)防與治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文使用的MODIS氣溶膠產(chǎn)品時(shí)間跨度為2002年1月—2017年12月，存儲(chǔ)格式為HDF數(shù)據(jù)格式，空間分辨率為3 km×3 km。先從HDF文件里面提取出氣溶膠數(shù)據(jù)，然后處理成ArcGIS可以讀寫的Shapefile文件格式。在數(shù)據(jù)處理和分析上，通過計(jì)算區(qū)域平均值來分析氣溶膠的時(shí)間變化特征；對(duì)多年的數(shù)據(jù)求平均值，分析該地區(qū)的空間分布特征；并利用變異系數(shù)研究時(shí)間上的波動(dòng)和空間上的異質(zhì)性。時(shí)間上的波動(dòng)情況和空間的異質(zhì)性分別用時(shí)間和空間變異系數(shù)來表征。變異系數(shù)(CV)為標(biāo)準(zhǔn)差(σ)與平均數(shù)(μ)的比值，計(jì)算公式為：CV=σ/μ。其中：CV為時(shí)間變異系數(shù)時(shí)，σ和μ分別根據(jù)時(shí)序變化的數(shù)據(jù)來計(jì)算；而CV為空間變異系數(shù)時(shí)，σ和μ分別根據(jù)區(qū)域空間分布的數(shù)據(jù)來計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溶膠質(zhì)量濃度的時(shí)序特征

為研究廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的時(shí)序變化特征，對(duì)該區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行月合成、插值和區(qū)域統(tǒng)計(jì)。圖1為2002—2017年廈漳泉地區(qū)區(qū)域氣溶膠質(zhì)量濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的變化。標(biāo)準(zhǔn)差是利用區(qū)域內(nèi)每個(gè)像元的數(shù)值來計(jì)算，它能說明氣溶膠質(zhì)量濃度空間分布的差異。從圖1可以得出，2002—2017年氣溶膠質(zhì)量濃度呈逐漸減少的趨勢(shì)。具體的變化趨勢(shì)可以分為三個(gè)階段:1)2002—2007年間呈現(xiàn)平緩的增長。2002年氣溶膠質(zhì)量濃度為22.1μg/cm2，到2007年末為28.1μg/cm2，增長了6.0μg/cm2，大約增長了27.10%。2)2008—2011年，沒有明顯的變化，較為穩(wěn)定。2008年初氣溶膠質(zhì)量濃度為25.7μg/cm2，2011年末為25.5μg/cm2。3)2012年后，氣溶膠質(zhì)量濃度開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。2012年初氣溶膠質(zhì)量濃度為28.8μg/cm2，到2017年末為17.0μg/cm2，減少了11.8μg/cm2，大約少了41.00%。從2002年到2017年16年的時(shí)間里，氣溶膠質(zhì)量濃度減少了5.1μg/cm2，大約減少了23.10%。由于這16年城市化和工業(yè)化進(jìn)程減緩，生態(tài)環(huán)境逐步恢復(fù)，森林覆蓋面積漸漸提高，使得排放進(jìn)入大氣的人為氣溶膠逐漸減少。由圖1還可以看出，廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度平均值波動(dòng)較大，最大值出現(xiàn)在2012年4月，大約為50.2μg/cm2；最小值出現(xiàn)在2016年12月，大約為9.9μg/cm2。

從圖2可看出3市變化特征大體相似，但是廈門市平均氣溶膠質(zhì)量濃度高于漳州市、泉州市。廈門市多年平均氣溶膠質(zhì)量濃度為(40.1±3.8)μg/cm2，漳州市為(22.5±2.6)μg/cm2，泉州市為(24.7±2.7)μg/cm2。廈門市的氣溶膠污染較大，主要在于市域面積較小，郊區(qū)森林覆蓋較高的區(qū)域也小，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平又較高；而漳州市和泉州市的市域較大，有大量的偏遠(yuǎn)山區(qū)，森林覆蓋率高，空氣質(zhì)量好，因而氣溶膠質(zhì)量相對(duì)較低。由圖2還可看出，漳州市和泉州市2002—2017年氣溶膠質(zhì)量濃度在時(shí)間變化上與整個(gè)區(qū)域的變化特征相似，可以分為三個(gè)階段；并可分析得出漳州市和泉州市的變化特征相似性較高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92。同時(shí)圖2也顯示，廈門市2002—2017年的氣溶膠質(zhì)量濃度的時(shí)序變化，可分為二個(gè)階段：2002—2012年氣溶膠質(zhì)量濃度呈現(xiàn)增長的趨勢(shì)，2012年出現(xiàn)最大值，年平均值為45.0μg/cm2；2013—2017年出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，2017年平均值為37.6μg/cm2，與2012年相比約下降了16.34%。

