新疆地區(qū)氣溶膠變化對降水和植被的影響分析?

馬 雯，丁建麗?，白 婷

(1. 新疆大學地理與遙感科學學院智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點實驗室，新疆烏魯木齊 830017；2. 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830017)

0 引言

大氣氣溶膠是由懸浮在大氣中的微小顆粒（液體和固體）組成的多相體系，其粒徑在0.001～100 μm之間[1]．雖然氣溶膠在大氣中只占一小部分，但它在氣候變化中扮演著重要的角色[2]．氣溶膠通過散射和吸收太陽輻射直接改變地球大氣系統(tǒng)的能量平衡[3?4]，還能通過改變云的微物理特性、壽命及降水過程來間接影響氣候[5?6]．因此，在全球和區(qū)域范圍內(nèi)已經(jīng)開展了一系列研究來估算氣溶膠光學特性，例如氣溶膠光學厚度（AOD）、Angstr¨om波長指數(shù)（AE）和單次散射反照率（SSA）[7?9]．主要是通過地基和星載儀器對氣溶膠進行長期的觀測和量化，詳細了解氣溶膠的時空變化，但氣溶膠仍然是輻射傳輸和氣候變化評估中最大的不確定因素之一[10]．

近些年來，國內(nèi)外學者針對氣溶膠與降水相互作用做了很多研究，認為氣溶膠的增加既能促進降水，也能抑制降水[11]．Kuhlmann等[12]的研究指出，亞洲地區(qū)人類活動排放的氣溶膠減少了該區(qū)域的降水量．張喆等[13]的研究也提到2002―2012年間新疆地區(qū)AOD的增加抑制了降水的產(chǎn)生．然而高星星等[14]則指出，氣溶膠的增加雖然抑制了塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的夏季降水，卻促進了中國其它區(qū)域的夏季降水，且主要影響大雨發(fā)生概率．另外在沙塵暴天氣條件下，降水不但會提前出現(xiàn)，還使累計降水增加47%[15]．由于氣溶膠對氣候的多重影響，氣溶膠的增加或減少也可能對區(qū)域植被生長產(chǎn)生影響．一方面氣溶膠沉降對植物的影響，往往由于大氣沉降對植物的生態(tài)效應很復雜且難以識別；另一方面氣溶膠通過改變輻射平衡影響植物的生長，有促進也有抑制[16]．但目前只有少數(shù)研究探討了氣溶膠對植被生長方面的影響，很少研究氣溶膠與氣象參數(shù)和植被生長的相互作用．

新疆作為絲綢之路經(jīng)濟帶核心區(qū)，是典型的干旱半干旱區(qū)域．區(qū)域內(nèi)有古爾班通古特沙漠和塔克拉瑪干沙漠，使其成為沙塵氣溶膠的主要來源之一[17?18]．隨著新疆首府快速的城市化和工業(yè)化，空氣質(zhì)量嚴重惡化，這可能是由氣溶膠引起的．然而針對新疆氣溶膠的研究，多集中于分析AOD的時空特征[19?20]及其與地面顆粒物質(zhì)量濃度的關(guān)系[21?23]，對于新疆地區(qū)氣溶膠變化對植被和降水的影響研究仍然缺乏．因此，本文利用2003―2019年MODIS 3 km氣溶膠反演數(shù)據(jù)在深度分析新疆地區(qū)氣溶膠光學特性時間變化的基礎(chǔ)上，進一步對氣溶膠進行了分類．然后，從時間尺度上探討了AOD與不同時期歸一化植被指數(shù)（NDV I）和降水量（P）的關(guān)系，以期為我國西北大范圍干旱半干旱氣候背景下的氣候變化模擬、實施污染控制和相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提供科學依據(jù)．

