中国东部AOD等级变化及与东亚夏季风的联系

马奋华,管兆勇



中国东部AOD等级变化及与东亚夏季风的联系

马奋华,管兆勇*

(南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室,气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044)

利用2000年3月～2017年1月Terra卫星反演的最新版本C06的MODIS气溶胶光学厚度(AOD)、NCEP fnl全球业务分析数据、CMAP降水、CERES SYN1deg Ed4月平均资料、NCEP/NCAR再分析资料等,依据区域平均AOD距平的显著年际变化特征,将历年AOD划分为5个不同的污染等级,并探讨了不同污染等级的局地成因及其与季风环流的联系.结果表明,夏季中国东部地区AOD异常偏大与地面风速小、中高层季风环流系统不利于气溶胶扩散有关.气溶胶污染最重(最轻)时,气溶胶与到达地面的太阳短波辐射、地面气温、风速及降水存在密切联系;在其他污染等级下,除了与到达地面的短波辐射有密切关系外,与其他量的联系并不明显.气溶胶污染严重时,到达地面的太阳短波辐射相对减小,地面气温异常偏低,低层大气冷却,地面风速减小,地面降水呈现南多北少的变化特征;反之,气溶胶污染较轻时,到达地面的太阳短波辐射相对增加,地面气温异常偏高,低层大气加热,地面风速增大,地面降水呈现南少北多的变化特征.

中国东部地区；AOD；东亚夏季风

近几十年来,中国东部气溶胶污染日趋严重[1-4],城市地区气溶胶排放浓度最高达偏远地区排放的2.5倍[5],东部站点AOD是西部站AOD的2倍[6]. PM2.5与PM10[7]、黑碳[8-9]、矿物沙尘[10]等污染物的浓度亦均呈现较高的态势,严重影响了大气环境.同时,中国东部受季风的影响,季风活动异常可造成严重的气象灾害,影响人们的生产活动和日常生活[11].因此,气溶胶与季风被认为是影响中国东部气候环境的两大重要影响因子[12-14].

研究表明,气溶胶可影响季风变动.气溶胶通过对辐射强迫产生影响[15-18],致使海陆热力差异改变,从而影响季风.20世纪70年代以来,东亚夏季风减弱,长江中下游地区降水偏多、华北地区降水偏少,出现南涝北旱的年代际变化现象[19-23].吸收性气溶胶增加可能是导致中国中东部夏季气候产生突变的原因[24-25],而散射性气溶胶(硫酸盐气溶胶)的直接气候效应显著地减少了到达地面的太阳辐射,导致海陆温差缩小,使东亚夏季风强度减弱[26],也可能是各种气溶胶综合作用的结果[27].数值模拟结果也表明,如果模式同时考虑散射性气溶胶与吸收性气溶胶,结果也显示出气溶胶增加可使东亚夏季风减弱[28-29].

气溶胶时空变化也受季风影响.模式研究结果表明,夏季风能够影响气溶胶的浓度及空间分布[30-35].模式模拟结果表明,夏季风是气溶胶浓度变化的主要影响因子[30],而不是气溶胶的局地排放[31]. PM2.5的浓度在弱夏季风年要高于强夏季风年[32],对南亚夏季风而言,也有类似的结论[31].由季风环流变化引起的风场变化是气溶胶远距离输送的主要气象因子[35-36],而季风带来的湿空气也是气溶胶浓度下降的主要原因[34],夏季风的季节进程对气溶胶的再分布也产生影响[37].

尽管上述有关气溶胶与季风的关系有了大量研究,但不同条件下气溶胶污染的程度是不同的.如果将污染分成若干等级,这些不同等级与季风环流异常是什么关系,目前尚不是非常清楚.由于气溶胶光学厚度表征了大气柱中气溶胶对光的消散作用,其量值在一定程度上反映出大气中气溶胶浓度的大小,且有研究表明,AOD的变化特征基本上与气溶胶排放源的年(代)际变化相一致[38-41].因此,AOD被用来分析气溶胶与季风变化的联系是一较好的选择.本文将对AOD进行分级,并分析其与季风环流异常的联系,旨在认识气溶胶与季风相互作用.

1 资料与方法

为了研究中国东部夏季AOD的分布特征及其与季风环流异常的联系,本文选取2000年3月~2017年1月的数据资料.

