云贵高原气溶胶分布的区域与气候特征

廖瑶，杨富燕，罗宇翔，赵天良，尚媛媛，郑小波

1. 贵州省山地环境气候研究所/贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州 贵阳 550002；2. 贵州东方世纪科技股份有限公司，贵州 贵阳 550000；3. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室，江苏 南京 210044；4. 贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002

大气气溶胶通常是指悬浮在大气中的颗粒与气体载体共同组成的多相体系，这些颗粒可由人为活动和自然活动产生，典型的人为活动有化石燃料的燃烧、秸秆燃烧、汽车排放、以及其他工业活动等，而自然活动有沙尘、森林火灾及海盐泡沫等。大气气溶胶作为气候变化中最不确定的因素，对空气质量具有重要影响及对人体健康具有潜在危害而受到了极大的关注（Monks et al.，2009；Crouse et al.，2016）。气溶胶主要通过其直接效应和间接效应影响气候。气溶胶的散射、吸收和长波辐射可对气候产生直接影响，即直接效应；同时作为云凝结核（CCN）决定云的微物理特征而间接对气候产生影响，即为间接效应。气溶胶对人体健康的影响与气溶胶直径有关，气溶胶颗粒越细，对人体健康的危害就越大，能造成呼吸道和心血管疾病，缩短预期寿命（Schwartz et al.，1996；Pope et al.，2009）。因而很多国家都将大气气溶胶颗粒物纳入空气质量监测体系，中国在 2012年颁布了《环境空气质量标准》（GB3095—2012），建立了覆盖所有地级市的包括颗粒物（PM2.5、PM10）监测的空气质量监测站，并将颗粒物监测值作为评价空气质量指数（AQI）的关键因子。气溶胶光学厚度（AOD）作为表征气溶胶光学特性的重要因子，反映了气溶胶对光的衰减作用，常被用于间接推算气溶胶含量，进而用于评价气溶胶的气候效应、评估大气污染程度（Ramachandran，2007）。

地面和卫星观测是目前测量大气气溶胶特性的两种重要方式。地基太阳光度计遥感气溶胶光学厚度是目前气溶胶遥感中最准确的方法，其具有窄视场角，测量的AOD受地表和气溶胶前向散射的影响很小，精度很高，不确定性仅为 0.01－0.02（Holben et al.，1998），通常用来校验卫星遥感产品。NASA在全球建立了地面太阳光度计观测网（AERONET）（Holben et al.，2001），中国气象局也建立了气溶胶地基监测网（CARSNET）（Xie et al.，2011）。AERONET共有分布于全球各地的400余个观测站，采用的是法国的 CIMEL太阳光度计（延昊等，2006），这些观测站网在卫星遥感气溶胶特性的真实性检验、气溶胶类型以及气候效应评估方面起着重要作用。大气气溶胶具有分布范围广，空间异质性大的特性，要想获得大范围、长时期的AOD分布情况，只能依赖于卫星遥感观测。卫星遥感探测气溶胶方法具有覆盖面积广，效费比高，时效性强等优点，得到了迅速发展，国内外多颗卫星观测数据都可用于反演 AOD产品，如国外的MODIS、MISR、Calipso以及国内的风云3号系列卫星、环境1号系列卫星等。搭载于EOS卫星上的MODIS传感器反演的气溶胶产品已经从最初的第4版（Collection 4，简称C4）发展到现在的第6版（Collection 6，简称C6），其产品在全球及中国区域已经过大量的验证（Remer et al.，2003；李晓静等，2009；He et al.，2010；Nichol et al.，2016；Liu et al.，2016；赵仕伟等，2017），表现出良好的数据质量，加上其数据具有较高的时空分辨率，因而在区域环境和模式对比研究中得到了广泛的应用（Adhikary et al.，2008；Carnevale et al.，2011；董自鹏等，2014）。