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處中國西北部，屬于溫帶大陸性氣候，氣候干燥，全年降水量大多小于150 mm，區(qū)域內(nèi)沙漠、戈壁分布較廣．以天山山脈為界將新疆分為北疆和南疆，處于東天山的東疆一般由哈密市和吐魯番市組成．在南疆有塔克拉瑪干沙漠[24]，是中國最大的沙塵源區(qū)．產(chǎn)生的沙塵氣溶膠對區(qū)域氣候變化和人類生產(chǎn)生活有著重要影響．在北疆和東疆多為山谷和盆地，植被覆蓋率相對較高，城市區(qū)域相對集中，人類活動密度大，氣溶膠分布復雜．考慮到新疆復雜的氣候背景條件和“三山兩盆”的獨特地形特征，本文將新疆分為三個區(qū)域進行分析：北疆（North）；南疆（South）；東疆（East）．

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 氣溶膠光學厚度

表 1 本文所使用的太陽光度計站點信息

使用2003年1月至2019年12月期間空間分辨率為3 km（MYD043K）的MODIS/Aqua每日氣溶膠產(chǎn)品．為了驗證MODIS AOD產(chǎn)品在新疆地區(qū)的質(zhì)量，選擇了3個地基遙感觀測的AOD數(shù)據(jù)．地面觀測點的位置如表1所示，精河站點位于精河氣象局，使用Cimel CE318光度計（CE318-T）進行定點連續(xù)觀測；新疆大學站點位于烏魯木齊市，使用Microtops II太陽光度計進行定點連續(xù)觀測；喀什站點位于喀什市中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所園區(qū)內(nèi)，使用全自動太陽天空輻射計（CE318-DP）進行定點連續(xù)觀測．該數(shù)據(jù)已被納入中國建設的地面遙感觀測網(wǎng)絡（Sun-sky Radiometer Observation Network, SONET），SONET提供的大氣氣溶膠特性參數(shù)，可用于衛(wèi)星遙感產(chǎn)品驗證[25?26]，該數(shù)據(jù)可從SONET網(wǎng)站（http://www.sonet.ac.cn/）獲取．這項驗證工作可以彌補AERONET在中國西北地區(qū)站點分布較少的不足．

1.2.2 其它輔助數(shù)據(jù)

為了探討新疆地區(qū)大氣氣溶膠變化對植被和降水的影響，收集了與氣溶膠同一時間段內(nèi)的3種輔助數(shù)據(jù)．第一，利用MODIS C6歸一化植被指數(shù)（NDV I）3級月度數(shù)據(jù)，用于分析新疆上空AOD對植被生長的影響．第二，從熱帶降水測量計劃（TRMM3B43）中獲取月度降水數(shù)據(jù)集，用于描述降水和AOD之間的關(guān)系．第三，新疆每年的GDP數(shù)據(jù)從《新疆統(tǒng)計年鑒》獲取．

1.3 研究方法

由于地基觀測儀器不能直接獲取550 nm波長的AOD數(shù)據(jù)，為了與MODIS產(chǎn)品進行比較，使用AE算法得到550 nm波長的AOD值[27?28]．為了進行時空匹配，以每個地面站點為中心的25 km×25 km窗口內(nèi)的MYD043K AOD求取均值，與MODIS/Aqua過境時間±0.5 h內(nèi)的地基AOD數(shù)據(jù)的平均值進行比較．采用以下統(tǒng)計參數(shù)進行評估，包括相關(guān)系數(shù)（R）、平均絕對誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE）、相對平均偏差（RMB），產(chǎn)品期望誤差（EE）為± (0.05+0.2×AOD地基)．

2 結(jié)果與分析

2.1 MODIS AOD與地基AOD對比分析

如圖1所示，通過時空、波段匹配得到符合要求的數(shù)據(jù)共有1 285組．其中：落在期望誤差范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)占比為31.52%，有60.39%的數(shù)據(jù)低于期望誤差，表明該產(chǎn)品在新疆地區(qū)存在一定的低估，這主要與地面觀測點對地表反射率的高估有關(guān)[29]．但MYD043K AOD與地基觀測AOD數(shù)據(jù)整體趨勢較為一致，二者的相關(guān)系數(shù)為0.84，均方根誤差為0.37．這與孫曉雷等[30]對該產(chǎn)品在阿克蘇地區(qū)的驗證結(jié)果相似（R=0.883 6），進一步說明MYD043K的AOD數(shù)據(jù)可以用于新疆地區(qū)氣溶膠的研究．

