新疆地区气溶胶变化对降水和植被的影响分析∗

2022-12-07丁建丽

新疆大学学报(自然科学版)（中英文） 2022年5期

马雯，丁建丽†，白婷

(1. 新疆大学地理与遥感科学学院智慧城市与环境建模自治区普通高校重点实验室，新疆乌鲁木齐 830017；2. 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830017)

0 引言

大气气溶胶是由悬浮在大气中的微小颗粒（液体和固体）组成的多相体系，其粒径在0.001∼100 μm之间[1]．虽然气溶胶在大气中只占一小部分，但它在气候变化中扮演着重要的角色[2]．气溶胶通过散射和吸收太阳辐射直接改变地球大气系统的能量平衡[3−4]，还能通过改变云的微物理特性、寿命及降水过程来间接影响气候[5−6]．因此，在全球和区域范围内已经开展了一系列研究来估算气溶胶光学特性，例如气溶胶光学厚度（AOD）、Angstr¨om波长指数（AE）和单次散射反照率（SSA）[7−9]．主要是通过地基和星载仪器对气溶胶进行长期的观测和量化，详细了解气溶胶的时空变化，但气溶胶仍然是辐射传输和气候变化评估中最大的不确定因素之一[10]．

近些年来，国内外学者针对气溶胶与降水相互作用做了很多研究，认为气溶胶的增加既能促进降水，也能抑制降水[11]．Kuhlmann等[12]的研究指出，亚洲地区人类活动排放的气溶胶减少了该区域的降水量．张喆等[13]的研究也提到2002―2012年间新疆地区AOD的增加抑制了降水的产生．然而高星星等[14]则指出，气溶胶的增加虽然抑制了塔克拉玛干沙漠地区的夏季降水，却促进了中国其它区域的夏季降水，且主要影响大雨发生概率．另外在沙尘暴天气条件下，降水不但会提前出现，还使累计降水增加47%[15]．由于气溶胶对气候的多重影响，气溶胶的增加或减少也可能对区域植被生长产生影响．一方面气溶胶沉降对植物的影响，往往由于大气沉降对植物的生态效应很复杂且难以识别；另一方面气溶胶通过改变辐射平衡影响植物的生长，有促进也有抑制[16]．但目前只有少数研究探讨了气溶胶对植被生长方面的影响，很少研究气溶胶与气象参数和植被生长的相互作用．

新疆作为丝绸之路经济带核心区，是典型的干旱半干旱区域．区域内有古尔班通古特沙漠和塔克拉玛干沙漠，使其成为沙尘气溶胶的主要来源之一[17−18]．随着新疆首府快速的城市化和工业化，空气质量严重恶化，这可能是由气溶胶引起的．然而针对新疆气溶胶的研究，多集中于分析AOD的时空特征[19−20]及其与地面颗粒物质量浓度的关系[21−23]，对于新疆地区气溶胶变化对植被和降水的影响研究仍然缺乏．因此，本文利用2003―2019年MODIS 3 km气溶胶反演数据在深度分析新疆地区气溶胶光学特性时间变化的基础上，进一步对气溶胶进行了分类．然后，从时间尺度上探讨了AOD与不同时期归一化植被指数（NDV I）和降水量（P）的关系，以期为我国西北大范围干旱半干旱气候背景下的气候变化模拟、实施污染控制和相关产业转型提供科学依据．

1 资料与方法

1.1 研究区概况

新疆地处中国西北部，属于温带大陆性气候，气候干燥，全年降水量大多小于150 mm，区域内沙漠、戈壁分布较广．以天山山脉为界将新疆分为北疆和南疆，处于东天山的东疆一般由哈密市和吐鲁番市组成．在南疆有塔克拉玛干沙漠[24]，是中国最大的沙尘源区．产生的沙尘气溶胶对区域气候变化和人类生产生活有着重要影响．在北疆和东疆多为山谷和盆地，植被覆盖率相对较高，城市区域相对集中，人类活动密度大，气溶胶分布复杂．考虑到新疆复杂的气候背景条件和“三山两盆”的独特地形特征，本文将新疆分为三个区域进行分析：北疆（North）；南疆（South）；东疆（East）．

