廣東省AOD時空變化特征及氣象因素

何沐全，肖建軍，黃江，石艷軍，吳永琪

（1.廣州氣象衛(wèi)星地面站，廣東廣州 510640；2.河源市氣象局，廣東河源 517000）

懸浮于大氣中的氣溶膠會降低空氣質(zhì)量，破壞地氣能量收支平衡，改變大氣中的熱力學(xué)條件，從而影響天氣和氣候［1］。氣溶膠對全球氣候變化具有重要的影響，在不同程度上影響著大氣中各種氣象參量，尤其是降水和溫度［2］。為深入研究氣溶膠對天氣和氣候效應(yīng)的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作［3］。利用氣候模式基于控制變量法模擬大氣氣溶膠排放量減少試驗，發(fā)現(xiàn)全球和區(qū)域降雨增加［4］，災(zāi)害性發(fā)生指數(shù)上升［5］，區(qū)域平均氣溫和極端氣溫上升［6］。高星星等［7］利用MODIS和TRMM數(shù)據(jù)分析了氣溶膠與云、降水間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氣溶膠對中國夏季降水有促進(jìn)作用；Lin等［8］研究發(fā)現(xiàn)極端氣候變化響應(yīng)具有明顯的地域性，且氣溶膠作用大于溫室氣體；王歡等［9］發(fā)現(xiàn)氣溶膠通過影響輻射量和溫度改變溫度梯度，促使江淮流域降水增多。氣溶膠對區(qū)域氣溫有顯著影響，在氣溶膠與氣溫相關(guān)性高及氣溶膠變化趨勢明顯的地區(qū)尤為突出［10］。

氣溶膠不僅影響廣東降雨、氣溫的分布和強(qiáng)度，對強(qiáng)對流天氣與熱帶氣旋等也有重要的作用［11］。余小嘉等［12］通過一次廣東沿海的氣溶膠航拍資料分析發(fā)現(xiàn)，廣東夏季沿海城市的氣溶膠和云凝結(jié)核濃度隨高度先增大后急劇下降；Guo等［13］研究了珠三角地區(qū)氣溶膠對不同云、降雨尺度的影響，發(fā)現(xiàn)氣溶膠對降雨存在某種增強(qiáng)或抑制的作用；夏冬等［14］利用氣象要素和氣溶膠數(shù)據(jù)，分析珠三角海風(fēng)對氣溶膠的影響，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)海風(fēng)有利于氣溶膠質(zhì)量濃度的下降；Lee等［15］研究了氣溶膠對珠三角雷暴的影響，發(fā)現(xiàn)閃電、局地強(qiáng)對流降雨與氣溶膠負(fù)荷有關(guān)；陳均等［16］分析了不同氣象條件對氣溶膠污染過程的影響，發(fā)現(xiàn)靜穩(wěn)天氣下，大氣層結(jié)穩(wěn)定和夜間貼地逆溫不利于氣溶膠擴(kuò)散；劉漢衛(wèi)等［17］分析地面PM2.5質(zhì)量濃度與氣象要素間的關(guān)系，得出地面顆粒物質(zhì)量濃度與氣溫呈負(fù)相關(guān)、與相對濕度呈正相關(guān)的結(jié)論。氣溶膠與降雨、氣溫等氣象因素存在各種錯綜復(fù)雜的關(guān)系，本研究利用2010—2019年的MODISAOD 3 km逐日產(chǎn)品，結(jié)合地基站氣象觀測資料，分析了廣東省氣溶膠光學(xué)厚度（aerosol optical depth，AOD）的時空變化特征，并探討了降雨、氣溫與AOD的相關(guān)關(guān)系，對進(jìn)一步了解氣溶膠對廣東氣候系統(tǒng)的影響具有重要意義。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)

AOD數(shù)據(jù)來源于NASA官方發(fā)布的MODIS MOD04_L2 3 km AOD逐日產(chǎn)品，數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為 https：／／ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov／search／，時間范圍為2010—2019年，空間上覆蓋廣東省。氣象資料來源于廣東省氣象局，采用覆蓋廣東全省的86個國家基本氣象站觀測的逐日累計降雨量和平均氣溫，統(tǒng)計得到各站點的年平均、月平均累積降雨量和氣溫，并插值得到與MODISAOD空間匹配的格點數(shù)據(jù)。

1.2 方法

1）MODISAOD年變化趨勢。

利用ENVI+IDL對MODIS AOD產(chǎn)品進(jìn)行重投影，并結(jié)合文件屬性剔除無效值，批量合成計算得到年、月均值，最終裁剪得到廣東省AOD數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對2010—2019年各像元逐年的AOD值進(jìn)行一元線性回歸分析，并計算擬合斜率，即可得到廣東省的AOD年變化趨勢，計算公式如下：

其中，Slope為變化趨勢率；n為參與擬合的年時序長度（本研究中n＝10）；i為1-10的年序號；AODi表示第i年的AOD年均值。其中，Slope＞0說明AOD在2010—2019年的變化趨勢增加，反之減少。