圖 1 新疆地區(qū)MODIS AOD與地基AOD的驗證結(jié)果

2.2 氣溶膠光學特性的時間變化

2.2.1 氣溶膠光學特性和經(jīng)濟指標的年際變化

圖2為新疆地區(qū)AOD、AE和經(jīng)濟發(fā)展指標（GDP）的年際變化．2003―2019年AOD的均值為0.26，范圍在0.19～0.29之間，且以0.008/10 a的速率呈微弱遞減趨勢．AOD峰值出現(xiàn)在2006年和2014年，主要是由于頻繁的沙塵天氣．而在2006―2009年和2014―2017年期間，AOD呈現(xiàn)下降趨勢，這可能與同期GDP有一定的關(guān)系，以及與2013年以來新疆大部分地區(qū)實施的重點大氣污染防治項目有關(guān)．AE的年均值在0.91～1.03之間，平均值為0.98，整體上以0.027/10 a的速率呈下降趨勢．特別是2012年以后AE的下降趨勢，說明提倡的綠色生態(tài)對該區(qū)域人為氣溶膠的減少有很大作用．

圖 2 2003―2019年新疆地區(qū)AOD、AE和GDP的年際變化

進一步采用Morlet小波分析對2003―2019年新疆地區(qū)AOD的周期性進行探討．利用Matlab軟件繪制小波系數(shù)的實部圖和小波方差圖（圖3）．其中：實部圖中的小波系數(shù)與AOD值之間是正相關(guān)關(guān)系，也就是說小波系數(shù)越小，對應的AOD值越小，反之越大；從小波系數(shù)實部圖中可以看出，AOD有5～8 a和9～12 a兩個振蕩期，其高值中心分別是3 a、6 a和10 a．再結(jié)合小波方差可以得到AOD隨時間變化的周期特征，即峰值最高的數(shù)值是主周期．因此，由圖3（b）可知，在時間尺度為10 a時，周期振蕩最強，為第一主周期．

圖 3 AOD的小波系數(shù)實部圖和小波方差圖

根據(jù)小波分析得出的10 a主周期，分別分析了2012年以前和2012年以后兩個時期（2003―2012年和2013―2019年）新疆地區(qū)不同分區(qū)內(nèi)AOD和AE的變化規(guī)律．由圖4可知，在第一階段（2003―2012年），三個分區(qū)的AOD均呈上升趨勢（分別為0.004 1/a、0.002 7/a和0.003 3/a），而AE在南疆和東疆呈下降趨勢，在北疆呈上升趨勢．在第二階段（2013―2019年），東疆和南疆的AOD呈現(xiàn)下降趨勢，而AE則呈現(xiàn)上升趨勢．與之相反，北疆的AOD以0.002 1/a的速率增長，而AE以0.000 5/a的速率下降．整體而言，2012年以前AOD以0.003 7/a 的速率呈增長趨勢，AE則以0.004 9/a的速率呈下降趨勢；而2012年以后AOD則以0.002 9/a的速率呈下降趨勢，AE則以0.001 4/a的速率呈上升趨勢．

圖 4 AOD和AE在2012年前和2012年后的變化趨勢

2.2.2 氣溶膠光學特性的季節(jié)和月度變化

由圖5可知，新疆不同區(qū)域的AOD和AE表現(xiàn)出明顯的月變化，其中南疆、北疆和東疆具有相似的月變化特征．整體而言，新疆地區(qū)的AOD峰值（0.41±0.09）出現(xiàn)在4月，AE的峰值（1.28±0.12）出現(xiàn)在12月．而AOD的最小值（0.13±0.03）出現(xiàn)在12月，AE的最小值（0.71±0.06）出現(xiàn)在3月．AOD和AE在月際變化特征中存在一定的負相關(guān)關(guān)系. 這樣的變化特征主要歸因于不同氣溶膠類型及氣溶膠的來源．