AOD资料:搭载于Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)是美国地球观测系统(EOS)计划中用于观测全球生物和物理过程的重要仪器.它具有36个中等分辨率水平(0.25um~1um)的光谱波段,每1~2d对地球表面观测一次.本文选取MODIS最新版本C06的大气三级产品中的月平均资料,空间分辨率为1°×1°. C06资料较C05资料在地面反照率估计、气溶胶模式选择及云筛查方案等方面均有所改进[42-43],尤其是植被与非植被地表混合的地表反照率估计得到改进,使气溶胶数据集的覆盖范围从干旱半干旱地区扩展到整个大陆地区,且与地表观测网数据集(Aerosol Robotic Network,简称AERONET)比较,气溶胶的反演误差减小.本文基于其中的550nm波长范围的深蓝与暗目标算法相结合反演的AOD进行分析.

由于上午星MODIS/Terra与下午星MODIS/ Aqua过境时间不同,所测得的AOD可能不同.本文分别对MODIS/Terra与MODIS/Aqua夏季区域平均AOD的历年变化分析时发现,两星的年际变化一致,且两者差异不大.由于Terra卫星观测时间序列相对长了2a,因此本文分析时选用了Terra卫星的数据资料.

美国国家环境预报中心(NCEP)提供的业务全球分析资料:空间分辨率为1°×1°,为6h一次的逐时资料,垂直方向为21层,分析时将逐时资料处理为月平均数据资料.本文主要利用地面10m处的风速、地面2m处气温,等压面风场等物理量进行分析.

云地球辐射能量系统(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System,简称CERES)CERES SYN1deg Ed4月平均资料,空间分辨率为1°×1°.

CMAP降水资料[44],空间分辨率为2.5°×2.5°.

NCEP/NCAR再分析月平均资料[45],空间分辨率为2.5°×2.5°,垂直方向为17层,主要用于计算东亚夏季风指数.

本文所用主要方法包括距平分析、相关分析及检验等.夏季定义为6~8月,而夏季平均指6~8月平均.

2 结果与讨论

2.1 夏季不同污染等级划分与AOD分布特征

2.1.1 AOD变化与风速的关系 夏季中国东部处于污染物浓度高值区.从近17a夏季平均AOD分布可看出,中国东部包括山东、京津冀以南、山西、江苏、安徽、河南、湖北、浙江以及江西与湖南北部,AOD值均在0.6以上,AOD呈西南-东北向带状分布,且一直延伸到山东沿海.此时,地面上10m处风速在1.5m/s以下,比周围及东南沿海风速均偏小.对流层低层850hPa风场由冬季盛行的偏北风转变为夏季盛行的南风,越赤道西南气流从孟加拉湾流经南海时风速减小,同时由西南气流转变为南风气流,从华南经江淮流域到达华北时风速逐渐减小,尤其是在AOD大值区,风速达到最小,在2m/s以下.同时低层印度西南季风携带水汽经南海输送至华南,水汽通量减弱,在黄河流域以北水汽通量减小到2g/s,达到最小.

图1 2000~2016年多年平均的夏季各变量分布

方框表示中国东部地区

较大的AOD可能使到达地表的太阳辐射减小,并减小海陆温差,因而不利于夏季风增强(如孙家仁等[26,28]).而弱的地面风速亦不利于污染物的扩散,导致AOD增大(如Yan等[32]).进一步分析AOD与地面及850hPa风速的相关系数分布(图2),发现中国东部地区AOD与地面及850hPa风速大小呈负相关关系.尤其是AOD与地面风速的负相关关系(图2a)在江苏大部分地区及山东西南与河南接壤处很强,相关系数达到-0.60(通过0.05置信水平检验).说明AOD异常偏高,地面风速小;AOD异常偏低,地面风速大;反之亦然.这从观测资料分析的角度进一步说明风速越小,越不利于气溶胶等污染物扩散.

图2 2000~2016年夏季平均AOD异常与地面及850风速异常的相关系数分布

方框表示中国东部地区,黑点通过0.05置信水平检验

上述分析表明,AOD变化与地面和对流层低层风速变化关系密切.但在不同AOD大小的变化情况下风速及大气环流则不能很好地刻画.为此,首先依据AOD数值变化划分污染程度等级.

2.1.2 污染程度的等级划分 对中国东部地区[110~121°E,27.5~40°N]求AOD历年夏季区域平均值(记为[AOD]),并给出历年[AOD]的距平变化(图3).从历年AOD变化特征看,[AOD]距平分布总体呈现先增长后下降的趋势,但年际变化也很明显.有些年份如2007、2008、2010、2011、2014年,[AOD]值比平均值高出0.1以上,甚至个别年份高出平均值0.2以上;有些年份如2000、2013、2016年,[AOD]值比平均值低0.1,尤其是2016年夏季比平均值低0.2以上.这说明近17a,中国东部区域平均AOD值的年际差异比较大.

