基于MODIS数据的中国地区气溶胶光学厚度时空变化特征*

岳 辉 刘 英# 张元敏

(1.西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054；2.中煤航测遥感集团有限公司， 陕西 西安 710199)

在工业文明和城市化建设快速发展的同时，大气污染作为工业化发展中遇到的主要难题，已成为当今世界最严重的环境问题之一[1]。人为影响下的气溶胶是大气污染的重要组成部分，可以作为大气污染的指示物，对于大气环境治理有重要影响[2-3]。目前针对气溶胶的研究手段主要有地基观测、数值模拟、遥感反演等[4]。其中利用卫星遥感技术反演气溶胶光学厚度(AOD)是近年来发展的新技术，能够弥补地基观测的不足，可快速获得大面积地表和大气的综合信息，较好地反映气溶胶光学性质的垂直分布情况[5-6]。中分辨率成像光谱仪(MODIS)传感器是用于观测全球生物和物理过程的重要仪器，可用于对陆表、生物圈、大气和海洋进行长期全球观测。

为加强气溶胶在我国大气环境变化作用的认识，相关学者利用FY系列卫星、HJ卫星和GF系列卫星进行了AOD反演，但反演的总体精度和时间分辨率均不及MODIS数据[7-9]。MODIS的C6版产品为当前最新的融合AOD产品。MODIS AOD产品采用陆地植被暗像元方法(DT)和深蓝通道算法(DB)分别获取陆地植被、沙漠等区域的气溶胶信息，采用水体DT特性获取海洋区域的气溶胶信息，由于产品具有较高的时空分辨率，数据质量良好，因此在空气污染研究领域得到最广泛的应用[10-13]。MODIS AOD产品为准确研究全国气溶胶时空变化特征和光学特性提供了科学前提，同时也为准确评估MODIS气溶胶产品在我国的适用性提供了可能[14-16]。

本研究利用遥感手段对MODIS AOD产品数据进行分析，从多个角度分析2007—2017年中国地区的AOD变化规律和分布特征，利用长时间的遥感监测结果为环境治理提供一定的依据和前提，为政府的相关治理提供一定的参考，对于生态环境的改善具有重要意义。

1 数据与方法

1.1 数据介绍

本研究采用2007—2017年美国地球资源观测科学中心(EROS)提供的MODIS/AQUA C6版MYD08_M3 全球1°×1°格点月均值气溶胶产品，从中提取“AOD_550_Dark_Target_Deep_Blue_Combined_Mean_Mean”数据分析中国近10年的AOD变化特征。MODIS AOD数据需从一级大气档案分配系统(LAADS)下载(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)，从原始数据集中提取550 nm的气溶胶月数据集。为了数据的连续性，以每年3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至次年2月为冬季为标准进行季节划分；采暖期与非采暖期的采样时段分别设置在12月至次年2月及6—9月。

1.2 数据处理方法

原始数据为层次数据格式(HDF)，其中包含若干个数据集，使用MODIS转换工具包(MCTK)进行数据处理，本研究提取的是550 nm波段的“AOD_550_Dark_Target_Deep_Blue_Combined_Mean_Mean”数据。预处理工作包括数据集提取和几何重投影。AOD数据无量纲，取值范围在0～1，0代表完全透明大气，1代表完全不透明大气，数值越大表明大气透过率越低。AOD主要由气溶胶质粒的数密度、气溶胶类型等物理、光学属性来决定。

1.3 趋势分析

采用一元线性回归分析法来分析各个栅格单元的变化趋势，根据式(1)计算AOD随时间的回归斜率，进而分析研究时段内AOD的总体变化情况。

(1)

式中：θslope为AOD的回归斜率；n为统计年数；xi为第i年的AOD。通过使用ArcGIS中的栅格计算功能可得到2007—2017年AOD的变化趋势。若θslope>0说明像元AOD在11年间呈现增长趋势，θslope=0说明像元AOD在11年间未发生变化，θslope<0说明像元AOD在11年间呈减少趋势。

2 结果与讨论

2.1 中国AOD的时间变化趋势

2007—2017年中国AOD年际变化趋势如图1所示。由图1可见，11年间中国AOD年均值总体在0.40～0.55波动，平均值为0.48。2007—2017年中国年均AOD降低了0.06。从中国AOD变化趋势统计结果(见表1)可知，11年间中国78%的地区AOD呈减少趋势，AOD基本不变的区域占14%，而AOD增加的区域最少，仅为8%。总体看来，2007—2017年中国AOD呈现缓慢下降的趋势，其中在2007—2013年变化较小，AOD主要在0.45～0.50波动，2014—2015年中国AOD出现明显上升趋势，而2016—2017年AOD大幅下降，说明近两年国家对于大气环境污染的控制和防治措施得力有效。

图1 2007—2017年中国AOD年际变化趋势Fig.1 Annual variation trends of AOD in China in 2007-2017

表1 AOD变化趋势统计

2.2 中国AOD空间分布特征动态变化

以2007、2013、2017年为典型年，中国2007、2013、2017年的AOD空间分布情况分别见图2至图4。总体看来，中国地区AOD空间分布具有较强的地域性，AOD高值区主要在华北平原、长江中下游、珠江三角洲以及新疆的塔里木盆地，AOD低值区集中在川西、滇西北与青藏高原交界一带，东北及内蒙古北部AOD也相对较低。由图2可见，2007年中国区域AOD整体上数值偏高，尤其在新疆以及中国东部部分省份，其中塔克拉玛干沙漠与腾格里沙漠是我国沙尘气溶胶的主要排放地区，高值区AOD主要集中在0.75～1.00。在西北地区南部、华中地区以及东北大兴安岭和小兴安岭、青藏高原附近等AOD低值区，AOD主要介于0.02～0.26，受人为气溶胶影响较少。2013年我国启动了《大气污染防治行动计划》，由图3可以看出，相比2007年，2013年大部分地区的AOD变化较小，但东北部分地区的AOD下降较多，受污染程度处于慢慢改善的良好趋势，全国仍有部分区域AOD依旧处于接近1的状态。由图4可见，中国2017年的AOD分布进一步趋向好转，区以及黄河、长江中下游及珠三角等区域的AOD都有了显著的下降，大部分集中在0.25～0.50，而京津冀辽鲁地区依旧是AOD高值集中区。

