基于MODIS 的我國(guó)大氣氣溶膠統(tǒng)計(jì)特征分析

劉向春

（江西信息應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330043）

東南地區(qū)AOD 值最高，月平均峰值出現(xiàn)在6 月，F(xiàn)AF 值較高，達(dá)到0.495，污染程度最為嚴(yán)重；四川盆地和西北干旱地區(qū)的AOD 次之，峰值分別出現(xiàn)在4 月和5 月，四川盆地FAF 值最高達(dá)0.631，這兩個(gè)地區(qū)的污染程度也相對(duì)較高；青海、甘肅及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)和東北及內(nèi)蒙古東部地區(qū)的AOD 值最小，峰值出現(xiàn)在春季，后者的FAF 值也最小僅為0.363，該地區(qū)的環(huán)境狀況較為良好。

氣溶膠能作為水滴和冰晶的凝結(jié)核、太陽(yáng)輻射的吸收體和散射體，直接影響地球大氣的輻射平衡，并通過(guò)成云作用及非均相化學(xué)反應(yīng)參與大氣中的各種化學(xué)過(guò)程[1-2]。它能夠通過(guò)散射和吸收太陽(yáng)輻射來(lái)直接影響地球輻射平衡，對(duì)太陽(yáng)短波輻射的散射將提高地表反照率，使得地氣系統(tǒng)獲得的太陽(yáng)短波輻射減少引起地氣系統(tǒng)降溫；對(duì)太陽(yáng)短波輻射的吸收則會(huì)給大氣加熱，成為大氣熱源并導(dǎo)致大氣環(huán)流的變化[3]。

此外，氣溶膠還起到云凝結(jié)核的作用，大量的氣溶膠粒子使得云滴數(shù)量增加，平均半徑減小，云滴濃度增大，從而增大了云對(duì)太陽(yáng)輻射的短波反射率，減少降水概率[4]。

由此可見(jiàn)，氣溶膠對(duì)全球能量平衡，大氣環(huán)流及氣候變化有深刻的影響，研究氣溶膠特性對(duì)我們了解這些問(wèn)題有重大意義。

雖然氣溶膠的質(zhì)量?jī)H占整個(gè)大氣質(zhì)量的十億分之一，它所起的重要作用也引起了人們的廣泛關(guān)注。作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)的環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)峻。

研究我國(guó)尤其是沙漠干旱地區(qū)的氣溶膠光學(xué)特性分布特征，能夠讓我們更深入、更直觀地了解我國(guó)的氣溶膠問(wèn)題，并為解決這些問(wèn)題提供便利。

本文擬利用2004 年至2008 年的MODIS 二級(jí)氣溶膠反演資料（MOD04、MYD04）和三級(jí)月平均格點(diǎn)資料（MOD08）監(jiān)測(cè)我國(guó)不同地區(qū)的氣溶膠光學(xué)特征和濃度分布特點(diǎn)，對(duì)比不同地區(qū)間氣溶膠物理特性的異同，提取區(qū)域氣溶膠組成特點(diǎn)及其對(duì)環(huán)境效應(yīng)的影響。

1 資料來(lái)源及儀器原理

1.1 資料來(lái)源

本文使用了Terra 和Aqua 衛(wèi)星上的MODIS 二級(jí)氣溶膠反演資料（MOD04、MYD04）和三級(jí)月平均格點(diǎn)資料（MOD08）。

MODIS二級(jí)數(shù)據(jù)是在一級(jí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的、具有相同空間分辨率和覆蓋相同地理區(qū)域的數(shù)據(jù)，二級(jí)氣溶膠反演資料的空間分辨率為10km，覆蓋全球海洋和近乎全球陸地，本文分析了該資料內(nèi)的氣溶膠光學(xué)厚度，細(xì)粒子比例以及粒子濃度等氣溶膠參數(shù)。

MODIS 三級(jí)月平均格點(diǎn)資料是由二級(jí)資料插值平均到1°分辨率的網(wǎng)格點(diǎn)上生成的，在本文中分析了該資料內(nèi)的AOD（0.55μm）和FAF 等參數(shù)。

1.2 算法基本原理及背景介紹

本文采用MODIS 陸地氣溶膠V5.2 算法。在大氣層頂?shù)谋碛^反照率是一個(gè)地氣耦合系統(tǒng)內(nèi)輻射相互作用的連續(xù)函數(shù)，主要包括了來(lái)自地表和大氣以及兩者相互作用的貢獻(xiàn)，忽略周?chē)h(huán)境輻射對(duì)目標(biāo)物的影響，可以將大氣層頂接收到的反射率近似為：

