京津冀地区气溶胶光学厚度时空分布特征分析

黄雯婷，靖娟利*，王安娜，张占奕，卢梦缘，欧昱贤，李明杰

(1.桂林理工大学 测绘地理信息学院，广西 桂林 541004；2.广西钦州市浦北县测绘中心，广西 钦州 535399)

0 引言

大气气溶胶是大气环境中固体和液体形成的悬浮体系，它的主要参数为气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)，表征为介质的消光系数在垂直方向上的积分，是描述气溶胶对光的衰减作用。大气气溶胶来源于自然活动和人为活动，常见的自然活动包括火山爆发、森林火灾和岩石风化等；人为活动有工业生产排放的烟雾微粒、煤和石油等化石燃料的燃烧以及汽车尾气的排放等[1]。气溶胶粒子通过吸收、散射太阳光的短波辐射可以直接影响气候，气溶胶粒子还可以增加云凝结核(Cloud Condensation Nuclei，CCN)浓度，改变云的反照率和微物理结构，从而间接影响气候[2-3]。

随着京津冀地区经济的快速发展，近几年来雾霾天气频繁发生。春季，京津冀地区容易受到沙尘暴的影响，使空气能见度下降，容易引发交通事故并危害人体健康，且细颗粒污染物容易使人患心血管疾病和呼吸道疾病[4-5]。目前，对大气气溶胶的监测主要以地基监测为主，其监测方法精度较高，但地基监测存在站点较少、站点分布不均匀以及无法进行连续动态监测污染物浓度变化等问题。随着遥感技术的发展，通过遥感反演的AOD可以在一定程度上反映大气浑浊度和颗粒物质的含量，从而用于描述大气质量浓度的分布，实现大规模空间上的连续监测。近年来，基于遥感技术，国内外学者已就大气气溶胶的时空分布和影响因素[6-8]等内容进行了广泛研究。

京津冀地区是中国北方经济发展的核心，分析其气溶胶的时空分布及影响因素具有重要的意义[9-11]。Sun等[12]利用MODIS地表反射率产品(MOD09A1)结合HARLS算法反演出高分辨率的AOD数据(1 km)，利用反演后的AOD产品分析京津冀AOD的时空分布，表明AOD的空间分布受人为因素与自然因素的影响。张西雅等[13]对京津冀地区气溶胶时空分布进行分析，表明AOD呈现西北低东南高的特点，人类活动与地区发展对AOD的分布具有显著的影响。景悦等[14]基于2010—2016年的MODIS AOD产品分析了京津冀AOD年际与季节时空分布特点及影响因素，研究显示AOD呈先增后减的趋势，人为因素影响大于气象因素。金囝囡等[15]结合AERONET地基观测数据、MODIS卫星遥感产品以及Himawari-8气溶胶产品对亚洲2015—2016年41个站点的细模式态气溶胶光学特性进行研究。Wang等[16]通过全球自动监测网(AERONET)的AOD数据证实Himawari-8 AOD数据具有研究意义，并利用Himawari-8小时AOD数据、气象因素和地理因素结合混合效应方法分析AOD的小时变化特征。

综上所述，MODIS AOD产品在气溶胶的研究中得到了广泛应用，但由于气溶胶变化速度快、生命周期短，极轨卫星获取的气溶胶产品的时间分辨率已经不能满足研究需求。Himawari-8数据具有高时间分辨率的特点，对于研究气溶胶光学性质、时空分布等具有重要的研究意义。因此本文以京津冀为研究区，采用Himawari-8小时AOD产品分析2015年12月—2018年2月京津冀AOD月、季节和年尺度的时空分布特征，以期为深入研究大气变化和空气环境质量的治理提供依据。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

京津冀地区位于我国东部沿海地区，东经113°27′～119°50′，北纬36°05′～42°40′，总面积21.54 km2，包括北京市、天津市和河北省。研究区地势呈现西北高、东南低的特点，属于温带大陆性季风气候，降水量季节分配不均，夏季降水量较多。京津冀地区是中国北方经济发展的核心，由于人口密度大，工业生产和尾气排放等形成的污染较严重，从而引发雾霾天气，能见度降低，影响人们的日常生活并危害人体健康。

1.2 研究数据

1.2.1 Himawari-8 AOD数据

Himawari-8气象卫星是世界上首颗拍摄彩色图像的地球同步轨道气象卫星，于2014年10月7日由日本气象厅发射。Himawari-8气象卫星提供空间分辨率为5 km，时间分辨率为10 min(2级)、1 h、1 d和月(3级)的气溶胶产品，其中包括Angstrom指数、500 nm的气溶胶光学厚度、气溶胶数据的质量控制参数(QA_flag)等数据[17]。本文使用的AOD数据为Himawari-8三级每小时AOD数据，来自JAXA Himawari Monitor网站(https:∥www.eorc.jaxa.jp/ptree/index.html)。