图2 2007年中国AOD空间分布Fig.2 Spatial distribution of AOD in China in 2007

图3 2013年中国AOD空间分布Fig.3 Sptial distribution of AOD in China in 2013

图4 2017年中国AOD空间分布Fig.4 Sptial distribution map of AOD in China in 2017

对中国2007—2017年AOD空间分布进行对比发现，AOD减少区主要位于西北地区东部、华南地区、四川盆地、内蒙古中东部以及东北三省所在区域，其中AOD减量较多的主要分布于西北地区东部、四川盆地以及东北地区，AOD减少0.19～0.37，而华南地区以及长三角地带AOD减量主要为0～0.19。AOD年均值增加区主要位于华北地区南部、西北地区的部分盆地、沙漠等地，AOD增量主要集中在0～0.19，这些区域的气溶胶污染明显上升。

2.3 中国地势高低与AOD空间分布的相关性

已有区域的AOD研究结果表明，AOD遥感观测结果与近地面大气气溶胶污染的关联程度受到研究区域地表高度的影响明显[17]，但大尺度范围AOD分布与地势情况关系研究较少。通过中国的数字高程模型(DEM)与AOD年均值分布图对比可分析得到AOD受地势高低的影响情况。AOD的高值区总体分布在西北地区新疆的南疆盆地、塔克拉玛干沙漠等沙尘集中地和东部地区(包括长三角、珠三角、四川盆地、京津冀经济带等)，部分地区的AOD年均值已达到1.00。这些地区海拔均在1 000 m以下，特殊的盆地地形非常不利于污染物的及时扩散，使得这些地区的AOD常年处于高值。AOD相对较低的区域主要位于高海拔区，青海东南部、甘肃南部地区以及大部分西藏地区都属于海拔较高的区域，这些地区海拔一般在3 000～6 000 m，AOD大部分小于0.2。

2.4 AOD季节变化特征

图5为2007—2017年中国春、夏、秋、冬四季的AOD空间分布图。由图5可知，AOD具有一定的季节变化特征，总体上呈春夏季高峰，秋季最低，冬季至次年逐步回升的变化趋势。4个季节中夏季AOD最高，AOD高值区主要分布在中国东部地区，这是因为夏季高温高湿，大气中水汽含量充沛，气溶胶吸湿可使AOD显著增加；其次是春季，尤其西北地区春季低温干燥，沙尘暴发，同时我国西北地区冷锋活动频发，这为沙尘天气提供了充分的动力条件，使得春季AOD高于秋冬季节。4个季节中，中国东部地区，特别是华北平原和京津冀地区AOD始终高于其他地区，而一直比较稳定且属于AOD低值区的是青藏高原及其附近集中地，数值位于0.02～0.08。

图5 中国2007—2017年AOD四季空间分布Fig.5 Seasonal spatial distribution of AOD in China in the period of 2007-2017

2.5 采暖期与非采暖期对比

2007—2017年中国采暖期与非采暖期内AOD平均值分布如图6所示，可以看出采暖期内中国AOD均值整体上低于非采暖期，这可能是由于非采暖期(6—9月)与采暖期(12月至次年2月)相比，水汽对于气溶胶含量的影响高于大气颗粒物。采暖期AOD较高的地区集中于中国东部，尤其是京津冀辽鲁地带明显高于其他地区，AOD平均值在0.76～1.00，其他地区AOD基本上均低于0.50。非采暖期内AOD高值区域面积明显扩大，变化较大的区域主要为四川盆地、长江三角洲地带以及新疆的沙漠分布区，相比采暖期而言，非采暖期AOD有0.2左右的增长。采暖期与非采暖期AOD均较低且数值基本无变化的地区位于青藏高原以及附近地区，是中国境内大气环境较好的区域，这与该地区的海拔高以及人口稀少有关。

3 结 论

(1) 2007—2017年中国AOD年均值在0.40～0.55波动，平均值为0.48，11年间中国AOD年均值降低0.06。11年间，中国78%的地区AOD呈减少趋势，AOD基本不变的区域占14%，而AOD增加区域仅为8%。

(2) 中国地区AOD空间分布具有较强的地域性，AOD高值区主要在华北平原、长江中下游、珠江三角洲以及新疆的塔里木盆地，AOD低值区集中在川西、滇西北与青藏高原交界一带以及东北和内蒙古北部。

图6 采暖期和非采暖期AOD对比Fig.6 AOD comparison between heating period and non-heating period

(3) 中国地区的AOD变化趋势空间差异明显，西北地区东部、四川盆地以及东北地区为主要AOD减少区，AOD下降0.19～0.37，AOD增加区主要位于华北地区南部、西北地区的部分盆地、沙漠等地，AOD增量主要集中在0～0.19。

(4) 中国AOD表现出一定的季节变化特征，总体呈现出春夏季高峰，秋季最低，冬季至次年逐步回升的变化趋势，此外采暖期内AOD整体上低于非采暖期。