2.2 氣溶膠質(zhì)量濃度的月變化特征

圖3～圖5反映出廈漳泉地區(qū)氣溶膠呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。在時(shí)間分布上，區(qū)域氣溶膠質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在4月，為(37.1±7.2)μg/cm2。在空間分布上，整個(gè)區(qū)域的氣溶膠質(zhì)量濃度4月普遍大于其他月份，空間異質(zhì)性最小，空間變異系數(shù)為0.39。究其原因在于：春季天氣回暖，大氣的相對(duì)濕度增大，細(xì)粒子模態(tài)的氣溶膠吸濕效應(yīng)增強(qiáng)，而且東季風(fēng)減弱，不利于污染物擴(kuò)散[11]，氣溶膠停留在大氣中的時(shí)間較長，從而導(dǎo)致氣溶膠質(zhì)量濃度達(dá)到最大值。

從5月到10月，整個(gè)區(qū)域的空間分布特征相近，其原因可能是：1)由于夏季的降水清除了一部分氣溶膠粒子，降低了氣溶膠質(zhì)量濃度。2)在植被覆蓋較多、人為影響較小的地區(qū)受到生物氣溶膠的影響較大。3)夏季空氣中相對(duì)濕度大，氣溶膠粒子吸濕增長現(xiàn)象更為明顯。4)夏季的太陽輻射更加強(qiáng)烈，光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)本應(yīng)使氣溶膠保持較高的濃度；但是，夏季主要為雨季，大量的降水可以清除大氣中的氣溶膠粒子，使得從5月開始?xì)馊苣z質(zhì)量濃度有較大的下降。

氣溶膠質(zhì)量濃度最小值常出現(xiàn)在11或12月。秋末冬初，整個(gè)區(qū)域的氣溶膠質(zhì)量濃度出現(xiàn)最低值，區(qū)域平均為(18.4±5.2)μg/cm2。主要原因?yàn)椋菏芾涓邏合到y(tǒng)影響，北方來的干冷氣團(tuán)空氣相對(duì)比較潔凈，空氣相對(duì)濕度小，氣溶膠的吸濕增長效應(yīng)不明顯；另外，本地排放較小，使得氣溶膠質(zhì)量濃度較小。

冬季1月，整個(gè)區(qū)域的氣溶膠質(zhì)量濃度開始增大，平均為(21.8±11.1)μg/cm2，空間變異系數(shù)為0.51，相較夏季和秋季而言，空間異質(zhì)性較高。在12月份變異系數(shù)達(dá)到最大值0.28后，空間異質(zhì)性也進(jìn)一步增大，空間變異系數(shù)大約為0.65，說明氣溶膠質(zhì)量濃度的空間差異最大。從圖4的變異系數(shù)可以得出，9月變異系數(shù)最小(0.15)，說明這個(gè)月份的氣溶膠質(zhì)量濃度的波動(dòng)最小；9月后，波動(dòng)的情況增大；在12月達(dá)到最大值，之后逐漸下降，下降持續(xù)到第二年的8月。廈漳泉地區(qū)3個(gè)城市氣溶膠特性的季節(jié)變化一致，但是從數(shù)值上，廈門市12個(gè)月的氣溶膠質(zhì)量濃度明顯高于漳州市和泉州市。3個(gè)城市的氣溶膠質(zhì)量濃度在時(shí)間上波動(dòng)的情況有較大的差異，其波動(dòng)最小值,漳州市出現(xiàn)在9月，其他兩個(gè)市是在8月；波動(dòng)最大值3市都出現(xiàn)在12月，特別是漳州市波動(dòng)的幅度最大。

2.3 氣溶膠質(zhì)量濃度的空間分布特征

從圖5可以注意到2002—2017年區(qū)域氣溶膠質(zhì)量濃度的值為10～85μg/cm2，平均約為(26.3±13.2)μg/cm2，變異系數(shù)約為0.5。

