基于MODIS 的中国陆地气溶胶光学厚度时空分布特征

单楠，杨晓晖，时忠杰，闫峰

(中国林业科学研究院荒漠化研究所，100091，北京)

大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系，大气气溶胶粒子的粒径多在0.001 ～10 μm 之间［1］。虽然气溶胶质量仅占整个大气质量的1/10 亿，但其对全球的能量平衡和水循环有重大影响［2－4］。大气气溶胶粒子可以通过散射、吸收太阳辐射和吸收、发射红外辐射直接影响地气系统辐射能收支，从而影响区域以至全球的气候及生态环境。气溶胶粒子还可影响云/降水过程，间接影响气候［5］。同时，气溶胶还是局地光化学烟雾和区域空气污染的主要成分，不仅造成大气能见度严重下降［6］，而且对人类健康造成不利影响［7］。气溶胶作为气候变化中最不确定的重要因子之一［8］，其时空分布变化特征引起了国内外科学家和学者的广泛关注［9－12］。作为气溶胶最基本的光学特性之一，气溶胶光学厚度(AOD)被定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分，是描述气溶胶对光的衰减作用的主要因子。它是目前可以得到的气溶胶数据中覆盖范围最广、较准确的一种数据［13］，也是推算气溶胶含量、评估大气污染程度、确定气溶胶气候效应的关键因子［14－15］。近年来，工业的发展与人类活动的加剧引起的气溶胶排放量的显著增加，导致了区域的环境问题和气候变化［16］。在2010年NASA 发布的全球空气污染形势图中，中国的华北、华东、华中全部成为污染重灾区。对中国陆地气溶胶光学厚度的时空变化特征的分析，将有助于研究大气气溶胶引起的辐射强迫和水循环改变对气候的影响，探讨大气气溶胶光学厚度与大气污染物及其气象因素的关系，提高预测未来气候变化的可信度，进而为提出合理的对策提供科学的依据。对我国乃至整个亚太地区的生态、环境和气候均产生重要影响［17］。目前我国气溶胶的研究已经取得了很多有价值的成果，但是多以区域性研究为主，主要集中在北京［18－21］、西北地区［22－24］、长江三角洲［25－26］等地，对整个中国陆地研究尚少。为了更加全面系统地了解我国陆地上空气溶胶的时空分布变化和规律，笔者利用MODIS 08_C5 气溶胶产品2000－02—2008－12近9 a 的资料，对全中国(除南海诸岛屿外，下同)陆地气溶胶光学厚度的时空分布情况和季节变化特征进行统计分析，以揭示陆地气溶胶光学厚度与沙尘之间的相关关系，为科学准确地了解我国大气气溶胶光学厚度的时空分布特征提供参考。

1 研究方法

1.1 资料来源与数据处理

美国国家航天局(NASA)为了实现对大气和地球环境变化的长期观测和研究，开始了地球观测系统计划(EOS)。其成功发射的Terra 和Aqua 卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪MODIS 传感器具有广阔的覆盖空间，为近一步研究陆地、海洋和大气特征提供了丰富的资料。利用全球自动观测网(AERONET)的太阳光度计测得的光学厚度对NASA 发布的MODIS AOD 产品进行验证，相关系数高达0.8［27－28］，说明MODIS 气溶胶产品达到了一定的精度。邓学良等［12］、段婧等［25］、李成才等［10］分别对MODIS 产品进行了相关验证，并利用其对中国部分地区进行了气溶胶光学厚度的研究。因此，可以认为，MODIS 气溶胶产品已达到了相应的质量要求，可以用于研究中国陆地气溶胶光学厚度的分布和变化特征。本文所用的资料取自NASA 的MODIS网站(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/)全球大气3 级标准数据产品，分辨率为1°×1°，时间序列为2000－02—2008－12。首先对所获得的MODIS 卫星遥感数据进行预处理，利用ENVI、ARCVIEW、ARCGIS 软件进行波段提取、投影、剪裁、数据转换和栅格计算等，获得中国陆地2000—2008 年550 nm 处的大气气溶胶月平均光学厚度(AOD)的栅格数据。

