基于葵花-8号气象卫星的天津地区气溶胶光学厚度分布特征

2021-09-16毕温凯高璟肖致美

天津科技 2021年8期

李鹏，毕温凯，杨宁，高璟，肖致美，陈魁

(天津市生态环境监测中心天津 300191)

0 引言

气溶胶光学厚度，AOD(Aerosol Optical Depth)或AOT(Aerosol Optical Thickness)，为介质的消光系数在垂直方向上的积分，它是气溶胶最重要的参数之一，表征大气浑浊程度的关键物理量，也是确定气溶胶气候效应的重要因素，对大气辐射平衡、空气质量等都有重要影响[1-3]。葵花-8号卫星是由日本宇宙航空研究开发机构设计制造，于2015年7月投入使用的静止气象卫星，搭载AHI传感器全圆盘观测仅需10 min，提供(60°N—60°S，80°E—160°W)范围内的气溶胶光学厚度产品[4]。AOD产品具有较高的时间和空间分辨率，在区域大气污染监测领域有很大的应用潜力[5]。

针对葵花-8号卫星AOD产品，赵垒等[6]对比2015年9月至2017年12月AERONET和葵花-8号L2级 AOD数据发现，葵花8号卫星反演的气溶胶光学厚度产品的精度存在很大的空间上的差异性，其中有48个站点Himawari-8 AOD与AERONET AOD之间存在较好的相关性(R＞0.5)，有22个站点Himawari-8卫星反演气溶胶光学厚度产品存在明显的低估现象，北京地区二者间具有良好的相关性(R＝0.79)。Wang等[7]分析华北地区8：00～16：00 Himawari-8 L2 AOD 与AERONET AOD发现，在上午9：00、10：00和11：00 Himawari-8 L2 AOD有明显的高估，而在下午13：00、14：00和15：00存在明显的低估现象。部分学者利用葵花-8号小时AOD数据逐步合成日、月、年均值，研究了典型区域AOD的时空变化特征[6,8]。本研究以天津为研究区域，利用葵花8号卫星AOD月值数据产品，分析天津2018—2019年AOD时空分布特征。

1 数据源

Himawari-8 AOD产品分为L2级和L3级，其中L3是在L2上进行严格的云筛选，并对部分无数据区域进行了插值，因而改善了产品质量[4,9]。研究中选择L3月值数据集产品，空间分辨率为5 km×5 km，时间范围为2018年1月至2019年12月，共计24个月数据集，数据从日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency)下载，网址为https：//www.eorc.jaxa.jp/ptree/index.html。用GIS软件读取Himawari-8 AOD月值数据集，根据天津行政边界提取研究区数据。在计算四季及年均值分布时，用研究区的月均值填充当前月的空值区。

2 结果与讨论

2.1 AOD整体情况

2018—2019年，天津的AOD均值为0.497，其中2018年均值为0.544，2019年均值为0.450，比2018年下降17.3%。2018—2019年AOD高值区分布基本一致，均在蓟州中东部、宝坻-武清、静海的团泊洼周边以及塘沽地区，这些区域AOD均大于0.533。蓟州中东部及静海团泊洼周边AOD较高的地区与于桥水库、独流减河-团泊洼水库基本重合，这些地区水汽条件明显优于其他地区，宝坻-武清AOD高值区与农作区高度重合，此地高值可能与农业活动相关[10]，塘沽地区为滨海新区政府驻地，天津市经济开发区位于其中，区域内工程建设及经济活动水平较高。AOD低值区分布在蓟州北部及滨海新区东南部，究其原因可能在于蓟州北部为燕山余脉，属于山地丘陵地区，人类活动水平较低，滨海新区东南部靠近渤海，多个月份AOD月值数据中均为无数据区，计算中使用了全市均值替代导致(图1)。

2.2 季节变化

从季节分布上来看，2018—2019年天津春夏秋冬AOD均值分别为0.418、0.562、0.672、0.337，表现为秋季＞夏季＞春季＞冬季(图2)。秋季AOD出现极大值的原因一方面在于秋季农业活动强度明显增强，另一方面由于本地河网密布，气温差拉大，很容易出现辐射雾，导致吸湿增长增加消光系数；冬季AOD最低的原因是，一方面冬季AOD本身较低，另一方面冬季地表反射率发生了较大变化，使用暗像元法反演效果差，存在明显的AOD低估现象。

天津冬季AOD为0.337，与郑小波等[10]发现京津唐地区冬季AOD最低(0.2～0.3)的研究结果基本一致。胡蝶[11]通过分析2001—2010年MODIS数据，得到华北地区十年来AOD季节分布为“夏季＞春季＞秋季＞冬季”，天津AOD季节分布发生了较大变化。韦海宁等[5]通过分析葵花-8号2015年7月15日至2018年4月21日L3级逐小时数据，得到京津冀6月和7月的AOD值超过了0.5，与本研究夏季结果基本一致。本研究结果明显区别于福建地区2015—2017年AOD“春季最大、冬季次之、夏秋最小”的分布特征。李恺霖等[8]认为福建地区春季AOD最大的原因是春季影响福建的冷空气势力逐渐减弱，暖空气势力逐渐加强，受西南暖湿气流影响，东南沿海温度上升，平流雾出现频率明显升高。

2.3 各月变化

从天津各月AOD分布来看(图3)，2018年月均AOD浓度最大值为11月0.863，最小值为2月0.151，2019年月均AOD浓度最大值为10月0.682，最小值为3月0.142，月变化曲线表现为双峰结构，最高峰分布在10～11月，次高峰分布在6～7月。与2015年7月—2018年4月京津冀AOD月分布一致，但高值出现月份不同。韦海宁等[5]研究中最大值出现在6月、次大值出现在10月。2项研究数据都显示6～7月AOD在0.6左右，但是2018—2019年10～11月AOD明显升高，升高了约0.2；2018年4月AOD为0.717，均比上下2个月浓度较高，此分布形态类型与韦海宁等[5]研究相似，可能原因在于4月份北方天气回暖，受沙尘天气影响，导致消光系数增大所致。