2）AOD與降雨、氣溫的相關(guān)關(guān)系。

反映兩個變量間的線性相關(guān)程度，通常將相關(guān)系數(shù)Rxy作為統(tǒng)計指標(biāo)，計算公式為

其中，Rxy為x、y兩個變量間的相關(guān)系數(shù)；n為參與計算的年時序長度；i為年序號；xi、yi分別為第i年的AOD均值、氣象要素值（降雨量、氣溫均值）；ˉx表示所有年份的AOD均值；ˉy為所有年份的平均降雨量或平均氣溫。Rxy絕對值越大，表示兩個變量間的相關(guān)程度越高，反之越低。

2 結(jié)果與分析

2.1 廣東省AOD時空分布

從圖1可知，2010—2019年廣東省AOD值整體上呈明顯減小趨勢。從圖1可以看出，AOD高值區(qū)主要分布于珠三角地區(qū)，以佛山為高值中心向外延伸，粵西雷州灣和粵東潮汕地區(qū)為次高值區(qū)，粵北和粵東北AOD值低。從AOD年變化趨勢分布（圖1b）可知，佛山、中山、珠海和東莞等AOD年變化趨勢率Slope≤-0.11，表明10年間珠三角地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度顯著下降；粵西、粵北大部AOD變化趨勢為-0.07≤Slope≤-0.03，AOD減小明顯；粵東大部AOD年變化趨勢為-0.03≤Slope≤0.01，表現(xiàn)為AOD總體持平略呈下降趨勢；汕頭及珠三角局部區(qū)域Slope＞0.01，表現(xiàn)為AOD呈增加趨勢。

圖1 2010—2019年廣東省AOD的10年平均值（a）與變化趨勢（b）分布

統(tǒng)計廣東省2010—2019年AOD年均值及月均值（圖2）發(fā)現(xiàn)，廣東省AOD 10年平均值為0.5，10年間呈波動下降變化，峰值和谷值分別出現(xiàn)于2014年（AOD＝0.61）、2016年（AOD＝0.36），前5年顯著高于后5年；月變化特征呈現(xiàn)為3、4月份高，其它月份低，1—12月呈先上升后波動下降的趨勢，最高值和最低值分別出現(xiàn)于3月（AOD＝0.73）和12月（AOD＝0.35）。

圖2 2010—2019年廣東省AOD年平均值（a）與10年月平均值變化趨勢（b）

李占清等［1］系統(tǒng)地闡述了氣溶膠對我國天氣、氣候的影響以及與氣象因素相關(guān)的空氣污染問題，并側(cè)重闡述了氣溶膠與極端天氣事件之間包括影響程度和影響機(jī)理在內(nèi)的錯綜復(fù)雜的關(guān)系。綜述表明，氣溶膠由于其吸收、散射特性對地面太陽輻射產(chǎn)生影響。氣溶膠的增加對中國區(qū)域太陽輻射變化影響非常顯著，地面輻射減少可直接影響溫度變化趨勢。1960—1990年代氣溶膠含量快速上升，期間全國大部分地區(qū)溫度呈上升趨勢，但中國東部地區(qū)受氣溶膠輻射強(qiáng)迫影響，輻射冷卻作用抵消了溫室氣體引起的增溫效應(yīng)而導(dǎo)致地面降溫，從而顯著改變大氣穩(wěn)定度和大氣環(huán)流。氣溶膠通過改變近地面輻射能量收支的直接效應(yīng)以及作為云凝結(jié)核的間接效應(yīng)，對云和降水有重要影響。氣溶膠對降雨的抑制作用，更多與氣溶膠輻射效應(yīng)有關(guān)，但增強(qiáng)作用通常源于凝結(jié)和凍結(jié)引起的潛熱釋放。隨著AOD的增加，地面太陽輻射通量減少，導(dǎo)致熱通量和對流有效勢能減少，不利于對流云和降水的發(fā)展，但氣溶膠也可通過其激活效應(yīng)使得降水增強(qiáng)。氣溶膠對中國地區(qū)的中小尺度降雨存在明顯影響［13］，高氣溶膠含量導(dǎo)致的過小云滴可抑制降水形成，其不僅影響降水強(qiáng)度和空間分布，也在不同時間尺度上影響強(qiáng)降雨。

因此，為深入研究廣東省氣溶膠對降水和氣溫的影響，本研究對2010—2019年廣東省的降雨量和氣溫進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并統(tǒng)計該期間氣溶膠與降雨量、氣溫的相關(guān)性。

2.2 2010—2019年廣東省降雨量和氣溫的時空變化

據(jù)統(tǒng)計，2010—2019年廣東省10年平均降雨量為1 848 mm，平均氣溫為22.2℃。從降雨量分布（圖3a）可知，廣東省存在3處“雨窩”，分別位于陽江東至江門西地區(qū)、珠三角北部、惠州東至汕尾西地區(qū)，其中粵西雨窩年平均降雨量最大（R＞2 000 mm），其次是粵東雨窩；潮汕沿海地區(qū)、云浮-肇慶西部和粵東北地區(qū)是降雨量低值區(qū)。廣東省氣溫分布具有明顯的地域特征（圖3b），表現(xiàn)為自北向南氣溫逐漸升高，10年平均氣溫變化范圍為19.3℃≤t≤24.4℃，最低和最高氣溫分別由清遠(yuǎn)連山站、湛江徐聞?wù)緶y得。