從季節(jié)上看，最高的AOD值出現(xiàn)在春季（0.36±0.03），其次是夏季（0.22±0.03）、冬季（0.19±0.05）和秋季（0.14±0.02）．最大的AE值出現(xiàn)在冬季（1.15±0.03），其次是秋季（1.09±0.15）、夏季（0.88±0.05）和春季（0.76±0.06）．由于特殊的氣候條件，春季溫度迅速回升，頻繁的大風天氣增加了土壤粉塵，導致AOD值最大．此外，春季是中國西北地區(qū)揚塵運輸?shù)母叻迤冢死敻缮衬侵袊鞅备珊岛桶敫珊档貐^(qū)天然氣溶膠的主要來源[31]；因此，頻繁的沙塵天氣導致春季的AOD高于秋季和冬季．東疆和南疆的變化特征與全疆一致，而北疆AOD和AE最高值均出現(xiàn)在冬季，這可能是由于該區(qū)域冬季燃煤產(chǎn)生的細顆粒氣溶膠產(chǎn)生的影響．

圖 5 2003―2019年新疆地區(qū)AOD和AE月度和季節(jié)變化分布

2.3 氣溶膠類型的分類及其貢獻

圖 6 2003―2019年新疆地區(qū)主要氣溶膠類型的季節(jié)和年度分類及其貢獻率

氣溶膠根據(jù)顆粒物的大小和吸收特性的差異分為不同的類型. 目前，已有許多學者根據(jù)AOD和AE之間關(guān)系對不同地區(qū)的氣溶膠進行分類[32?36]．為探討中國新疆區(qū)域污染物的主要來源和成分，我們基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)源和地理位置，主要參考了中國長三角地區(qū)[37?38]、中亞五國[33]及伊朗[34]的分類閾值，實現(xiàn)對氣溶膠的初步分類．基于上述研究，本文對AOD和AE的選擇閾值如下：（1）AOD<0.2時為大陸清潔氣溶膠（CC），表示新疆地區(qū)氣溶膠的背景條件；（2）AOD>0.3和AE>1.0時為生物質(zhì)燃燒/城市-工業(yè)型的氣溶膠（BUI）；（3）AOD>0.5和AE<0.7時為沙塵氣溶膠（DD）；（4）不屬于上述任何一組的情況，被定義為混合型氣溶膠（MX）．這樣的氣溶膠分類閾值設置在Bibi等[39]的研究中已經(jīng)進行了精度驗證，證明了該閾值設置能夠有效地區(qū)分氣溶膠的類型．

圖6（a～e）為新疆地區(qū)不同氣溶膠類型的年度和季節(jié)分布，圖6（f）中的柱狀圖為不同氣溶膠類型的貢獻百分比．所有類型的氣溶膠在4個季節(jié)都有不同程度的貢獻．春季，DD氣溶膠類型最為豐富（24%），明顯高于其它季節(jié)，這主要是由于春季為全年中沙塵天氣的頻發(fā)期，大粒徑的沙塵粒子占比相對較大．夏季，BUI氣溶膠類型的比例相對較高，這可能與夏季的氣候條件有關(guān)，其中氣溶膠的二次轉(zhuǎn)化具有一定作用．秋季，CC氣溶膠類型的占比在四季中最大，達到59%，說明該季節(jié)的空氣最為清潔．冬季，CC氣溶膠類型的占比相對較大，這與趙仕偉等[40]對西北地區(qū)的研究有一定的差異，可能是由于該區(qū)域冬季有很多的空值，數(shù)據(jù)處理時用最小值進行填充導致的．總的來說，在整個研究期，CC氣溶膠類型的貢獻率最大（47%），說明新疆地區(qū)全年氣溶膠以小粒徑的顆粒物為主；其次為MX氣溶膠類型，貢獻率達到33%．

2.4 氣溶膠變化對降水和植被的影響分析

2.4.1 AOD對降水的影響

為探討氣溶膠對降水的影響，比較了新疆地區(qū)每月的AOD和降水．由于TRMM降水數(shù)據(jù)在新疆有一定的偏差，必須在數(shù)據(jù)使用前進行校正[41]．參考已有的研究，采用加法修正模型對TRMM的原始降水數(shù)據(jù)進行了校正[42]．因此，使用校正后的TRMM數(shù)據(jù)進行以下分析．新疆降水的分布特點是“北多南少”，降水主要集中在阿爾泰山、天山和昆侖山等山區(qū)．