MODIS第 6版数据新增的深蓝算法实现了亮背景下的 AOD反演，扩大了AOD的时空覆盖率（Sayer et al.，2015）。第6版的MODIS气溶胶产品经全球AERONET站点的验证，结果表明70.8%的验证点落在15%的期望误差范围内（Levy et al.，2013），达到设计的精度目标。不同于第 5版（Collection 5，简称C5）Level 2产品只提供10 km分辨率的数据，C6版除提供10 km分辨率的产品外，还提供暗像元算法反演的3 km分辨率的产品。新增的3 km数据的优点是能表现局部的气溶胶梯度及城市尺度的特征，能减少异常值的空间影响，但是缺点是可能引入噪声。3 km气溶胶产品经过了一系列的验证，包括全球范围（Remer et al.，2013）和中国区域的验证（赵仕伟等，2017；Ma et al.，2016），验证结果表明3 km数据能够满足气候和环境研究的要求，可用于区域气溶胶光学特征变化的分析。由于气溶胶的物理和化学性质，影响其时空分布的因素很多。首先是其生成就分为人为源和自然源；其次是气溶胶的转化、传输和沉降受到大气和气候条件的影响（Cuhadaroglu et al.，1997；林俊等，2009；Wang et al.，2015；Tan et al.，2015）。因而在分析中国气溶胶时空分布及变化特征时，主要考虑排放清单（Streets et al.，2003；Streets et al.，2008；Lei et al.，2011）和气候因素（Bao et al.，2009；Liu et al.，2011；Zheng et al.，2015）。罗宇翔等（2012）、郑小波等（2011；2012）使用MODIS AOD产品分析表明云贵高原是中国年平均AOD的最低值区域之一，但之前的学者研究使用的多是分辨率较低的1°×1°（110 km×110 km）的数据，无法精确反映如云贵高原这种地形复杂、地貌多样条件下的区域分布和城市级AOD的精细分布和变化，故用最新的 3 km分辨率的 MODIS产品对云贵高原AOD分布及变化进行研究很有必要，以便了解复杂地形条件下区域尺度的气溶胶时空分布和变化情况，为高原建设生态文明示范区提供参考。

1 资料与方法

1.1 云贵高原概况

云贵高原包括贵州和云南两省及其毗连地区，处于青藏高原向湖南、广西丘陵山地的过渡地带。整个高原海拔变化较为显着，地势由北向南大致可分为3个梯级，第一级海拔一般在3000－4000 m之间，许多山峰海拔还可达到5000 m以上，第二梯层为中部高原主体，海拔一般在2300－2600 m之间，第三梯层则为西南部、南部和东南部边缘地区，分布着海拔1200－1400 m的山地、丘陵和海拔小于1000 m的盆地和河谷。云贵高原以乌蒙山脉（103°E）分为东、西两部，在冬季，大部分冷空气被阻挡在了云贵高原东部，仅有少部分较强冷空气能越过乌蒙山脉进入云贵高原西部（段旭等，2018）。受地形的限制，云贵高原城市的区域较为集中，均分布于高原的盆地之中。如高原最大的省会城市之一贵阳，城市建成区面积仅约 300 km2（2016年数据）。为了便于研究，本文将云贵高原定义为云、贵两省的行政区域范围，并将其两省间乌蒙山脉为界的东部定义为贵州区域，西部定义为云南区域。

1.2 资料选取

选取了 2001年 1月－2017年 2月 TERRA MODIS C6版二级3 km 550 nm的高分辨率AOD数据集（MOD04_3 k）进行分析研究，该产品是使用的暗像元算法（DT）反演的，产品下载自 NASA网站（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）。第6版新提供的该3 km产品能更好地描述较小区域气溶胶的空间分布（Munchak et al.，2013）。同时，从夏威夷大学网站下载了 2001－2016年之间的季风指数（ISMI）（http://apdrc.soest.hawaii.edu/）。

1.3 研究方法

每个反演的MODIS AOD数据都有一个质量标志（QAC），QAC为3，2，1，0时分别代表AOD质量为最好、好、临界和不可靠。为了控制计算结果的不确定性，提取了反演质量最好的点（QAC=3）参与计算。为得到气溶胶产品的长期变化，将获取的AOD数据进行反距离权重插值，得到分辨率为5 km的AOD格点产品，然后再作图分析。考虑到卫星观测结果的不确定性以及缺值问题，在计算AOD区域平均值时，将一天中云贵高原区域内有效数据格点数小于200个的天数进行剔除。在计算季节平均时，以3月、4月和5月平均值作为春季，6月、7月和8月作为夏季，9月、10月和11月作为秋季，12月和次年1月、2月作为冬季。计算AOD长期变化趋势时，采用线性回归。为分析亚洲夏季季风气候对云贵高原AOD的影响，选取这16年中的强季风年（2014年，季风指数：0.198）和弱季风年（2015年，季风指数：-2.382）的AOD数据进行对比分析。