1.2 研究方法

对中国陆地气溶胶光学厚度进行时空分布规律的研究中采用的季节划分标准为:3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12 月至翌年2 月为冬季。

中国陆地气溶胶空间变化趋势分析是通过一元线性回归法，利用每个像元上9 a 的气溶胶光学厚度月均值求出斜率，利用逐像元的斜率分布进行光学厚度的空间变化分析。如果斜率小于0，则表明呈负变化趋势，气溶胶光学厚度减少，反之，则表现为增加趋势。

气溶胶光学厚度变化趋势公式为

式中:Sslope为气溶胶光学厚度变化趋势;AAODi为第i像元气溶胶光学厚度月均值。

气溶胶光学厚度变化趋势与年份之间的关系采用相关系数方法进行分析，即把光学厚度值和时间分别看作2 个变量，用得到的R 表示光学厚度与年份之间的相关程度，其公式为

式中: Rxy为变量x 和y 的相关系数;n 为样本数;xi为第i 像元时间变量;yi为第i 像元年气溶胶光学厚度月均值;为变量时间x(文中取1，2，3，…，9)的平均值，为变量年气溶胶光学厚度月均值yi的平均值。

从2 个方面对中国陆地气溶胶光学厚度时空变化趋势进行分析。一是利用空间平均方法分析气溶胶光学厚度全年及春季、夏季、秋季和冬季的变化特征和变化趋势;二是基于逐个像元分析气溶胶光学厚度的空间趋势，以揭示其变化的空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 气溶胶光学厚度年均值空间分布特征

2000—2008 年中国陆地气溶胶光学厚度年均值空间分布图(图1)显示，全国气溶胶光学厚度存在非常明显的空间分布特征。高值中心位于南疆盆地、长江及黄河中下游地区、华南沿海、四川盆地，中心值超过0.5，而青藏高原、内蒙古和东北地区等则处于气溶胶光学厚度低值区。

图1 2000—2008 年中国陆地(除南海诸岛外)气溶胶光学厚度年均值空间分布图Fig.1 Annual spatial distribution of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

从2000—2008 年中国陆地气溶胶光学厚度季节年均值分布图(图2)看，整个中国陆地气溶胶光学厚度的空间分布存在明显的季节变化，且不同地区季节变化特征不同。黄河下游和长江中下游地区在全年内都处于气溶胶高值区。可能是因为这些地区快速的经济发展造成了严重的大气污染，对气溶胶的光学厚度产生了显著的影响。青藏高原地区气溶胶光学厚度值经历了由春到夏逐渐增大，秋季再次减少的过程，随季节变化明显，该地区人口稀少，受人为活动影响小;但是稀疏的地表植被和较少的降水易引起沙尘天气，可能是其气溶胶的主要来源。四川盆地、华南沿海和两广地带气溶胶光学厚度值夏季略有减少，可能由于降水频繁，雨水的清除和湿沉降缩短了气溶胶的生命期。而南疆盆地及其周围地区主要属于沙漠气候，降水偏少，极易发生沙尘天气，有利于气溶胶的形成，全年的气溶胶光学厚度值都偏高。

图2 2000—2008 年中国陆地(除南海诸岛外)气溶胶光学厚度季节年均值分布图Fig.2 Seasonal spatial distribution of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

2.2 气溶胶光学厚度年均值时间变化趋势

图3 是2000—2008 年中国陆地气溶胶光学厚度年均值逐年变化图。可以看出，气溶胶光学厚度的年均值经历了先减少后增加的变化过程。2000—2004 年，气溶胶光学厚度值从0.194 减少到0.180，2004 年后开始逐步增加，到2008 年增加到0.195，与2000 年基本持平。对于2004 年气溶胶光学厚度极低值的出现还需要收集更多的资料对其进行分析，本文暂不讨论。分别对2000—2004 年和2004—2008 年2 个时间段气溶胶光学厚度年均值与年份进行回归分析，表明前一时间段气溶胶光学厚度年均值年波动幅度比较大，平均值为0.193，而后一阶段的气溶胶光学厚度年均值与年份之间具备较好的相关性，相关系数为0.858(P=0.063)，通过了0.1 的显著性检验，增加的趋势较显著。

