中国气溶胶光学厚度与太平洋海表温度相关性研究

贾峰，阎逢旗，李思聪，马玲，吴东

(中国海洋大学信息科学与工程学院 青岛 266100)



中国气溶胶光学厚度与太平洋海表温度相关性研究

贾峰，阎逢旗，李思聪，马玲，吴东

(中国海洋大学信息科学与工程学院 青岛 266100)

文章基于2001—2014年间中等分辨率成像光谱仪(MODIS)气溶胶光学厚度数据和NOAA提供的海表温度数据，首先利用经验正交函数分析中国气溶胶光学厚度的时空变化特征，然后用奇异值分解法分析中国气溶胶光学厚度和太平洋海表温度之间的时空联系。结果表明：①中国陆地气溶胶光学厚度存在两个主要模态，第一模态气溶胶光学厚度分布变化一致，其中华北平原存在大值中心，对应的时间系数呈显著减小趋势，且存在4～5年的周期；第二模态则对应南北区域的反位相变化。②SVD第一模态显示中国陆地气溶胶光学厚度与中东太平洋海表温度呈负相关，与中东太平洋两侧的区域呈正相关；第二模态则显示出西北区域与西太平洋中纬度地区的高正相关性。

气溶胶光学厚度；海表温度；经验正交函数；奇异值分解；中等分辨率成像光谱仪

大气气溶胶是由各种固体和液体微粒悬浮于大气中形成的弥散系，其粒子大小在“微米”之间。大气气溶胶对环境、气候和人体健康有重要影响。对流层气溶胶是陆地-大气-海洋系统的重要组成部分，通过直接效应(通过散射和吸收太阳辐射直接影响气候)和间接效应(以云凝结核的形式改变云的光学特性和云的分布而间接影响气候)强烈影响地气系统的能量收支平衡[1-4]。气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)是气溶胶衰减系数沿传播路径上的积分，反映大气污染浑浊程度。

海洋与大气可以看成一个相互作用的系统，它们之间的相互作用主要通过物质(包括水分、二氧化碳及其他气体和微粒)、能量和动量的交换，两者是相互影响、相互制约及相互适应的[5]。

气溶胶的辐射强迫改变大气中的辐射平衡，由于气溶胶的影响，中国大陆地区地面气温均有所下降，四川盆地到长江中下游地区以及青藏高原北侧到河套地区降温最为明显，且具有明显的季节特征[6]。Gan Luo等[7]发现由北非传输的气溶胶会对亚热带大西洋海表温度产生影响，并建立两者影响的概念模型。M.Arbelo等[8]则利用SeaWiFS的AOD数据对NOAA卫星提供的SST数据进行订正，修正由于大气气溶胶红外吸收引起的误差。

同时，海洋占全球表面积的70%以上，海表温度(Sea Surface Temperature，SST)的微小变化都将释放或吸收巨大的能量，海表温度的变化必将对大气气溶胶产生影响。SST对AOD影响的研究主要集中在厄尔尼诺与气溶胶变化的关系上。Bangsheng Yin等[9]通过对赤道太平洋上Darwin、Nauru和Manus站点的长期研究，发现厄尔尼诺对3个站点气溶胶光学厚度、粒子谱和组成成分都有影响。Jin Li等[10]则发现赤道太平洋区域的气溶胶指数与南方涛动指数有着密切的关系。于旸[11]利用经验正交模态方法处理黄渤海区域气溶胶光学厚度，求得其Hilbert谱后，将得到的Hilbert谱与南方涛动指数进行比较，发现两者具有很高的相关性，且南方涛动指数比Hilbert谱滞后12个月。

本研究从气象统计的角度出发，利用奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)方法，将中国陆地AOD与太平洋SST看成两个独立的场，并研究两场之间的相关性。

1 数据来源及其处理方法

本研究所用的光学厚度数据为2001—2014年TERRA卫星上的中等分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectro radiometer,MODIS)L3 550 nm处的月平均数据，数据集的格网距为1°×1°。MODIS具有36个光谱波段，覆盖紫外、可见、近红外、红外灯通道，为反演气溶胶和地表特征提供丰富的信息[12-13]。海表温度数据为NOAA卫星利用ICOADS数据集重构的2°×2°全球逐月海表温度数据。

首先利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function，EOF)分析中国陆地区域气溶胶的变化情况，再采用SVD研究太平洋SST与中国陆地AOD的相关性。

EOF是分析区域气象要素场时空变化特征常用的统计分析方法，能够将同时随时空变化的某要素场分解为分别仅随空间和时间变化的空间特征向量和时间系数的线性组合，并将该要素场的方差贡献率尽量集中到前几个分量上[14]。EOF将由m个空间点n次观测构成的变量看做是p个空间特征向量和对应的时间权重系数的线性组合：