氣溶膠質(zhì)量濃度的高值區(qū)主要出現(xiàn)在廈門市、漳州市和泉州市沿海的城區(qū)，泉州市沿海城區(qū)質(zhì)量濃度最高，三個(gè)市沿海城區(qū)的高值分別為85，75，65μg/cm2。沿海高值區(qū)，從泉州市城區(qū)向南蔓延至漳州市城區(qū)。由于城市化和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)、人類活動(dòng)頻繁的地區(qū)，氣溶膠的人為排放較高，即氣溶膠質(zhì)量濃度在一定程度上反映出當(dāng)?shù)氐墓I(yè)廢氣排放量。此外，氣溶膠與氣象條件、地表特征和地形等因素密切相關(guān)。在廈漳泉地區(qū)的西北部，人為活動(dòng)較少，且有大片森林覆蓋，而林地植被葉片表面具有一定的濕潤度和粗糙度，對(duì)大氣氣溶膠具有顯著的阻滯作用，同時(shí)可以吸附大氣中的氣溶膠粒子，起到清除粒子的作用，因此，這些地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度較小。在廈漳泉沿海的城區(qū)，人為活動(dòng)比較為強(qiáng)烈，汽車尾氣和工業(yè)廢氣排放大，同時(shí)，城市地表特征也影響氣溶膠的擴(kuò)散，導(dǎo)致氣溶膠光學(xué)厚度較高，氣溶膠質(zhì)量濃度較高，可達(dá)85μg/cm2。

廈漳泉市區(qū)和郊縣城區(qū)的內(nèi)部空間分布較為一致，反映出了城市/工業(yè)型氣溶膠和自然型氣溶膠空間分布特征的差異。高值區(qū)時(shí)間變異系數(shù)較小，這些區(qū)域主要是本地源排放，因而年際間波動(dòng)較??；而低值區(qū)由于受到周邊其他區(qū)域的影響，年際間波動(dòng)較大。

3 結(jié)論

本研究利用Terra-MODIS和Aqua-MODIS兩個(gè)傳感器反演的氣溶膠產(chǎn)品，合成月、季、年不同時(shí)間尺度的氣溶膠信息，利用時(shí)空分析方法研究了廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的時(shí)空變化特征，以及廈漳泉3個(gè)城市的差異。具體的結(jié)論如下：

1)2002—2017年廈漳泉地區(qū)區(qū)域氣溶膠質(zhì)量濃度呈逐漸減少的趨勢(shì)，具體的變化趨勢(shì)可以分為三個(gè)階段：在2002—2007年間呈現(xiàn)平緩的增長，這個(gè)階段增長了6.0μg/cm2，約增長了27.10%；2008—2011年，沒有明顯的變化；2012年后，氣溶膠質(zhì)量濃度開始出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，這個(gè)階段減少了11.8μg/cm2，約少了41.00%。從2002年到2017年的16年里，氣溶膠質(zhì)量濃度減少了5.1μg/cm2，約少了23.10%，說明該地區(qū)的空氣質(zhì)量有較明顯的改善。

2)2002—2017年漳州市和泉州市氣溶膠質(zhì)量濃度時(shí)間序列的變化特征與廈漳泉整個(gè)區(qū)域的相似。但廈門市氣溶膠質(zhì)量濃度的時(shí)序變化有點(diǎn)不同，它分為2個(gè)階段：2002—2012年氣溶膠質(zhì)量濃度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，增長持續(xù)到2012年末出現(xiàn)最大值；2012年后逐漸下降，這一趨勢(shì)持續(xù)到2017年末。廈漳泉地區(qū)3個(gè)城市12個(gè)月氣溶膠質(zhì)量濃度的變化特征一致。從數(shù)值上看，廈門市各月的氣溶膠質(zhì)量濃度明顯高于漳州市和泉州市。

3)廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化。最大值出現(xiàn)在4月，區(qū)域平均值為(37.1±7.2)μg/cm2，空間異質(zhì)性最小；進(jìn)入5月，氣溶膠質(zhì)量濃度出現(xiàn)較大的下降；從5月到10月，整個(gè)區(qū)域的氣溶膠空間分布特征相近，9月份的氣溶膠質(zhì)量濃度的波動(dòng)最小；到12月份，氣溶膠質(zhì)量濃度出現(xiàn)最低值，(18.4±5.2)μg/cm2，同時(shí)空間異質(zhì)性達(dá)到最大(空間變異系數(shù)約為0.65)。

4)廈漳泉地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的分布空間異質(zhì)性明顯，變化范圍為10～85μg/cm2。2002—2017年多年區(qū)域平均氣溶膠質(zhì)量濃度大約為(26.3±13.2)μg/cm2。氣溶膠質(zhì)量濃度的高值區(qū)主要出現(xiàn)在泉州市、廈門市和漳州市沿海的城區(qū)，三個(gè)城區(qū)的高值分別為85，75，65μg/cm2，泉州市城區(qū)最高。高值區(qū)時(shí)間變異系數(shù)較小，年際間波動(dòng)較小，可以反映出這些區(qū)域的氣溶膠質(zhì)量濃度主要受本地源排放的影響。而低值區(qū)明顯受到周邊其他區(qū)域的影響，年際間波動(dòng)較大。

致謝：本研究MODIS數(shù)據(jù)來自美國戈達(dá)地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心(Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center)，作者在此表示感謝。