依据[AOD]距平值的不同大小范围,将近17a气溶胶的污染程度划分为5级(表1),即污染严重、污染重、污染较重、污染轻、污染较轻,相应地定义污染等级为Level-Ⅴ、Level-Ⅳ、Level-Ⅲ、Level-Ⅱ、Level-Ⅰ,并对应相应的年份.本文从这5个等级出发,研究季风环流对气溶胶的影响.

按照5个不同等级的年份,合成分析了不同污染等级下中国东部夏季AOD距平分布(图4).由图4可以明显看出,随着AOD从Levlel-Ⅰ变化到Level-Ⅴ,中国东部区域尤其是北京、天津、河北南部以及山东半岛以西AOD距平从负值逐渐变为正值,且距平值越来越大,到Level-Ⅴ级时,整个中国东部及周边地区均为正距平区,AOD北高南低,与Wang等[45]分析结果一致.Level-Ⅴ与Level-Ⅰ相比,AOD距平差达到0.6(均通过了0.10置信水平距平差值检验),说明中国东部AOD在不同分级之间不仅区域平均差异大,而且区域分布特征也明显不同.

图3 2000~2016年中国东部夏季区域平均值距平的逐年变化

直线为线性趋势,曲线为二次拟合分布,2称为决定系数,表示二次曲线的拟合程度高低

表1 中国东部气溶胶污染分级

图4 不同污染等级下中国东部夏季AOD距平的分布

方框表示中国东部地区,黑点表示通过0.10置信水平检验

2.2 不同等级污染的局地成因及可能影响

中国东部污染不同等级与地面10m处风速距平大小有关.由图5可见,污染较轻时(Level-Ⅰ),整个中国东部地面风速距平值为正,最大正距平达到0.3m/s.随着污染的加重(Level-Ⅱ到Level-Ⅳ),风速距平分布变化明显,但变化规律不明显.到污染最重时(Level-Ⅴ),除津京冀一带整个中国东部风速距平变化为负值,尤其是东部沿海地区风速距平变化最大,与历年平均风速相比减小最明显.对比Level-Ⅴ与Level-Ⅰ两级地面风速距平分布可以说明,中国东部地区AOD异常偏高时,对应地面风速小,AOD异常偏低时,对应地面风速大.反之也说明,地面风速大,AOD小;地面风速小,AOD大.地面风速大小,是AOD异常分布的影响因子之一,风速大,气溶胶容易扩散;风速小,气溶胶容易积聚.但在津京冀一带,污染较轻与污染较重的情况下,地面风速距平大小与其他区域表现出相反的变化特征,即污染较轻时,地面风速距平值为负,污染较重时,地面风速距平值为正,这说明尚有其他原因导致AOD的异常.

图5 不同污染等级下中国东部夏季地面10m处地面风速距平的分布

方框表示中国东部地区,黑点表示通过0.10置信水平检验

图6 不同污染等级下中国东部夏季晴空地面向下的短波辐射距平的分布

方框表示中国东部地区,黑点表示通过0.10置信水平检验

不考虑云的影响,气溶胶污染明显使得到达地面的太阳短波辐射通量减小.由图6可见,污染较轻时(Level-Ⅰ),到达地面的太阳短波辐射通量距平值为正,正距平为8W/m2以上的区域几乎覆盖了整个中国东部地区,与AOD负距平分布区域范围几乎一致(图4,Level-Ⅰ).随着污染的逐步加剧(Level-Ⅱ~Level-Ⅳ),到达地面的太阳短波辐射通量距平分布发生明显变化,这种变化特征基本上与AOD距平分布呈一致的反相变化关系,即在AOD负距平区,短波辐射通量为正距平,AOD正距平区,短波辐射通量为负距平区.达到污染最严重时(Level-Ⅴ),整个中国东部短波辐射通量为负距平区,污染最重的北京、天津、河北南部及河南北部,短波辐射通量负距平值达最大,为-6W/m2.这种AOD与辐射异常的反相分布的相关关系很好地反映了气溶胶对到达地面的太阳短波辐射通量的影响.但反过来,因短波辐射的减少而导致大气层结稳定度的改变进而影响AOD变化的过程仍需深入探讨.

