AOD分布的地区差异及影响因素分析

许艾米　陆德辉　李文婷

摘 要：利用2000年2月～2009年2月的MODIS遥感气溶胶光学厚度（AOD）资料，研究了AOD在我国的空间分布特征，采用偏相关性分析等统计方法研究温度、降水、湿度、风场等气象要素场以及排放源等因素对AOD的影响。结果表明：AOD的分布具有明显的地区差异，有6个高值区，分别是华北平原、苏皖地区、四川盆地、长江中下游平原、珠江三角洲和南疆盆地；不同季节AOD的空间分布类似，但又存在一定的差异，从春季到冬季逐渐递减；华北平原AOD春季受北方沙塵天气外来输送的影响最大，夏季则主要与本地人为排放源正相关，秋、冬2季受风场影响最大；四川盆地AOD与降水呈现负相关关系，春季主要受北方沙尘天气外来输送的影响，夏季与温度正相关，秋、冬季则主要受人为排放源的影响。

关键词：AOD；气象要素；相关系数；偏相关系数；PM10

中图分类号：P4 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160432206

引 言

科学研究发现，全球的暖化，很大程度上与气溶胶有关[1]。气溶胶通常是指悬浮于大气中直径<10μm的微粒，它们一方面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，使大气能见度变坏。另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。我国作为最大的发展中国家，气溶胶含量都处在较高程度。因此，了解我国大气气溶胶多年来的时空分布状况以及对影响它的因素进行分析研究，具有十分重要的意义。

1 资料来源

AOD即气溶胶光学厚度，定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分，是表征大气混浊度和气溶胶含量的一个重要物理量，所以在研究中多用光学厚度值来反演大气气溶胶含量。本文所用AOD资料是NASA发布的MODIS Level2的气溶胶数据集，时间从2000年2月～2009年2月的550nm月平均格点数据；气象要素场采用NCEP/NCAR再分析资料全球2.5°×2.5°网格点的同时间的月平均资料；API指数（空气污染指数）从中华人民共和国环境保护部网站上下载的逐日站点数据资料。

2 AOD分布的地区差异及华北平原、四川盆地的影响因素分析

2.1 AOD分布的地区差异

由我国2000～2008年9a平均AOD分布图（图1）可以看出，我国AOD分布具有明显的地区差异，总体是东部>西部，北部>南部，共有6个高值区，分别是华北平原、苏皖地区、四川盆地、长江中下游平原、珠江三角洲、南疆盆地[2]（由于MODIS产品在南疆盆地适应性不好，该地区部分数据缺失，但由前人的研究以及图中隐约可以看出南疆盆地是一个高值区）。

同样方法绘制2000～2008年我国中东部地区春、夏、秋、冬季9a平均AOD分布图（图略），可得，AOD四季的平均分布情况存在明显的季节差异，总体来说，从春季到冬季呈现出逐渐递减的趋势。

2.2 AOD分布的影响因素分析

综上所述，AOD的分布具有明显的地区差异，由于篇幅有限，本文挑选四川盆地和华北平原2个具有典型性特点的大值区进行分析。将初步处理的9a AOD季节平均数据对华北平原进行区域平均，得到四季AOD随时间变化的序列曲线（见图2）。同样方法得到四季的降水、温度、湿度随时间变化的序列曲线（图略）。为了消除降水、温度、湿度、风场之间的相互作用关系，分别计算AOD与这4个因素的偏相关系数（见表1）。

用初步处理好的位于华北平原（如北京、天津等站）的月平均数据资料进行季节平均，得到9a的季节平均的结果，再分四季计算PM10指数与AOD的相关系数，得到表2。四川盆地的绘图方法与华北平原相同。

2.2.1 华北平原AOD的影响因素分析

2.2.1.1 外来输送、降水、温度、湿度对AOD分布的影响分析

如图2所示，AOD值全年在夏季最大，其次是春、秋季，冬季最小。由表1看出，华北地区AOD的影响因素具有明显的季节变化。春季AOD与降水偏相关系数可达0.8220，为正相关，与温度无相关关系，与湿度正相关；夏季，AOD与各因子间的相关性都不好；秋季AOD与降水不相关，与温度正相关，与湿度负相关；冬季AOD与降水、温度和湿度基本不相关。

春季华北平原AOD的主要影响因素是沙尘天气的外来输送[3]。春季华北地区干燥，降水少（图略），在空气干燥的情况下，适量的降水有利于湿度的增加，水溶性气溶胶吸湿膨胀导致AOD含量增加。夏季降水、温度和湿度都明显高于其它季节，理论上应受其影响大，但计算出的偏相关结果不尽如人意，可能是因为影响夏季AOD分布还有其它因素，对此将在后文进行分析。秋季降水量除2002、2006～2008年比春季低外仅次于夏季（图略），湿度位于第2，湿温共同作用会影响气溶胶的形成。空气中湿度大，有益于降水形成，雨水的冲刷又大大缩短气溶胶的生命期，使AOD含量减少，表现为与AOD呈现负相关；温度与春季基本相同，温度越大，也有利于气溶胶的生成。冬季由表1看出都不相关，可能有其它因素影响。