2 结果分析

本文利用了MODIS的3 km高分辨率AOD数据，主要分析云贵高原复杂地形条件下AOD的空间分布、季节分布和年际变化趋势，以揭示云贵高原各区域、城市尺度大气环境状况和云贵高原大气环境变化情况。

2.1 空间分布

图1所示为云贵高原多年平均AOD空间区域分布。云贵高原年平均AOD空间分布大体呈现东高西低，以乌蒙山脉为界，体现了复杂的大地形对气溶胶分布的重要影响作用。AOD分布存在6个高值区（0.6以上），其中5个AOD高值区位于贵州境内，分别位于贵州省北部（遵义市1个、铜仁市2个）、东南部和省会贵阳，剩下的1个AOD高值区位于云南的省会城市昆明。高值区中，昆明和贵阳两个高值区为孤立形态，即与周围区域AOD值差异较大，作为云贵高原最大的两个省会城市，其气溶胶主要来源于本地排放，受周围的传输影响较小。遵义市和铜仁市东边的高值区与这两个地州级市区的盆地范围大致吻合，表明其主要也来自本地排放。其余两个高值区并不处于城市地区，加上这两个地区海拔较低，表明这两个高值区的气溶胶除来自本地排放外，可能还有相当部分是从其他区域传输而来的。如贵州北部、东部和南部边缘低海拔地区的次高值区（0.4左右）毗邻中国气溶胶的高值区之一的四川盆地，在一些季节很可能受这些区域气溶胶传输的影响。

图1 云贵高原多年平均遥感气溶胶光学厚度分布（NASA，2001－2016, 550nm）Fig. 1 Distribution of annual averages of aerosol optical depth (AOD,550 nm) over the Yunnan-Guizhou Plateau (YGP) in 2001-2016(Data from NASA)

AOD低值区（AOD＜0.2）主要位于贵州西部海拔较高地区和云南大部分高海拔地区。其分布与海拔高度呈显著的负相关关系，在低海拔地区（1500 m以下），AOD均值大多在0.2以上；高海拔地区（1500 m以上）AOD绝大部分均低于0.2。究其原因，云贵高原西部高海拔地区人口密度低，而且植被覆盖度高，特别是云贵高原西北部与青藏高原接壤地区，人口密度最低，本地排放源较少，故AOD值也非常低。

综上所述，地形地貌、人口密度、区域传输是主要决定云贵高原多年AOD空间分布的主要因素。高分辨率AOD数据很好地呈现出了云贵高原气溶胶多年平均分布较详细的特征，这些较高分辨的AOD不同分布梯度特征是对地形地貌、排放源条件的响应。

2.2 季节分布

图2所示为云贵高原区域4个季节的平均AOD分布。4个季节平均差异较大，反映出不同季节人类活动的交替和气象条件的差异。如春秋季从事农事活动时生物质的大量燃烧，对人为气溶胶的排放贡献产生较大影响；又如不同季节风速、降水的不同，对气溶胶的清除作用也有差异。

图2 云贵高原AOD季节分布Fig. 2 Distribution of seasonal averages of AOD over the YGP in spring (a), summer (b), fall (c) and winter (d) in 2001-2016

（1）春季。图2a表明，云贵高原春季AOD整体较高，由于云贵高原地区春耕和收获时生物质燃烧，加上干燥的西南风引起的森林火险，使得云贵高原AOD高值明显，其中贵州大部、贵阳、昆明高值达到0.6左右。另外，春季贵州以西南风向为主，东南亚AOD高值区的气溶胶也可能向北传输入贵州境内，另外，每年初春季也会有多次东北冷空气来袭（即倒春寒），会将东部地区浓度较高的气溶胶带入贵州境内。同时云南AOD值从西南边缘向北部递减，且高值主要分布在西南部较低海拔地区（1500 m以下），表明这些区域主要受西南方向毗邻的东南亚气溶胶影响（罗运阔等，2010）。

（2）夏季。图 2b表明，由于季风影响，云贵高原地区进入主汛期，导致云贵高原东部夏季AOD较春季明显下降，高值区面积整体缩小，云贵高原西南部低海拔地区，AOD也明显下降。由于生物质燃烧和森林火灾的减少，降水和光照增加较多，植被生长茂盛，导致该地区AOD降幅较大。高值区域明显位于贵州东北部、贵阳和昆明等城市地区，且云南北部和中东部高值区扩大，城市尺度分布明显，这与该区域夏季人类活动增加及静稳天气增多有关（张云等，2016）。