不同污染等级下的辐射变化可影响中国东部夏季地面2m气温的距平分布.由图7可见,气溶胶污染较轻时(Level-Ⅰ),地面气温距平值为正.污染逐步加剧时(Level-Ⅱ到Level-Ⅳ),地面气温距平分布发生变化,但与AOD距平分布(图4,Level-Ⅱ到Level-Ⅳ)变化对应关系较差.当气溶胶污染严重时(Level-Ⅴ),中国东部地区除京津冀南边小范围为正距平外,其他地区地面气温距平均为负值.对比Level-Ⅰ与Level-Ⅴ等级下AOD与地面气温的距平分布特征发现,AOD异常偏高时,地面气温相对下降;AOD异常偏低时,地面气温相对增高.这说明因气溶胶污染,使到达地面的太阳短波辐射减小,造成地面气温降低.反过来也说明,当地面气温距平值较大,地面气温较高时,地面边界层内对流容易发生,气溶胶较易向高层扩散,可能使区域气溶胶浓度降低;当地面气温距平值较小,地面气温较低时,地面边界层内对流不易发生,气溶胶不易向高层扩散,可能使区域气溶浓度增加.同时从上述分析发现,气溶胶对地面气温的影响,取决于气溶胶污染的程度.

图7 不同污染等级下中国东部夏季地面2m处气温距平的分布

方框表示中国东部地区,黑点表示通过0.10置信水平检验

图8 不同污染等级下中国东部夏季地面降水距平的分布

方框表示中国东部地区,黑点表示通过0.10置信水平检验

不同污染等级与地面降水距平分布亦存在一定联系.由图8可见,在污染较轻时(Level-Ⅰ),中国东部江淮流域为降水负距平区,江淮流域以北至京津冀陕一带为降水正距平区,降水呈现“南少北多”的分布特征.而污染严重时(Level-Ⅴ),中国东部长江流域为降水正距平区,淮河流域及以北地区为降水负距平区,降水呈现南多北少的分布特征,这种分布特征与Menon等[25]数值试验结果一致,说明异常气溶胶变化与降水异常存在着可能的联系.但在其他污染等级下(Level-Ⅱ~Level-Ⅳ),AOD距平分布与降水距平分布关系不是很明显.

综合以上分析可见,AOD异常偏高时(北高南低),气溶胶污染使得到达地面的太阳短波辐射减小,地面气温下降,大气冷却,地面风速减小,地面降水呈现南多北少的变化特征;AOD异常偏低时(北低南高),到达地面的太阳短波辐射增加,地面气温相对增高,大气加热,地面风速增加,地面降水呈现南少北多的变化特征.这些结论从年际变化和观测证据角度,进一步说明气溶胶直接效应造成中国东部气候变化的事实.

2.3 气溶胶不同污染等级与季风环流的联系

2.3.1 夏季风强度与气溶胶的联系 为探讨东亚夏季风强度与气溶胶的联系,计算了2000~2016年夏季反映东西海陆热力差对照指数(施能等[47];赵平等[48]),纬向风距平差指数(张庆云等[49];Wang等[50]),经向风距平指数(Wu等[51];Wang等[52]),既考虑海陆热力对照又考虑纬向风切变的指数(祝丛文等[53])以及风速大小指数(Wang等[54]),并求历年各指数标准化距平与历年中国东部区域平均[AOD]标准化距平的相关系数(表2).由表2可见,这8种夏季风指数与AOD的相关,有4种为负相关关系,分别为SNZQYWB及WYF指数,有4种为正相关关系,分别为ZPWAMZCW及WHJ指数,且各指数与AOD的相关系性都不是很大,均没有通过0.10置性水平检验.说明各指数在表征东亚夏季风强度方面虽然都有各自的优势,且能分析判断东亚夏季风的强弱,但在判断大气环流场对AOD的影响方面却不是最好的表征量.这也从另一方面说明,大气环流对AOD的影响是多方面综合作用的结果,影响比较复杂.

表2 各类夏季风指数与AOD的相关系数

2.3.2 季风环流与气溶胶AOD变化的联系 不同污染等级下850hPa与200hPa旋转风与辐散风的距平分布呈现较为复杂的特征.由图9可见,污染较轻时(Level-Ⅰ),中国东部低层850hPa受异常反气旋式环流西侧的异常东南气流所控制,高层200hPa上受平直的异常西风气流控制,这样低层利于暖湿气流而高层利于干冷气流存在,利于造成对流层中上层对流活动;污染严重时(Level-Ⅴ),对流层低层受气旋式异常环流控制,高层受异常西南-南风气流控制,再加上地面风速减小,气温降低,抑制了季风区对流的发生,利于对流层低层污染的积聚.