1.2.2 数据处理

本文基于京津冀地区2015年12月—2018年2月的Himawari-8三级每小时AOD数据，将其分为4个等级：“非常好”“好”“差”“较差”[16]，结合Himawari-8 AOD数据的质量控制参数，通过Matlab编程提取最高等级(“非常好”)的AOD数据作为研究数据[18]。研究过程中，选取北京时间一天中的9：00—16：00的AOD数据进行处理得到月、季节和年均值，由于2015年和2018年的数据不足，年均值主要以2016年和2017年的数据进行处理得到。分析季节变化时，遵循以下划分原则：选取12月—次年2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季[19]。以上数据处理主要通过ArcGIS软件和Matlab编程实现。

2 结果与分析

2.1 京津冀地区AOD时间变化特征

2.1.1 年均变化特征

2016—2017年京津冀地区各市年均AOD值如表1所示。

表1 2016—2017年京津冀地区各市年均AOD值

从表1可知，2016—2017年京津冀地区年均AOD值在0.22～0.41。天津市、衡水市和邢台市的年均AOD值均达到0.4以上，而张家口市和承德市的年均AOD值最低，略大于0.2。AOD标准差最大值出现在石家庄市、邢台市，表明AOD值变化较大；而张家口市和承德市标准差普遍比其他地区较小，表明AOD值变化差异较小。这主要是因为张家口市和承德市位于京津冀的西北区域，属于水源涵养区，重污染工业较少，地势较高，且森林覆盖面积较大，对污染物的吸附能力较强[20]。而其他城市属于华北平原区，地势较低，人口分布密集，工业污染严重，其AOD值也相对较高。

2.1.2 季节变化特征

京津冀地区各市AOD季节变化如图1所示。

图1 京津冀地区各市AOD季节变化直方图Fig.1 Seasonal variation histogram of AOD in Beijing-Tianjin -Hebei region

从图1可以看出，京津冀地区AOD值在夏季最高，冬季最低。春季AOD值最高的城市为衡水市，其值为0.41，这是因为春季是我国沙尘暴多发季节，对华北区域和西北地区的影响较大，在沙尘暴期间，大气气溶胶主要以粗颗粒物为主[21]。此外，春季也属于农田播种时期，焚烧秸秆来育肥农田从而对空气造成污染，2017年春季，衡水市出现降雨偏少导致农田阶段性干旱，大风沙尘频繁发生，空气中粉尘悬浮形成气溶胶。夏季和冬季AOD值最高的城市为邢台市，其值分别为0.56和0.32。这与夏季高温高湿的气候特点有关，有利于雾霾的形成；而冬季相比其他季节AOD最低，主要是受到西北风的影响，空气从污染较低的西北部向东南部流动，大气污染得以稀释[22]。秋季AOD整体高于冬季和春季，AOD最高值出现在沧州市，其值为0.48，主要与该地区在2016—2017年9月的2次中轻度污染有关。四季AOD值较低的城市为张家口市和承德市。

2.1.3 月变化特征

京津冀地区AOD月变化特征如图2所示。

图2 京津冀地区AOD月变化特征Fig.2 Monthly variation characteristics of AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

从图2可知，2015年12月—2018年2月京津冀地区月AOD在0.23～0.55。根据拟合曲线可知，AOD月变化曲线呈双峰分布，峰值分别出现在6月和9月，最小值出现在2月。这主要是因为6月气温较高，在高温和相对湿度较大的条件下，有利于促进雾霾的形成；6—8月AOD逐渐下降，主要与夏季降水量较大有关，雨水对AOD起到冲刷作用。

京津冀地区各市AOD月变化特征如图3所示。

图3 京津冀地区各市AOD月变化特征Fig.3 Monthly variation characteristics of AOD in cities of Beijing-Tianjin-Hebei region

从图3可以看出，各市月AOD变化特征与京津冀整体变化一致，其中承德市和张家口市AOD值较低，与年变化和季节变化相似。这主要是由于植被通过吸收大气颗粒物达到去除污染物的作用，张家口市和承德市相比其他城市海拔较高，并且植被覆盖相比京津冀平原城市要好，从而减小气溶胶对大气的污染。