(1)

式中，T为时间系数；V为空间特征向量。这一过程将变量场的主要信息集中由几个典型特征向量表现[15]，特征向量表示空间分布型，空间分布型和相应的时间系数称为EOF的模态。变量场可以是原始变量场、变量的距平场和变量的标准化场。

SVD用于分析两个气象要素场序列之间的相关关系，可最大限度地从两个要素场分离出多个相互独立的耦合模态，从而揭示出两要素场所存在的时域相关性的空间联系[16]。计算时，视一个要素场为左场，记为X(x,t)，其中x是空间点、设有M1个空间点；t是时间、设有N个观测样本；视另一要素场为右场，记为Y(y，t)，有M2个空间点。两场标准化处理后计算其交叉协方差阵：

(2)

对Sxy做奇异值分解，得到左奇异向量L和右奇异向量R，由L和R得到时间系数U和V，再由时间系数和左右变量场算出时间系数的相关系数rk(U,V)和异性相关系数rk(X,V)和rk(Y,U)。异性相关系数是指左场(或右场)距平序列与右场(或左场)模态时间系数之间的相关性，其值的大小反映左场(或右场)距平序列与右场(或左场)模态时间系数的相关程度，最后用蒙特卡洛法进行显著性检验。

先求出中国(70°E—140°E、15°N—55°N)2001—2014年168个月的AOD和同期太平洋(110°E—90°W、50°S—50°N)168个月的海表温度的距平值(距平是指每个月的原始值与2001—2014年相同月份的平均值之差)，再对AOD的距平进行EOF分析，最后将AOD和SST的距平进行标准化处理后，对两者进行SVD分析。由于MODIS提供的L3数据在某些月份存在缺失，对单个格网点上缺失值少于5个月的格网点进行最邻近插值。

2 中国气溶胶光学厚度的时空分布

EOF前4个模态的方差贡献分别为17.8%、11.3%、8.6%和5.9%，均通过North[17]提出的显著性检验。本研究只讨论前两个模态。

用EOF分解的中国气溶胶光学厚度的第一和第二模态如图1所示。第一模态全为负数，说明中国AOD变化是同相位的，且在华北平原绝对值达到最大，并以此为中心绝对值逐渐缩小；从时间系数及其线性拟合可以看出气溶胶的变化幅度是逐年下降的，由其11个月滑动平均可看出存在一个4～5年的周期，极大值年份为2002年、2004年、2009年，2013—2014年气溶胶的减少量达到极大，极小值年份为2007—2008年，2012年气溶胶的增加量达到极大。第二模态南方为正值，且纬度越低值越大，并在华南区域达到最大；北方为负值，在塔里木盆地绝对值达到最大，这表明南北AOD的变化是反相的，对应的时间系数的线性拟合呈略微上升趋势，由其滑动平均可以看出第二模态随时间的变化较平缓。

图1 EOF分解的中国气溶胶光学厚度的第一模态和第二模态

3 中国气溶胶光学厚度与太平洋海表温度之间的关系

SVD第一模态的方差贡献率为34.39%、时间相关系数为0.497 6，第二模态的方差贡献率为19.94%、时间相关系数为0.503 1，均达到0.001显著性水平[18]。SVD前4个模态的方差贡献率和时间相关性及蒙特卡洛检验标准(0.001显著性水平)的结果如表1所示，可以看出，只有前3个模态通过显著性检验，前两个模态所占方差贡献率远大于其他模态，本研究只对前两个模态进行讨论。

表1 前4个模态的方差贡献率、时间相关性和蒙特卡洛检验标准

太平洋SST与中国AOD的相关系数空间分布的第一模态及其时间系数如图2所示，黑色虚线内的区域通过显著性检验。图2(a)为左场，呈“正—负—正”的分布，其中，中东太平洋为负相关区，且大部分的负相关性在0.3以上；在该相关区的南北两侧分别为两正相关区，且这两个区域相关性不高。图2(b)为右场，基本上全为正相关，且相关性以华中为大值中心，向周围逐渐减少。图2(c)为时间系数，可以看出AOD震荡较快，说明AOD的变化周期短，但其总体的变化趋势与SST的时间系数相符。由第一模态可以看出中东太平洋SST与我国AOD变化成反比，中东太平洋南北两侧海域的SST与我国AOD变化成正比。

图2 SVD第一模态

SVD分解的第二模态如图3所示。图3(a)为左场，中东太平洋为正相关区，太平洋西北、西南、东南海域为负相关，且部分区域通过显著性检验。图3(b)为右场，西北区域为负相关区，且在内蒙古、甘肃等地通过显著性检验；东南区域为正相关区，相关性较小，只有华南小部分区域通过显著性检验。图3(c)为时间系数，仍可以看出AOD周期短的特点。由第二模态可以看出，西太平洋中纬度地区及太平洋西南部分区域SST与我国西北部AOD成正比、与东南部AOD成反比，太平洋中东部及西北部分区域SST则相反。