其中，等式右邊第一項(xiàng)為大氣路徑反射率，第二項(xiàng)為地表反射輻射貢獻(xiàn)項(xiàng)，F(xiàn)λ(θ0)是下行透過(guò)率，Tλ(θ)是衛(wèi)星觀測(cè)方向上的上行透過(guò)率，ρsλ(θ0,θ,φ)是地表反射率，Sλ是大氣后向散射比（半球反照率）。等式（1）右邊各項(xiàng)除了地表反射率，其余各項(xiàng)都是氣溶膠類(lèi)型和氣溶膠光學(xué)厚度的函數(shù)。假設(shè)一小部分氣溶膠的類(lèi)型和氣溶膠光學(xué)厚度可以描述全球范圍的氣溶膠，那么我們可以推導(dǎo)出一個(gè)包含這些氣溶膠條件的預(yù)先計(jì)算的查找表。該算法的目標(biāo)是使用查找表來(lái)確定最能模仿MODIS 觀測(cè)到的光譜反射率ρmλ 的條件，并檢索相關(guān)的氣溶膠特性，包括氣溶膠光學(xué)厚度AOD 和權(quán)重（Fine aerosol Weighting，η，以下簡(jiǎn)稱(chēng)FW）。

2 分析結(jié)果

2.1 氣溶膠光學(xué)厚度的對(duì)比

本文主要利用了MODIS 二級(jí)氣溶膠數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)五個(gè)地區(qū)：東北及內(nèi)蒙古東部地區(qū)（40.0°-50.0°N，110.0°-130.0°E），東南地區(qū)（22.5°-35.0°N，110.0°-120.0°E），青海、甘肅及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)（35.0°-45.0°N，90.0°-110.0°E），四川盆地（20.0°-30.0°N，100.0°-110.0°E）和西北干旱地區(qū)（35.0°-45.0°N，75.0°-90.0°E）的AOD、MC、FAF 等參數(shù)進(jìn)行反演對(duì)比。

根據(jù)五個(gè)地區(qū)2008 年四季（3、4、5 月為春季，6、7、8 月為夏季，9、10、11 月為秋季，12 月至來(lái)年1、2 月為冬季）典型個(gè)例的光學(xué)厚度圖像，以及五個(gè)地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度統(tǒng)計(jì)特征圖像，可以得出：

在東北及內(nèi)蒙古東部地區(qū)，AOD 值多集中在0-1.0范圍內(nèi)，比例可達(dá)90%。該地區(qū)春季AOD 值最大，達(dá)到1.0 以上的氣溶膠比例最高，個(gè)別地區(qū)AOD 值高達(dá)3.0；至夏季AOD 值減小，基本低于1.5；而到秋季AOD 值均小于1.0；冬季達(dá)到最小?？傮w呈春夏兩季較高，秋冬兩季稍低的變化特征。

我國(guó)東南地區(qū)AOD 值普遍較高，AOD 值在0.5 以上的所占比例超過(guò)50%，該地區(qū)春季AOD 值最大，范圍最廣，最大可達(dá)3.5；到夏季，AOD 在0.5 以下所占比例減小，不足20%，出現(xiàn)最大值可達(dá)0.45；秋冬兩季，0.5 以下的比例又有增加，AOD 最大值不超過(guò)2.0?？傮w呈現(xiàn)春夏兩季最大，秋冬次之的變化特征。

青海、甘肅及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的AOD 值基本集中在0-1.0 范圍內(nèi)。AOD 值在0.5-1.0 范圍內(nèi)為春季最高，約占10%；夏季稍減小，略低于10%，而到秋季，AOD 值基本在0-0.5 范圍內(nèi)，直至冬季才又略有升高，總體變化趨勢(shì)不太明顯。

四川盆地地區(qū)的AOD值同樣集中在0-1.0范圍內(nèi)，同樣在春季較高，夏秋次之，到冬季達(dá)到最小。

在西北干旱地區(qū)，AOD 值也普遍較高。在春季，AOD 值在0.5 以上所占比例約有50%，最大值可達(dá)到3.5；到夏季，AOD 值在0.5 以上的比例急劇減小，小于20%，AOD 最大值也小于2.5；秋季，這個(gè)比例進(jìn)一步減小，AOD 最大值小于1.5；直至冬季，AOD 值又有增大，在0.5 以上的比例又增加，可達(dá)到40%?？傮w呈現(xiàn)春季最大，冬季次之，夏秋最低的變化特征。

綜上所述，這五個(gè)地區(qū)的AOD 值一般都在春季達(dá)到最大，東南地區(qū)和西北干旱地區(qū)的AOD 值明顯高于其他地區(qū)，其中，又以東南地區(qū)的AOD 值最大。

2.2 細(xì)粒子比例的對(duì)比

細(xì)粒子一般指半徑小于1μm 的氣溶膠粒子，它主要是由人類(lèi)活動(dòng)造成的，如工業(yè)污染、生物燃燒等。因此，細(xì)粒子所占比重的大小，可以從側(cè)面反映環(huán)境污染的程度。由于青海、甘肅及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)和西北干旱地區(qū)靠近沙漠，細(xì)粒子比例較低，我們主要研究另外三個(gè)區(qū)域的細(xì)粒子比例變化。結(jié)合這三個(gè)地區(qū)的細(xì)粒子比例分布圖像（圖略）和五個(gè)地區(qū)細(xì)粒子比例統(tǒng)計(jì)特征圖像，可以得出：