由圖7（a）可知，AOD與降水之間有一定的滯后性．為了解新疆降水和AOD之間的完整關(guān)系，必須考慮每月的時滯效應．我們計算了AOD與當月、前1個月、前2個月和前3個月降水之間的相關(guān)性．由于新疆的降水與NDV I之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（R=0.719，P <0.01），因此采用偏相關(guān)分析方法來分析AOD和降水、NDV I之間的相關(guān)性．結(jié)果表明：AOD與降水的關(guān)系較為復雜（表2）．整個新疆地區(qū)AOD與降水的偏相關(guān)系數(shù)的最大值出現(xiàn)在當前月，說明AOD對降水沒有時滯影響．分區(qū)來看，南疆的AOD和降水也表現(xiàn)出同樣的特點．東疆的AOD與降水的偏相關(guān)系數(shù)顯示AOD對降水有1個月的滯后，而北疆則有2個月的滯后．

圖 7 2003―2019年NDV I、降水和AOD的月均值分布

表 2 新疆地區(qū)各月AOD和NDV I與降水的偏相關(guān)關(guān)系

2.4.2 AOD對NDV I的影響

新疆西部和西北部地區(qū)，如天山南北坡、阿爾泰山和塔里木盆地周圍的綠洲，植被覆蓋度較高，具有高的NDV I值．而在塔克拉瑪干沙漠、庫姆塔格沙漠和羅布泊周圍，植被稀少，是NDV I的低值區(qū)．2003―2019年，新疆地區(qū)月平均NDV I與AOD的相關(guān)系數(shù)為0.26（P <0.01）．該結(jié)果與He等[43]的研究一致，在全國范圍內(nèi)，AOD和NDV I之間沒有明顯的關(guān)系．然而，在陜西[44]和長江流域[45]，發(fā)現(xiàn)AOD與NDV I之間有明顯的負相關(guān)關(guān)系．這意味著植被有能力防止顆粒物從土壤中被吹入空氣．但由于新疆大部分地區(qū)被稀疏的植被覆蓋，這可能大大降低了植被的吸收能力，導致AOD和NDV I之間的關(guān)系很弱．

由圖7（b）可知，AOD和NDV I之間存在一定的滯后．用與降水量相同的方法分析AOD與NDV I的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)AOD與NDV I呈負相關(guān)關(guān)系．整個新疆地區(qū)AOD與NDV I的最大偏相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)在前3個月，說明新疆地區(qū)AOD對NDV I的響應存在3個月的滯后期．分區(qū)來看，南疆和東疆也存在同樣的滯后期．然而，北疆的AOD與NDV I的最大偏相關(guān)系數(shù)是在前1個月，表明北疆的AOD與NDV I之間存在1個月的滯后．

3 結(jié)論

利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)，進行了AOD和AE的時間特征分析，并確定了氣溶膠污染的主要類型，探討了2003―2019年新疆地區(qū)氣溶膠對降水和植被的影響，得出以下結(jié)論：

（1）MYD043K AOD與地基AOD的相關(guān)系數(shù)為0.84，表明該產(chǎn)品適用于新疆地區(qū)．研究期間，AOD和AE呈不同程度的下降趨勢．從季節(jié)尺度看，AOD在春季最高、秋季最低，而AE與之相反，說明AOD和AE存在一定的負相關(guān)關(guān)系．

（2）根據(jù)AOD和AE二者的關(guān)系，嘗試進行氣溶膠類型的劃分．沙塵氣溶膠類型在春季的貢獻最大，這主要與頻發(fā)的沙塵天氣有關(guān)；總體來看，大陸清潔型氣溶膠在全年貢獻最大，混合型氣溶膠次之．

（3）從月尺度分析，AOD與降水和NDV I有一定的相關(guān)性．其中：AOD與NDV I呈負相關(guān)，而AOD與降水的關(guān)系比較復雜．通過AOD對NDV I和降水的時滯效應分析，發(fā)現(xiàn)AOD對NDV I的時滯為1～3個月，AOD對降水量的時滯為0～2個月．