2.2.1.2 风场对AOD分布的影响

分析计算AOD与风速的偏相关系数后发现相关性不具特征，故文中只讨论风向对AOD分布的影响。采用地面位势高度场来表征风场的分布特征。由2000～2008年9a季节平均的位势高度场分布（图3）可看出，春、夏季的风场对华北平原AOD的分布影响不大。秋季华北平原处于蒙古高压前部的控制下，为西北—东南向气流，利于气溶胶的稀释或扩散，导致秋季华北平原AOD含量较春、夏季迅速回落。冬季仍处于蒙古高压前部，表现为南北向气流，等压线更密，对气溶胶的稀释更大，所以AOD又有所下降。总而言之，秋、冬季AOD的分布受风场影响大。

2.2.1.3 PM10与AOD的关系

PM10的排放量最大的省份分别是山东、河北、江苏、河南和广东[4]，这与AOD大值区相吻合。由表2知PM10指数与AOD（除冬季外）呈正相关，对于华北平原这样的人口密集区来说，PM10含量越大，空气质量状况越差，AOD含量就越高。在夏季相关性最好，所以夏季影响AOD的主要因素为人为源的排放。

2.2.2 四川盆地AOD的影响因素分析

2.2.2.1 气象要素场对AOD分布的影响

与华北平原分析方法类似，四川盆地AOD的含量春季最大（图略），秋、冬季次之，夏季除2001、2006～2008年外AOD含量最低。春季AOD与降水负相关（表1），与温度相关性不大，与湿度正相关；夏季与降水、湿度基本不相关，与温度正相关；秋季与降水负相关，与其它因素不相关；冬季与降水负相关，湿度正相关，与温度相关性不大。由于NCEP/NCAR再分析资料在四川盆地的精度不高，所以AOD和风场的偏相关系数计算结果存在较大误差，但已知盆地内风速全年都是很小的[7]。因此在该地区，风场对AOD的影响不显著。

同样的方法绘制四川盆地四季的降水、温度、湿度随时间变化的序列曲线（图略），分析可得，春季该地区湿度为全年最小，空气干燥，降水也不多，雨水对气溶胶的冲刷少，有利于AOD的堆积，表现为降水量与AOD负相關。夏季降水为全年最大，雨量充沛，雨水的冲刷会很大程度的缩短气溶胶的生命期[8-9]，所以夏季AOD含量最小，但可能降水多会导致观测误差，本文中计算结果负相关性很小。夏季气温高，湿度大，在温湿共同作用下，水溶性气溶胶粒子吸湿膨胀导致AOD含量增大，因此AOD与温度正相关。秋季，湿度为全年最大，有利于气溶胶的生成，而降水较夏季明显减小，不利于气溶胶的扩散冲刷，所以AOD含量又增加，与降水表现为负相关。冬季降水少，但湿度较大，有利于气溶胶的形成，所以AOD含量与湿度正相关。

2.2.2.2 AOD与PM10指数的相关关系

四川盆地以成都、重庆为代表的人口密集城市中，人类活动产生的地面排放源对AOD的影响是不容忽视的，四川省的PM10含量也位居前列[5]。如表2所示，四川盆地PM10与AOD夏、秋季相关性较好，春、冬季基本不相关。总的来说，AOD的含量受空气质量影响。此外，由于盆地内风速小，工业燃煤等人为排放源生成的有效半径较大的吸收型气溶胶堆积，水平扩散条件差，从而导致AOD含量全国范围内（除夏季外）处于首位。

3 结 语

我国AOD共有6个高值区域，分别是华北平原、苏皖地区、四川盆地、长江中下游平原、珠江三角洲和南疆盆地；

不同季节的AOD空间分布特征类似，但又存在一定的季节差异，从春季到冬季逐渐递减；

不同地区不同季节AOD的影响因素不同。华北平原AOD含量春季受北方沙尘天气外来输送的影响最大，夏季则主要与本地人为源的排放正相关，秋、冬季受风场影响最大。此外，全年还可能受到降水、温度、湿度的影响，但程度因季节而异；四川盆地AOD含量与降水负相关。春季主要受北方沙尘天气的外来输送的影响，夏季与温度正相关，秋、冬季主要受人为排放源的影响，还与温湿因素有关。

参考文献

[1] Anderson T L，Charlson R J，Schwartz S E，et al.Climate forcing by aerosols—a hazy picture[J].Science，2003，300（4）：1103-1104.

[2] 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.

[3] 韩晶晶，王式功，祁斌，等.气溶胶光学厚度的分布特征及其与沙尘天气的关系[J].中国沙漠，2006，26（3）：362-369.

[4] 田贺忠，郝吉明，陆永琪，等.中国氮氧化物排放清单及分布特征[J].中国环境科学，2001，21（6）：493-497.

[5] 张万诚，田永丽，和春荣，等.用MODIS遥感中国西南地区气溶胶光学厚度的对比研究[J].云南大学学报（自然科学版），2009，31（S2）：421-425.

作者简介：许艾米（1989-），湖北荆州人，专业或研究方向：大气科学、天气预报。