注意到在Level-Ⅴ等级和Level-Ⅰ等级上环流异常的分布型并未明显相反,这说明气溶胶污染与季风环流的关系并不是一种线性的变化关系,这也是为什么表2中各季风指数与AOD相关系数较小的原因.

黑色(细灰)代表U,V风场均没通过(均通过)0.1置信水平检验,粗灰代表U,V其中一个量通过0.1置信水平检验

2.4 讨论

由于重污染与轻污染发生时季风环流异常型并不完全相反,说明AOD变化与季风环流变化并无显著的线性关系,这也说明了虽然东亚夏季风指数在表征东亚夏季风强度方面都有各自的优势,但在判断环流异常对AOD影响方面却不是最好的表征量.如何提取AOD年际变化和季风环流变化密切联系的相关信息仍是一个有待解决的问题.

还需要说明,由于MODIS气溶胶光学厚度资料时间序列长度不足,且在AOD反演过程中可能存在一定误差,文中结果尚需用模式或更长的时间序列进一步验证.

3 结论

3.1 通过对AOD距平年际变化不同等级的划分,将中国东部污染划分为5个由轻至重的不同等级,并分析了AOD与环流异常的联系.当中国东部AOD值较高时,地面风速比周边地区小,对流层低层流场比周边地区弱,这种负相关关系的变化特征在AOD与地面风速的相关分布上表现最明显.

3.2 气溶胶污染最重与最轻时(Level-Ⅴ与Level-Ⅰ级),气溶胶与到达地面的太阳短波辐射、地面气温、风速及降水存在密切的联系,其他污染等级下(Level-Ⅱ到Level-Ⅳ级),除了与到达地面的短波辐射有联系外,与其他变量的关系并不十分密切.

3.3 AOD异常偏高时(北高南低),到达地面的太阳短波辐射相对偏小,地面气温相对偏低,地面风速减小,地面降水呈现南多北少的变化特征;相反,AOD异常偏低时(北低南高),到达地面的太阳短波辐射相对偏大,地面气温相对偏高,地面风速加大,地面降水呈现“南少北多”的变化特征.

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致谢：所用MODIS气溶胶光学厚度资料由MODIS大气资料中心提供(https://modis-atmosphere.gsfc.nasa.gov/);NCEPfnl资料、CMAP降水资料及NCEP/NCAR资料由NOAA的地球系统研究实验室提供(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/tables/monthly.html);所用辐射资料为云地球辐射能量系统资料(https://ceres.larc.nasa.gov/ products- info.php?product=SYN1deg),利用Grads软件软件绘制了本文插图.

Features of graded AOD in East China in association with East Asian summer monsoon anomalies.

MA Fen-hua, GUAN Zhao-yong*

(Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change, Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)., 2018,38(9)：3201~3210

Using the data of the latest-released aerosol optical thickness (AOD) (Collection 6) as derived from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on the Terra spacecraft, the Final Operational Global Analysis data (NCEP FNL) from National Centers for Environmental Prediction, Climate Prediction Center (CPC) Merged Analysis of Precipitation (CMAP), CERES syn1deg Ed4monthly average data, NCEP/National Center for Atmospheric Research (NCAR) reanalysis data from March 2000 to February 2017, we have investigated the features of variations of graded AOD and their related circulation anomalies. As per the interannual variations of AOD averaged over the eastern part of China, the AOD is divided into 5 different levels, which corresponds to 5pollution grades. The results show that the anomalies of AOD in East China are larger when the surface wind speed is weaker together with the unfavorable aerosol diffusion condition of the anomalous monsoon circulation in the middle and high troposphere. When the aerosol pollution is strongest (weakest), variations of AOD is strongly related to the variations of the solar radiation at the earth surface, surface temperature, wind speed, and precipitation. At other AOD levels, the air pollution is significantly related to the surface solar radiation rather than other variables. When the air pollution is severe, the solar radiation at the earth surface is relatively lower, along with the lower surface temperature. The atmosphere in lower troposphere is cooling, and the wind speed is weakening. Meanwhile, the more precipitation occurs in the southern and less in the northern part of the eastern China. On the other hand, when the air pollution is very light, the solar radiation that reaches the earth surface will increase, and the surface air temperature gets higher. At this time, the surface wind will get stronger, and less precipitation will be received in the southern and more in the northern part of East China.

East China；aerosol optical depth (AOD)；East Asian summer monsoon

X16

A

1000-6923(2018)09-3201-10

马奋华(1974-),女,山西忻州人,副编审,硕士,研究方向为区域气候变化.发表论文3篇.

2018-01-14

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB403406);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

* 责任作者, 教授, guanzy@nuist.edu.cn