中国气溶胶光学厚度时空演变特征分析

薛文博 武卫玲 王金南 杨金田 雷 宇 汪艺梅

(环境保护部环境规划院，北京 100012)

1 引言

为掌握全国PM2.5污染状况，我国于2013年开始在74个城市开展了PM2.5的监测与数据实时发布工作，但目前我国开展PM2.5监测的城市较少，尚难以反映全国PM2.5污染的总体状况。由于气溶胶分布具有较高时空变异性，尽管PM2.5地面观测站点能够提供时间连续的观测数据，但不能得到连续的空间覆盖信息，难以有效反映气溶胶污染的时空演变趋势。在美国、欧洲等发达国家，由于拥有较为完善的空气质量监测网络和大量的PM2.5浓度监测站点，利用 AOD产品反演近地面 PM2.5浓度的研究已经广泛开展。因此用NASA中分辨率成像光谱仪(MODIS)观测的气溶胶光学厚度(aerosol optical depth，AOD)来表征PM2.5污染状况是一种有效的技术手段，可以弥补地面观测手段的不足，获得高分辨率的空间观测信息。

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，粒子的粒径多在0.001～10μm之间，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，是描述气溶胶对光衰减作用的主要因子。毛节泰等(2002)证明了MODIS气溶胶产品与地面光度计观测结果具有很好的相关性;Chu等(2003)利用NASA发布的全球MODIS气溶胶产品数据，研究全球及区域性大气污染状况，证实了用气溶胶光学厚度监测大气污染的可行性;李成才等(2005)利用MODIS产品研究了北京市大气污染状况;Wang等(2010)考虑大气层边界高度、湿度等因素的影响，建立了北京市AOD和PM2.5近地面浓度之间的回归反演模型。

气溶胶的消光效应主要来源于细颗粒物的贡献，粗粒子消光贡献相对较低，因此通过AOD的变化趋势可以有效反映我国PM2.5的污染状况。为了全面了解我国陆地上空气溶胶的时空分布及变化规律，本文利用2005-2012年8年MODIS气溶胶光学厚度产品，对中国气溶胶的时空演变特征进行了系统分析，着重分析了京津冀、长三角、华中、成渝四个重点区域及北京、石家庄、保定、邢台四个典型城市的AOD演变特征，揭示了我国近八年来气溶胶污染的时空演变过程。

2 数据与方法

2.1 数据来源

美国国家宇航局(NASA)于1999年12月发射了Terra卫星，于2002年5月发射了Aqua卫星，MODIS分别搭载在Terra和Aqua两颗卫星上。MODIS扫描宽度为2330km，提供了从0.145—14.235μm区间36个通道的信息，探测器每天覆盖全球1次，分辨率有250m、500m和1000m三种。本文使用的数据来源于EOSAQUA/MODIS传感器Level 2光学厚度产品，采用暗像元算算法，空间分辨率可达到10km。

首先对所获得的MODIS产品进行预处理，利用IDL对遥感影像进行投影、拼接，在ARCMAP软件中进行栅格统计分析，获取中国陆地2005-2012年550nm的年平均AOD栅格数据。

2.2 研究方法

分析我国AOD的时空演变特征，目的是研究我国PM2.5污染的时空变化趋势，但由于AOD受到空气中湿度、沙尘、降雨等多重因素的影响，AOD的时空变化趋势常存在一定的随机性，不一定能准确反映PM2.5污染特征。因此选用长时间序列、多年平均的AOD数据在一定程度上可以减少气象等随机性因素的影响。本文统计分析了全国、各省、地级及以上城市2005-2007年、2008-2010年、2011-2012年三个时段的AOD均值及历年均值，通过对比分析不同时间段、不同地区的AOD数值，揭示我国2005-2012年气溶胶污染的总体特征。

3 AOD时空分析

3.1 全国总体趋势

从2005-2012年全国AOD时间演变趋势来看，与2005-2007三年均值相比，绝大部分省份2008-2010年期间AOD下降趋势非常明显，全国平均降幅为9.23%。而在2011-2012年期间AOD又有所回升，相比2008-2010年期间全国平均增长了6.12%，但大部分地区2011-2012两年平均值依然低于2005-2007三年平均值，因此2005-2007年是我国气溶胶污染最严重的时期;从AOD的空间分布来看，气溶胶污染较重的地区主要集中在京津冀、长三角、华中、成渝等人口密集和工业发达地区。

京津冀地区(北京市、天津市、河北省)2005-2007年、2008-2010年、2011-2012年三个时期AOD年均值分别为0.62、0.61、0.64，依次是全国相应时期AOD年均值 0.54、0.49、0.52 的 1.2 倍、1.3 倍、1.2 倍;2008-2010年和2011-2012期间，在全国大部分省份AOD下降的趋势下，北京、天津地区的AOD保持增长或不变的趋势，稳定在0.8左右的高值区，气溶胶污染持续严重。相比2005-2007年，2008-2010年北京AOD增幅为4.39%，天津增幅为10.57%，2011-2012年北京AOD几乎无变化，天津增幅为6.53%;相比2008-2010年，北京、天津在2011-2012年间AOD值略有减小。河北省2005-2012年期间AOD总体呈持续下降趋势，2008-2010年、2011-2012年分别相比2005-2007年期间下降10.87%、7.03%。