图3 SVD第二模态

海洋和大气是一个相互作用的系统。一方面，海-气之间的能量交换可以影响低层大气的热量和水汽分布，改变大气的稳定度，进而影响大气的对流与环流；另一方面，又会改变海洋表层的温度分布[19]。气溶胶是大气中一个重要的辐射强迫因子，改变达到海表及地面的辐射通量，进而使海温和地面温度发生变化。气溶胶会影响当地地表(或海表)的温度，但对远处区域温度的影响是未知的。虽然W.C.Hsieh等[20]的研究发现黑炭气溶胶的辐射强迫不仅会对当地气温造成影响，还会对海温造成影响，但除沿海区域，其他区域并未通过显著性检验。所以在中国陆地气溶胶与太平洋SST的相互作用中，气溶胶对太平洋SST的作用是次要的。

相反，气溶胶生命周期短，其主要清除机制是干沉降(从大气中直接降落到地面)和湿沉降(在降水过程中与云滴一起落到地面)[21]，且随风速、温湿度的变化相当迅速。而海温的变化对降雨、环流等具有重要的作用。

蔡榕硕等[22]发现中国东部海温上升会使长江中下游、黄淮流域和华北区域降水减少，使华南区域降水增加，同时还会影响东亚地区夏季环流。杨金虎等[23]的研究表明，太平洋海表温度异常同中国东部夏季极端降水事件的变化存在显著的关系，赤道中东太平洋是影响中国华北极端降水事件的关键区。江志红等[24]和魏凤英等[25]的研究均指出，太平洋不同区域SST的变化会对中国降水造成不同程度的影响。太平洋海温的变化会引起一系列气候效应，而这些气候效应又会对我国气溶胶产生影响。

本文只是从统计的角度分析太平洋海表温度和中国陆地气溶胶光学厚度之间的相关性，并简单分析其相互作用可能存在的机制，而二者之间详细的物理机制，还需进一步的研究。

4 结论

本研究通过对2001—2014年中国陆地气溶胶的经验正交分解，及其与太平洋海表温度的奇异值分解，分析中国气溶胶光学厚度变化的时空特征，及其与太平洋海表温度变化之间存在的时空联系。

(1)EOF第一模态表明，中国陆地气溶胶光学厚度变化基本呈同位相，并在华北平原变化达到最大，且AOD的变化存在4～5年的周期；第二模态表明，南北区域成反位相变化，在华南地区达到最大，在塔里木盆地达到最小。

(2)由SVD分析可以看出，中国陆地AOD的变化与太平洋SST的变化有密切的联系，不同海域的SST对中国气溶胶的影响不同。

(3)气溶胶与海温之间相互作用，气溶胶通过改变辐射通量对海温产生影响，海温通过影响降水和环流对气溶胶的分布和粒子谱产生影响。对于中国陆地气溶胶与太平洋海表温度，后者的作用大于前者。

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Correlation of Pacific Sea Surface Temperature with Aerosol Optical Depth over China

JIA Feng，YAN Fengqi，LI Sicong，MA Ling，WU Dong

(College of Information Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

The temporal and spatial variations of aerosol optical depth (AOD) over China were analyzed by empirical orthogonal function (EOF)，then the relationships between the AOD and sea surface temperature (SST) of the Pacific were analyzed by the singular value decomposition (SVD) using AOD of MODIS and SST of NOAA from 2001 to 2014.The results showed that:(1) There are two main modes in AOD over China，namely，the first mode and the second mode.The EOF1 shows that AOD variation over China is in-phase，and changes in the North China Plain reached the maximum，but this change has a trend of decreasing；the north and south China is anti-phase in EOF2； (2) SVD1 shows that AOD over China is negatively correlated with mid-eastern Pacific SST ，and has a positive correlation with SST of area on both sides of mid-eastern Pacific;SVD2 shows AOD over northwest China is highly positive correlated with the middle latitude ocean SST of western Pacific.

Aerosol Optical Depth (AOD)，Sea Surface Temperature (SST)，Empirical Orthogonal Function (EOF)，Singular Value Decomposition (SVD)，MODIS

2015-12-21；

2016-05-02

国家自然科学基金项目(41376180).

贾峰，硕士研究生，研究方向为海洋探测技术，电子信箱：990296649@qq.com

阎逢旗，讲师，博士，研究方向为大气光学及气溶胶，电子信箱：fqyan@ouc.edu.cn

P404；P7

A

1005-9857(2016)06-0033-06