（3）秋季。图2c表明，秋季AOD在夏季基础上继续下降，高值区域范围明显缩小，且只有昆明小部分和贵州北部小区域（遵义、铜仁）存在大于0.6的区域。云贵高原东部达到一年中的最小值，云贵高原西部也达到一年中的次低值。

（4）冬季。图 2d表明，云贵高原地区东部冬季AOD相比秋季增加明显，特别是贵州北部AOD均值达0.6以上的高值区域明显扩大，这除了与冬季取暖等活动造成的本地排放增多有关外，还与冬季云贵高原以外的东部和北部气溶胶高值区有关，因冬季云贵高原东部盛行东北风，区域传输影响较大。而高原西部的AOD继续下降，整体下降到0.2以下，为云贵高原西部一年中的最低值。

2.3 气候对气溶胶分布的影响

气候条件对气溶胶的分布具有较大影响，大气运动对气溶胶的扩散和传输具有决定性作用。已有研究认为，在长期的年际尺度上，中国大陆东亚季风强度的变化引起风速和降雨的变化进而改变气溶胶浓度变化（Cheng et al.，2016）。云贵高原属于典型的季风气候区，季风强度变化会引起大气环流和降水的变化，进而影响气溶胶的传输和沉降。以近16年南亚季风强年（2014年）和弱年（2015年）为例，计算这两年6－9月AOD均值与这16年（2001－2016年）6－9月AOD均值距平，即求这两年夏季风AOD的距平，结果见图3。

图3 强季风年和弱季风年AOD距平空间分布Fig. 3 Distribution of AOD anomalies in JJAS (June, July, August, September) averages in strong (a) and weak (b) monsoon years over the YGP

从图3可知，在强季风年的2014年，与常年相比，AOD分布特征表现为大部分地区呈负距平，比常年偏低 0.1－0.3，但也存在正距平的区域，这些区域主要分布在乌蒙山附近及贵州中北部，比常年偏高 0－0.3，主要分布于26°N以北地区，形成北高南低的分布特征；在弱季风的 2015年，与常年相比，AOD分布特征同样表现为大部分区域的负距平，比常年偏低 0.1－0.3，同样也存在正距平的区域，但正距平区域和 2014年相比，明显南移，主要位于 25°N以南的云南地区，形成南高北低的分布特征。由于排放清单不太可能在相邻的年份发生较大变化，因此云贵高原在2014年和2015年距平呈现出来的反相位分布可能主要反映了亚洲季风强度对气溶胶年际变化的影响。

2.4 月际和年际间变化趋势

以乌蒙山为界将云贵高原粗略划分为东部（贵州）和西部（云南）两个区域，分析两个区域的月平均AOD的变化特征。从图4b可知，近16年以来，西部的月AOD在0.02－0.28之间变动，月际间变幅较大，最大月与最小月相差 10倍，具有明显的季节性特征。低值出现的月份为11－12月和1－2月，AOD月值低于0.04，高值出现于3－4月和7－9月，最高值出现于3月，达到0.28，即高值出现在春夏季，低值出现在秋冬季。从图 4b可知，西部多年月均AOD值为0.13，与全球陆上平均AOD的均值0.19相比（Remer et al.，2008），云贵高原西部的气溶胶浓度很低。

从图4c可知，高原东部的月平均AOD为0.19－0.47，也表现出明显的季节性差异，但季节差异弱于西部。低值（＜0.26）主要出现在10－12月，高值（＞0.36）出现在3－4月、6月和1月，高值主要分布于春季、夏季和冬季，这主要与春季多发的森林火险和夏季人类活动的增加有关。东部多年月均AOD的均值为0.32，明显高于西部的0.13。从图4a可知，云贵高原总的月均AOD变化趋势与云南比较接近，高原总体均值为0.19。

图4 2001－2016年（a）云贵高原，（b）云南和（c）贵州AOD月变化特征Fig. 4 Monthly AOD time series in (a) YGP, (b)Yunnan and (c) Guizhou of 2001-2016

在云贵高原西部，由于常年盛行西南风，基本不受中国中东部气溶胶的传输影响，加上东南亚地区经济发展较落后，除春季东南亚地区有森林火险产生的排放传输入云南境内低海拔地区以外，其他季节基本只受本地排放影响。在云贵高原东部，夏季主要受湿润的西南季风影响，而冬季主要受东北季风影响，因而冬季除本地排放外，其东部海拔较低地区还受到周边 AOD较高地区的传输影响。由于这些人为排放和气象因素对气溶胶的影响交织在一起，云贵高原东部AOD的月变化较为复杂。