图3 2000—2008 年中国陆地气溶胶光学厚度年均值逐年变化图Fig.3 Interannual variations in AOD in China during 2000—2008

彩图4 为全国气溶胶光学厚度年均值的线性趋势图，彩图5 为气溶胶光学厚度年均值与年份的相关系数。从图4 可以看出，各个栅格单元的斜率值均为负值，表明全国气溶胶光学厚度值在2000—2008 年显现减少趋势，且数值大小由西向东(红－黄－绿－深蓝，)逐渐减少，说明东部气溶胶光学厚度变化速率慢，东部地区频繁的人类活动导致的大气污染以及多变的气象变化与气溶胶光学厚度的复杂关系可能是导致此现象的原因。图5 则表明气溶胶光学厚度年均值随年份变化不显著。

图6 为2000—2008 年中国陆地气溶胶光学厚度年均值各季节变化趋势图。可以看出，2000—2008 年中国陆地气溶胶光学厚度年均值季节变化趋势显示，春夏季气溶胶光学厚度年均值总是大于秋季和冬季，且夏秋季气溶胶光学厚度变化波动较大。气溶胶光学厚度年均值春季达到最大值，为0.239，其次是夏季和冬季，其值分别为0.225 和0.158，秋季最小，为0.149。线性趋向分析显示，春夏季气溶胶光学厚度值呈减小趋势，秋冬季呈增加趋势，但是各个季节气溶胶光学厚度值随年份增加均不显著。

图4 气溶胶光学厚度年均值的线性趋势Fig.4 Linear trend distribution of mean annual AOD

图5 气溶胶光学厚度年均值与年份的相关系数Fig.5 Related coefficient of mean annual AOD and year

图6 2000—2008 年中国陆地(除南海诸岛外)气溶胶光学厚度年均值各季节变化趋势Fig.6 Seasonal variations of AOD in China in addition to the South China Sea Islands during 2000—2008

2000—2008 年中国陆地气溶胶光学厚度年均值随季节的线性变化趋势图(彩图7)显示，全国气溶胶光学厚度年均值呈现较弱的减小趋势，并且各个地区气溶胶光学厚度年均值变化季节差异明显，夏季气溶胶光学厚度年均值多年来以增加为主，显著区为中国的青藏高原、内蒙古西部和贵州的西南部，而秋季显著增加的地区转移到两广地带。冬季北方地区气溶胶光学厚度年均值增加可能与风沙天气增多和取暖燃煤有关。同一季节不同地区的线性趋势分布情况不同，体现了明显的区域特征。从彩图8 可以看出，春夏季北方大部分地区随着年份的增加，气溶胶光学厚度年均值出现了较明显的变化，这可能与近些年来沙尘天气频繁对气溶胶光学厚度产生了显著影响。而秋冬季长江中下游、东南沿海以及两广地带气溶胶光学厚度值随年份变化的增强趋势表现明显，其原因可能是该地区经济的快速发展产生的工业污染造成了气溶胶光学厚度的增加，而春夏季丰富的降水可能对其气溶胶光学厚度增加有抵消作用。

图7 气溶胶光学厚度年均值随季节的线性变化趋势Fig.7 Linear trend distribution of seasonal AOD

图8 各个季节气溶胶光学厚度年均值与年相关系数Fig.8 Related coefficient of seasonal AOD and year

图9 显示了气溶胶光学厚度月均值在不同年份的逐月变化情况。可知，气溶胶光学厚度在一年中呈现先增加再减小的明显趋势，并在4 和11 月份达到年内最大值和最小值，其多年平均值分别为0.258 和0.131;因此，春季是气溶胶光学厚度的高值季节。