长三角地区(上海市、江苏省、浙江省)2005-2007年、2008-2010年、2011-2012年三个时期AOD年平值分别为 0.77、0.72、0.76，是全国相应时期 AOD 年均值0.54、0.49、0.52 的 1.43 倍、1.47 倍、1.45 倍，其中上海在各时间段内AOD年均值均超过0.9，这可能与临海湿度或海盐粒子有很大关系。相比2005-2007年，上海、江苏和浙江在2008-2010年期间AOD降幅分别为4.38%、4.41%、10.14%，在2011-2012年期间三个地区AOD值又有所上升。

华中地区(湖北省)2005-2007年、2008-2010年、2011-2012年三个时期AOD年均值分别为0.74、0.67、0.7，是全国相应时期 AOD年平均值的1.38倍、1.38倍、1.34倍;与2005-2007年相比，湖北省在2008-2010年和2011-2012年总体呈持续下降趋势，降幅分别为9.56%、5.68%。

成渝地区(四川省、重庆市)2005-2007年、2008-2010年、2011-2012年三个时期AOD年均值分别为0.73、0.62、0.65，是全国 AOD 年均值的 1.36 倍、1.27倍、1.25倍。与2005-2007年相比，四川省2008-2010年和2011-2012年期间AOD总体显著下降，降幅分别达15.92%和11.07%;重庆市2008-2010年AOD年均值相比2005-2007年期间下降了5.36%，2011-2012年期间又回升到2005-2007年水平。

图1 AOD年均值分布图

3.2 典型城市分析

2013年1月份我国发生了大规模长周期的灰霾污染事件，华北地区成为灰霾污染重灾区，其中北京、石家庄、保定、邢台等城市是华北地区污染最严重的城市群，因此本文重点分析上述四个城市2005-2012年间AOD的变化趋势。分析结果表明，与全国333个地级及以上城市AOD年平均值相比，北京、石家庄、保定、邢台地区AOD年均值一直在0.8附近波动，远高于2005-2012年全国AOD历年均值。2005-2012期间北京、石家庄、保定、邢台AOD的8年平均值分别是全国平均水平的1.51倍、1.53倍、1.44倍、1.52倍。这些城市近八年AOD年均值变化趋势较为一致，具有时间同步性。

2005-2007 年全国地级及以上城市AOD年均值总体持续增长，到2008-2010年AOD年均值又呈现下降趋势，在2011-2012年期间全国城市AOD年均值又明显回升，这种变化趋势可能与2008-2010年期间全球经济危机导致的经济发展放缓，能源消费量及各种污染物排放量下降有直接关系。

表1 全国各省AOD年均值变化情况(增幅以2005-2007年为基准)

图2 全国及典型城市AOD年均值变化

4 研究结论

由于大气气溶胶分布具有较高时空变异性，尽管PM2.5地面观测站点能够提供时间连续的观测数据，但不能得到连续的空间覆盖信息，难以有效反映气溶胶污染的时空演变趋势。为此，欧美广泛开展利用AOD产品反演近地面PM2.5浓度的研究。用NASA中分辨率成像光谱仪(MODIS)观测的气溶胶光学厚度(aerosol optical depth，AOD)来表征PM2.5污染状况是一种有效的技术手段，可以弥补地面观测手段的不足，获得高分辨率的空间观测信息。

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，粒子的粒径多在0.001～10μm之间，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，是描述气溶胶对光衰减作用的主要因子。气溶胶的消光效应主要来源于细颗粒物的贡献，粗粒子消光贡献相对较低，因此通过AOD的变化趋势可以有效反映我国 PM2.5的污染状况。

为了全面了解我国陆地上空气溶胶的时空分布及变化规律，本文利用2005-2012年8年MODIS气溶胶光学厚度产品，对中国气溶胶的时空演变特征进行了系统分析，着重分析了京津冀、长三角、华中、成渝四个重点区域及北京、石家庄、保定、邢台四个典型城市的AOD演变特征，揭示了我国近八年来气溶胶污染的时空演变过程。本文利用2005-2012年MODIS气溶胶产品研究了我国气溶胶光学厚度的空间分布和时间演变特征，主要结论如下:

(1)2005-2012年期间我国AOD总体呈现“先降低，后升高”的趋势，2005-2007年期间是我国气溶胶污染最严重的时期。全国气溶胶污染严重地区主要集中在京津冀、长三角、华中、成渝等经济发达，人口密集的地区。

(2)京津冀、长三角、华中、成渝四个重点区域AOD年均值在不同时期内均远高于平均全国平均水平，2005-2012年期间总体变化趋势与全国基本一致。

(3)2005-2012年期间北京、石家庄、保定、邢台四个城市AOD年均值持续在0.8附近的高值区波动，变化幅度较小，AOD远高于全国及重点区域平均值。四城市在2005-2012年期间AOD年均值变化趋势存在显著的同步性。

利用AOD表征PM2.5的污染特征有一定的科学依据，但是AOD的大小受近地面PM2.5浓度、湿度及气溶胶垂直分布特征等多种因素的影响，用AOD直接表征近地面PM2.5浓度的大小存在一定的不确定性。因此在下一步研究中有必要对AOD进行湿度和垂直等因素的订正，提高AOD表征近地面PM2.5浓度的准确性。

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