近 16年来，云贵高原东部和西部表现出相同的变化趋势（图5），即均出现整体降低趋势，但是高原东西部的AOD下降趋势差别较大。从图5a可知，云贵高原年平均AOD下降率约为-0.021/10a。图5b表明，云贵高原西部的年AOD呈现的下降趋势较弱，下降的速率为-0.003/10a，但其中 2001－2011年间呈微弱的增加趋势，之后呈较快的下降趋势。图5c表明，云贵高原东部年AOD呈现的下降趋势明显强于西部，下降速率为-0.059/10a，其中在2001－2011年之间呈波动上升趋势，2011年以后出现明显下降（通过95%置信度检验）。

图5 云贵高原AOD年变化Fig. 5 Annual variation of AOD over the YGP

这种下降变化趋势的差异可能与高原地形地貌有关。乌蒙山作为云贵高原东西两侧的分界线，影响其两侧地区气溶胶年际间变化的气象因子也略有不同。高原西部常年受西南风影响（冬季云南本应吹西北风，但由于伊朗高原、青藏高原的阻挡，影响云南的风绕行而成为偏西风），加上云南整体海拔较高，较少受区域传输影响；而东部夏季受西南季风影响，冬季受东北季风影响，不同季节的季风风向和湿度不同，因而改变气溶胶的传输路径和降水的清除作用。

3 讨论

使用MODIS 3km分辨率气溶胶产品分析了云贵高原AOD多年平均分布情况，得到“东高西低”的分布形态，这钟分布形态与田永丽等（2010）使用2010年MODIS数据的研究结果一致，也与郑小波等（2010）使用 1961－2006年的大气能见度数据研究得出的结果相符。多年平均AOD的数值与罗宇翔等（2012）使用 MODIS 5.1 版（Collection 5.1，简称C5.1）2001－2010年110 km×110 km分辨率AOD数据得出的云贵高原年平均AOD在0.2－0.4间的结果接近。这表明MODIS 3km气溶胶产品的分析结果是可靠的。云贵高原AOD值常年处于较低水平，这与长期地面空气质量观测资料的分析相一致（肖悦等，2017），多种资料的分析都表明云贵高原确属空气质量的常年优良区。

研究表明东南亚大面积生物质燃烧对我国西南部气溶胶有重要影响（张云等，2016），境外排放对西部云贵高原二次有机气溶胶柱浓度的贡献大于污染较重的东部地区（陈卓等，2016），因而云贵高原 AOD的分布特征，除受本地排放源影响外，高原海拔较低地区AOD的分布特征可能受周边气溶胶传输影响。

云贵高原东西部气溶胶变化的趋势虽然相同，但2011年以来东西部AOD递减率差别较大，究竟是排放变化的原因还是不同区域气候条件的差异？这其中的原因还需要进一步详细的研究。

4 结论

云贵高原气溶胶光学厚度的分布与地形、人口、季节和气候有关。根据云贵高原的地形特点，使用较高分辨率的3 km的AOD数据后，根据其AOD分布差异较大基本以乌蒙山为界的空间特征，把云贵高原分为东、西两部分进行了分析。根据以上分析，高原气溶胶的区域分布与气候特征可归纳如下：

（1）云贵高原东部和西部AOD空间分布差异较大，形成“东高西低”分布形态。高原东部，多年平均AOD为0.32，西部为0.13，东西部差异可达到0.19。高原AOD区域性分布特征明显，高值区域主要分布于高原两个最大的省会城市昆明、贵阳、贵州东北部和贵州东南部。

（2）在云贵高原东部，AOD高值多出现在 1月、3－4月和6月；低值多出现在10－12月。在高原西部，AOD大值多出现在3－4月和7－9月；低值出现在11－12月和1－2月。

（3）云贵高原气溶胶年际间变化较为明显地受到亚洲季风气候影响。以强季风年（2014）和弱季风年（2015）为例的结果显示，强季风年的 6－9月，AOD正距平呈现“北高南低”分布形态。而弱季风年的6－9月，AOD正距平则主要呈现“南高北低”型分布。

（4）近 16年来，云贵高原东部和西部气溶胶年际间变化的趋势相同，均呈总体下降的趋势。其中，2011年以来下降趋势均最为明显，但高原东部AOD年际间减少速率大于高原西部。