春季，東北及內(nèi)蒙古東部地區(qū)各范圍的FAF 所占比例相差不大，多集中在5%-15%范圍內(nèi)；到夏季，0.5以上的FAF 所占比例增加，0.5 以下的FAF 只占20%左右；至秋冬兩季，0.5 以上FAF 所占比例有所減小，到冬季達(dá)到最低。整體呈現(xiàn)夏季最高，春秋次之，冬季最低的變化趨勢(shì)。

東南地區(qū)，春季的FAF 在各范圍所占比例較平均，在10%左右，只0.7-0.8 范圍內(nèi)較高，達(dá)到20%；到夏季，該范圍內(nèi)的FAF 減少，0.5 以上的FAF 所占比例增加，達(dá)到60%；秋季，0.5 以下的FAF 又有增加，約占30%；冬季開(kāi)始減小，有最低值。整體呈夏秋最高，冬春次之的變化特征。

四川盆地，春季的FAF 在0.7-0.9 范圍內(nèi)占的比例最高，可達(dá)50%，其他范圍內(nèi)較均等，都在5%-10%以?xún)?nèi)；到夏季，0.8-0.9 范圍內(nèi)占的比例減小，其他范圍都各有增加；秋季，0.7 以上的FAF 比例再次增加，可達(dá)到80%；到冬天，又稍有減少?？傮w上，夏秋兩季稍高，冬春次之，變化幅度不大。

2.3 光學(xué)厚度及細(xì)粒子比例逐月變化

MODIS 三級(jí)數(shù)據(jù)是以統(tǒng)一的時(shí)間-空間柵格表達(dá)的變量，通常具有一定的完整性和一致性。在統(tǒng)計(jì)分析中，本文運(yùn)用2008 年的L3 月平均資料（MOD08_M3）對(duì)我國(guó)五個(gè)地區(qū)：東北及內(nèi)蒙古東部地區(qū)（40.0°-50.0°N，110.0°-130.0°E），東南地區(qū)（22.5°-35.0°N，110.0°-120.0°E），青海、甘肅及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)（35.0°-45.0°N，90.0°-110.0°E），四 川 盆 地（20.0°-30.0°N，100.0°-110.0°E）和西北干旱地區(qū)（35.0°-45.0°N，75.0°-90.0°E）各自區(qū)域內(nèi)的氣溶膠光學(xué)厚度和細(xì)粒子比例求平均值，作出各區(qū)域的平均氣溶膠光學(xué)厚度和平均細(xì)粒子比例的逐月變化圖，可以看出，這五個(gè)地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度存在明顯的季節(jié)變化。

其中，東北及內(nèi)蒙古東部地區(qū)的月平均氣溶膠光學(xué)厚度值在春季達(dá)到最大，從夏季開(kāi)始減小，冬季最小。計(jì)算該地區(qū)2008 年全年平均氣溶膠光學(xué)厚度值為0.221。

東南地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度在春季最高，夏秋次之，冬季最低，計(jì)算該地區(qū)2008 年全年平均氣溶膠光學(xué)厚度值為0.552。

青海、甘肅及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度最高值也在春季，最低值在冬季，但該地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度值變化不大，2008 年全年平均氣溶膠光學(xué)厚度值為0.291。

四川盆地的氣溶膠光學(xué)厚度最大值出現(xiàn)在春季，在秋季9 月也有一個(gè)較大的值，最低值仍在冬季出現(xiàn)，該地區(qū)2008 年全年平均氣溶膠光學(xué)厚度值為0.395。

西北干旱地區(qū)在春季有光學(xué)厚度最大值，秋季最低，該地區(qū)2008 年全年平均氣溶膠光學(xué)厚度值為0.388。

由此可見(jiàn)，東南地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度值最大，環(huán)境污染程度較為嚴(yán)重，其次為四川盆地，西北干旱地區(qū)和青海、甘肅及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，東北及內(nèi)蒙古東部地區(qū)的平均氣溶膠光學(xué)厚度值最小，大氣清潔程度最高。

由氣溶膠細(xì)粒子比例月變化可知，除青海、甘肅及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)和西北干旱地區(qū)，另三個(gè)區(qū)域的細(xì)粒子比例都在夏季達(dá)到最高，到秋季開(kāi)始下降，在冬季達(dá)到最低值，直到來(lái)年春季又開(kāi)始上升。計(jì)算三個(gè)區(qū)域的年平均細(xì)粒子比例，得出，東北及內(nèi)蒙古東部地區(qū)為0.363，東南地區(qū)為0.495，而四川盆地為0.631，細(xì)粒子比例越大，表明人為污染環(huán)境越嚴(yán)重，大氣環(huán)境問(wèn)題越嚴(yán)峻。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，細(xì)粒子產(chǎn)生的消光作用可以超過(guò)沙塵粒子，人為氣溶膠的影響值得重視。東南地區(qū)的AOD值最高，F(xiàn)AF 值也較高，污染程度最為嚴(yán)重；四川盆地和西北干旱地區(qū)的AOD 次之，四川盆地的FAF 值最高，這兩個(gè)地區(qū)的污染程度也相對(duì)較高；青海、甘肅及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)和東北及內(nèi)蒙古東部地區(qū)的AOD值最小，后者的FAF 值也最小，該地區(qū)的環(huán)境狀況較為良好。