2.2 京津冀地区AOD空间分布特征

2.2.1 年均分布特征

为研究京津冀地区AOD空间分布特征，根据经济发展和人口分布情况，将京津冀地区划分为4个区域：1个中心城区(北京、保定、石家庄、天津、廊坊)和3个郊区(北郊、东郊、南郊)，北郊包括承德西部、张家口；东郊包括承德东部、秦皇岛和唐山；南郊包括邯郸、邢台、衡水和沧州[12]。

京津冀地区年均AOD空间分布如图4所示。

图4 京津冀地区年均AOD空间分布Fig.4 Spatial distribution of Annual AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

从图4可以看出，京津冀地区年均AOD在0～0.7，空间分布整体呈从北向南增大的特点。中心城区与南郊AOD分布均匀且AOD在0.3～0.5，这些地区属于京津冀人口密度和工业化程度较高的地区，排放的气溶胶主要以人为气溶胶为主。AOD低值区主要在北郊，数值在0.3以下。这主要是因为北郊地区地势西北高东南低，西北风容易将污染物带到华北平原，此外北郊地区植被生长茂盛，植被覆盖较好，有利于吸收大量的气溶胶颗粒物[23]。此外，太行山脉和燕山山脉位于西部和北郊与中心城区的交界处，污染物受到地形的阻挡，污染物边界与二者边界一致。而靠近渤海的东郊区域和相邻中心城区AOD值较高，主要与海盐气溶胶的影响有关。

2.2.2 季节分布特征

京津冀地区AOD季节变化空间分布如图5所示。

图5 京津冀地区季节AOD空间分布Fig.5 Spatial distribution of seasonal AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

从图5可知，AOD季节变化特征显著，整体表现为以北京、保定、石家庄、天津和廊坊为中心城区向南、向东增加，向北减少的趋势。AOD高值区主要分布在东郊、中心城区和南郊。AOD高值区(>0.5)空间分布季节差异显著，表现为夏季>秋季>春季>冬季。东南部地区夏季AOD最高，冬季AOD最低，这一结论与纪晓璐等和刘浩等的研究结果一致。夏季AOD高值区主要分布在中心城区和南郊，其值在0.4～0.6，主要与夏季气温较高，相对湿度较大，有利于雾霾的形成有关。此外，人类活动增加与AOD高值分布区密切相关；夏季气温较高，森林容易产生火灾，物质在燃烧的过程中会生成大量的浓雾和烟尘，对空气造成污染[24]；夏季是平原地区小麦收获季节，大量的秸秆燃烧也是造成AOD值较大的原因之一。冬季AOD值较小，数值在0.1～0.3，在冬季西北风的作用下，空气从西北向东南流向，有利于气溶胶浓度的稀释。

2.2.3 月分布特征

京津冀地区逐月AOD空间分布如图6所示。

图6 京津冀地区逐月AOD空间分布Fig.6 Spatial distribution of monthly AOD in Beijing-Tianjin-Hebei region

从图6可以看出，京津冀地区AOD值在0～0.7，与季节变化和年均变化数值范围一致。1—6月京津冀地区AOD在0.4以上的污染面积逐渐增大，6月达到了最大，除了张家口市与承德市西部，其余地区AOD达到0.5以上，主要与6—7月气温较高，物质燃烧产生大量的烟雾，加上此时正是平原地区秸秆燃烧的高峰期有关。胡梅等[25]利用火点产品分析中国农作物燃烧排放情况，研究结果表明华北平原在夏季燃烧火点较密集。8月AOD逐渐减小，与8月是一年四季降雨量最大的时期，雨水能有效冲刷空气中的污染物有关[26]。9月中心城区和南郊AOD值较大，与9月台风活动和降水明显减小，大气处于稳定的状态，容易形成逆温现象，使得大气扩散能力较差，污染物积累有关。10—12月，AOD逐渐减小。

3 结束语

本文基于Himawari-8气象卫星的AOD产品，分析了2015年12月—2018年2月京津冀地区AOD时空变化特征。得到如下结论：

(1) 京津冀地区各市AOD年均值天津市最高，承德市最低。AOD季节变化特征明显，夏季AOD最高，冬季最低。AOD月变化曲线具有双峰特征，各城市与研究区变化趋势一致。

(2) 京津冀地区AOD空间分布表现为南高北低的特点，月、季空间分布与年空间分布特征基本一致。AOD表现出显著的季节变化特征，表现为夏季最高，冬季最低的特点。AOD月变化与季变化存在相似性，即高值区在夏季的6月、7月，冬季的12月、1月和2月AOD整体普遍最低。

(3) 气溶胶生命周期短，时空变化性强，Himawari-8提供的AOD产品具有较高时间分辨率的特点，未来可重点研究AOD的小时变化，为相关部门对空气污染治理提供决策支持。