图9 气溶胶光学厚度月均值年内变化趋势Fig.9 Annual variations in mean monthly AOD

2.3 气溶胶光学厚度与沙尘之间的关系

为了探究气溶胶光学厚度与沙尘的关系，统计了2000—2008 年全国每月发生沙尘的次数。从沙尘多年逐月变化趋势图(图10)上可以看出，一年中沙尘在4 月发生的次数最多，占全年总发生次数的33.79%，与气溶胶光学厚度年内逐月变化趋势表现了较好的一致性。图11 是以中国陆地各月沙尘总次数为横轴，以相对应的气溶胶光学厚度月均值为纵轴点绘的关系图。可见，月沙尘发生次数10 次以上区域，沙尘月发生次数与气溶胶光学厚度之间呈显著的线性相关关系，相关系数为0.779(P ＜0.01)，而在月发生沙尘次数10 次以下地区，沙尘次数与气溶胶光学厚度之间没有明显的关系，亦即气溶胶光学厚度并不随着沙尘次数产生明显的规律性变化;因此，根据沙尘高发区主要分布在我国北方地区的实际，可以认为，中国北方地区(黄淮以北)沙尘可能是气溶胶光学厚度的主要影响因素，而在黄淮以南地区(包括西南地区)工业污染可能是气溶胶光学厚度的主要影响因素。

图10 沙尘发生次数月均值年内变化趋势Fig.10 Annual variations of mean monthly dust frequency

图11 气溶胶光学厚度月均值与沙尘发生总次数关系图Fig.11 Relationship between mean monthly AOD and the total times of dust occurrence

3 结论

1) 我国气溶胶光学厚度的多年平均分布具有明显的地域特征，其高值中心位于南疆盆地、长江和黄河下游地区、华南沿海以及四川盆地，且气溶胶光学厚度呈现逐年减小的趋势，东部地区较西部地区减小不明显。

2) 气溶胶光学厚度季节变化显著，且全国各地区情况不同，黄河下游、四川盆地和长江中下游地区常年处于气溶胶光学厚度高值区，青藏高原和新疆东部从春到夏逐渐增大，秋季再次减少，直到冬季达到其最低值。南疆盆地全年的气溶胶光学厚度值都偏高。长江中下游地区气溶胶光学厚度年内变化显著，冬春季节气溶胶光学厚度较高。

3)2000—2008 年气溶胶光学厚度年内变化都表现为4 月达到最大值，11 月为最小值，并且与全国发生沙尘天气月均值的变化趋势一致。

［1］ Eck T F，Holben B N，Reid J S，et al.Wave length dependence of the optical depth of biomass burning，urban，and desert dust aerosols［J］.J Geophys Res，1999，104(D24):3l333－3l349

［2］ Houghton J T，Ding Y，Griggs D J，et al.Climate Change 2001:The scientific basis，Contribution of working group I to the third assessment report of the intergovernmental panel on climate Change［M］.Cambridge，United Kingdom and New York，NY，USA:Cambridge University Press，2001:881

［3］ Chen L W A，Doddridge B G，Dickerson R R，et al.Origins of fine aerosol mass in the Baltimore－W ashington corridor:Implications from observation，factor analysis，and ensemble air parcel back trajectories［J］.Atmosphere Environment，2002，36:4541－4554

［4］ Dickerson R R，Kondragunta S，Stenchikov G，et al.The impact of aerosols on solar ultraviolet radiation and photochemical smog［J］.Science，1997，278:827－830

［5］ 罗云峰，李维亮，周秀骥.20 世纪80 年代中国地区大气气溶胶光学厚度的平均状况分析［J］.气象学报，2001，59(1):77－87

［6］ Malm W C.Characteristics and origins of haze in the continental United－States［J］.Earth－Sci Rev，1992，33:1－36