圖3 2010—2019年廣東省10年平均降雨量（a）和平均氣溫（b）的空間分布

從圖4a可知，2010—2019年廣東省平均降雨量呈“V型”周期變化，平均周期約為4年，峰值整體呈上升變化，分別出現(xiàn)于2013年（R＝2 124.6 mm）、2016年（R＝2 321.0 mm）；谷值分別出現(xiàn)于2011、2014和2017年，其中2011年累計降雨量最?。≧＝1 390.4 mm）。年平均氣溫總體呈波動上升趨勢，波動范圍為21.5℃≤t≤22.8℃，峰值和谷值分別出現(xiàn)于2019、2011年。

圖4 2010—2019年廣東省年平均（a）、月平均（b）降雨量和氣溫變化趨勢

在月尺度上（圖4b），2010—2019年廣東省10年月平均降雨量變化范圍為45.2 mm≤R≤299.1 mm，表現(xiàn)為1—6月上升，至6月達(dá)到峰值后呈波動下降；月平均氣溫呈“單峰型”變化，氣溫變化范圍為13.4℃≤t≤28.6℃，表現(xiàn)為1—7月逐月上升至峰值后持續(xù)下降。

2.3 廣東省AOD與降雨、氣溫的相關(guān)關(guān)系

從圖5可知，AOD與降雨量、氣溫總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。珠三角地區(qū)、粵東、粵北等地的10年平均AOD值與平均降雨量以負(fù)相關(guān)系數(shù)分布居多，其中佛山、中山、東莞和汕尾等地區(qū)負(fù)相關(guān)程度較高，相關(guān)系數(shù)范圍為-1≤RAR≤-0.6；粵西與粵東潮汕地區(qū)AOD值與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，由于這些城市海岸帶狹長，并以海鹽性氣溶膠為主，對降雨具有促進(jìn)作用?；洷钡纳仃P(guān)、清遠(yuǎn)、肇慶和河源等地AOD與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)（-1≤RAt≤-0.6），珠三角、雷州灣和潮汕地區(qū)AOD與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5 2010—2019年廣東省10年平均AOD值與平均降雨量（a）、平均氣溫（b）的相關(guān)系數(shù)分布

3 結(jié)論

本研究利用2010—2019年的MODISAOD 3 km逐日產(chǎn)品，結(jié)合地基站氣象觀測資料，分析了廣東省AOD、降雨和氣溫的時空變化特征，并探討了AOD與降雨量、氣溫的相關(guān)關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1）2010—2019年廣東省的AOD 10年總平均值為0.5，年平均值介于0.36與0.61之間（0.36≤AOD≤0.61），月總平均值介于0.35與0.73之間（0.35≤AOD≤0.73）?？臻g上表現(xiàn)為佛山最高，以珠三角城市為高值中心向外圍城市遞減；時間上，AOD年均值呈顯著減小變化，峰值和谷值分別出現(xiàn)于2014年（AOD＝0.61）、2016年（AOD＝0.36），月變化為3、4月份高，其它月份低，最高值和最低值分別出現(xiàn)于3月（AOD＝0.73）和12月（AOD＝0.35）。

2）2010—2019年廣東省10年總平均降雨量為1 848mm，平均氣溫為22.2℃?？臻g上，廣東省存在3處“雨窩”，分別位于陽江東至江門西地區(qū)、珠三角北部、惠州東至汕尾西地區(qū)，氣溫分布具有明顯的地域特征，表現(xiàn)為自北向南氣溫逐漸升高。時間上，年累計降雨量呈“V型”周期變化，平均周期約為4年；年累計降雨量和平均氣溫總體呈上升趨勢；月變化表現(xiàn)為1—6月累計雨量增加，至6月達(dá)到峰值后呈波動下降，氣溫呈“單峰型”變化，于7月達(dá)到峰值后逐月下降。

3）AOD與降雨量、氣溫總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?；浳髋c粵東潮汕地區(qū)以海鹽性氣溶膠為主，降雨量與AOD呈正相關(guān)，對降雨具有促進(jìn)作用；粵北氣溫與AOD呈顯著負(fù)相關(guān)（-1≤RAt≤-0.6），珠三角、雷州灣和潮汕地區(qū)AOD與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系。

氣溶膠通過影響輻射強(qiáng)迫進(jìn)而影響氣溫，對降雨的影響更加復(fù)雜，涉及氣溶膠直接和間接作用，與氣溶膠云微物理過程關(guān)系密切；影響氣象要素的因子很多，除了氣溶膠以外，城市化進(jìn)程帶來的下墊面變遷、地形、城市熱島以及其他天氣氣候系統(tǒng)對局地的影響，都能帶來本地降雨和氣溫的改變。本研究系統(tǒng)地介紹了廣東地區(qū)的AOD時空分布特征，探索了AOD與降水、氣溫之間的關(guān)系，對氣溶膠如何影響廣東區(qū)域的天氣氣候仍需進(jìn)一步研究。