［7］ Samet J M，Dominici F，Curriero F C，et al.Fine particulate air pollution and mortality in 20 US Cities，1987－1994［J］.New Eng－J Med，2000，343:l742－1749

［8］ Solomon S，Qin Dahe，Manning M，et al.Climate Change 2007:The physical science basis，Contribution of working group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change［M］.Cambridge，United Kingdom and New York，NY，USA: Cambridge University Press，2007:996

［9］ Zheng Y F，Liu J J，Wu R J，et al.Seasonal statistical characteristics of aerosol optical properties at a site near a dust region in China［J］.J Geophys Res，2008，113:16205，doi:10.1029/2007JD009384

［10］李成才，毛节泰，刘启汉，等.利用MODIS 研究中国东部地区气溶胶光学厚度的分布和季节变化［J］.科学通报，2003，48(19):2094－2100

［11］柳晶.中国地区气溶胶光学特性及辐射强迫的卫星遥感观测研究［D］.南京:南京信息工程大学大气科学学院，2008:12

［12］邓学良，邓伟涛，何冬艳.近年来华东地区大气气溶胶的时空特征［J］.大气科学学报，2010，33(3):347－354

［13］Ramachandran S.Aerosol optical depth and fine mode fraction variations deduced from Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)over four urban areas in India［J］.J Geophys Res，2007，112:16207，doi:10.1029/2007JD008500

［14］马井会，郑有飞，张华.黑碳气溶胶光学厚度的全球分布及分析［J］.气象科学，2007，27(5):549－556

［15］董海鹰，刘毅，管兆勇.MODIS 遥感中国近海气溶胶光学厚度的检验分析［J］.南京气象学院学报，2007，30(3):328－337

［16］石广玉，王标，张华.大气气溶胶的辐射与气候效应［J］.大气科学，2008，32(4):826－840

［17］罗云峰，周秀骥，李维亮.大气气溶胶辐射强迫及气候效应的研究现状［J］.地球科学进展，1998，13(6):572－581

［18］车慧正，石广玉，张小曳.北京地区大气气溶胶光学特性及其直接辐射强迫的研究［J］.中国科学院研究生院学报，2007，24(5):699－704

［19］王静，杨复沫，王鼎益.北京市MODIS 气溶胶光学厚度和PM2.5 质量浓度的特性及其相关性［J］.中国科学院研究生院学报，2010，27(1):10－16

［20］李本纲，冉阳，陶澍.北京市气溶胶的时间变化与空间分布特征［J］.环境科学学报，2008，28(7):1425－1429

［21］李晓静，刘玉洁，邱红，等.利用Modis 资料反演北京及其周边地区气溶胶光学厚度的方法研究［J］.气象学报，2003，61(5):580－591

［22］李刚，季国良.中国西北地区大气气溶胶散射光学厚度分析［J］.高原气象，2001(20):283－290

［23］李仑格，李富刚，王广河，等.西北地区气溶胶遥感及其气候效应研究综述［J］.中国沙漠，2008，28(3):579－585

［24］陶健红，黄玉霞，陆登荣.河西走廊沙尘活动对兰州PM10 浓度的影响及其评估［J］.中国沙漠，2007，27(4):672－676

［25］段婧，毛节泰.长江三角洲大气气溶胶光学厚度分布和变化趋势研究［J］.环境科学学报，2007，27(4):537－543

［26］宋磊，吕达仁.上海地区大气气溶胶光学特性的初步研究［J］.气候与环境研究，2006，11(12):203－208

［27］Chu D A，Kaufman Y J，Zibordi G，et al.Global monitoring of air pollution over land from the Earth Observing System－Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)［J］.J Geophys Res，2003，108:4661，doi:10.1029/2002JD003179

［28］Remer L A，Kaufman Y J，Tanre D，et al.The MODIS aerosol algorithm’products and validation［J］.Atmosphere Science，2005，62:947－973