1.2 数据来源

1.2.1 气溶胶光学厚度

表 1 本文所使用的太阳光度计站点信息

使用2003年1月至2019年12月期间空间分辨率为3 km（MYD043K）的MODIS/Aqua每日气溶胶产品．为了验证MODIS AOD产品在新疆地区的质量，选择了3个地基遥感观测的AOD数据．地面观测点的位置如表1所示，精河站点位于精河气象局，使用Cimel CE318光度计（CE318-T）进行定点连续观测；新疆大学站点位于乌鲁木齐市，使用Microtops II太阳光度计进行定点连续观测；喀什站点位于喀什市中国科学院遥感与数字地球研究所园区内，使用全自动太阳天空辐射计（CE318-DP）进行定点连续观测．该数据已被纳入中国建设的地面遥感观测网络（Sun-sky Radiometer Observation Network, SONET），SONET提供的大气气溶胶特性参数，可用于卫星遥感产品验证[25−26]，该数据可从SONET网站（http://www.sonet.ac.cn/）获取．这项验证工作可以弥补AERONET在中国西北地区站点分布较少的不足．

1.2.2 其它辅助数据

为了探讨新疆地区大气气溶胶变化对植被和降水的影响，收集了与气溶胶同一时间段内的3种辅助数据．第一，利用MODIS C6归一化植被指数（NDV I）3级月度数据，用于分析新疆上空AOD对植被生长的影响．第二，从热带降水测量计划（TRMM3B43）中获取月度降水数据集，用于描述降水和AOD之间的关系．第三，新疆每年的GDP数据从《新疆统计年鉴》获取．

1.3 研究方法

由于地基观测仪器不能直接获取550 nm波长的AOD数据，为了与MODIS产品进行比较，使用AE算法得到550 nm波长的AOD值[27−28]．为了进行时空匹配，以每个地面站点为中心的25 km×25 km窗口内的MYD043K AOD求取均值，与MODIS/Aqua过境时间±0.5 h内的地基AOD数据的平均值进行比较．采用以下统计参数进行评估，包括相关系数（R）、平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）、相对平均偏差（RMB），产品期望误差（EE）为± (0.05+0.2×AOD地基)．

2 结果与分析

2.1 MODIS AOD与地基AOD对比分析

如图1所示，通过时空、波段匹配得到符合要求的数据共有1 285组．其中：落在期望误差范围内的数据占比为31.52%，有60.39%的数据低于期望误差，表明该产品在新疆地区存在一定的低估，这主要与地面观测点对地表反射率的高估有关[29]．但MYD043K AOD与地基观测AOD数据整体趋势较为一致，二者的相关系数为0.84，均方根误差为0.37．这与孙晓雷等[30]对该产品在阿克苏地区的验证结果相似（R=0.883 6），进一步说明MYD043K的AOD数据可以用于新疆地区气溶胶的研究．

图 1 新疆地区MODIS AOD与地基AOD的验证结果

2.2 气溶胶光学特性的时间变化

2.2.1 气溶胶光学特性和经济指标的年际变化

图2为新疆地区AOD、AE和经济发展指标（GDP）的年际变化．2003―2019年AOD的均值为0.26，范围在0.19∼0.29之间，且以0.008/10 a的速率呈微弱递减趋势．AOD峰值出现在2006年和2014年，主要是由于频繁的沙尘天气．而在2006―2009年和2014―2017年期间，AOD呈现下降趋势，这可能与同期GDP有一定的关系，以及与2013年以来新疆大部分地区实施的重点大气污染防治项目有关．AE的年均值在0.91∼1.03之间，平均值为0.98，整体上以0.027/10 a的速率呈下降趋势．特别是2012年以后AE的下降趋势，说明提倡的绿色生态对该区域人为气溶胶的减少有很大作用．

图 2 2003―2019年新疆地区AOD、AE和GDP的年际变化

进一步采用Morlet小波分析对2003―2019年新疆地区AOD的周期性进行探讨．利用Matlab软件绘制小波系数的实部图和小波方差图（图3）．其中：实部图中的小波系数与AOD值之间是正相关关系，也就是说小波系数越小，对应的AOD值越小，反之越大；从小波系数实部图中可以看出，AOD有5∼8 a和9∼12 a两个振荡期，其高值中心分别是3 a、6 a和10 a．再结合小波方差可以得到AOD随时间变化的周期特征，即峰值最高的数值是主周期．因此，由图3（b）可知，在时间尺度为10 a时，周期振荡最强，为第一主周期．

图 3 AOD的小波系数实部图和小波方差图

根据小波分析得出的10 a主周期，分别分析了2012年以前和2012年以后两个时期（2003―2012年和2013―2019年）新疆地区不同分区内AOD和AE的变化规律．由图4可知，在第一阶段（2003―2012年），三个分区的AOD均呈上升趋势（分别为0.004 1/a、0.002 7/a和0.003 3/a），而AE在南疆和东疆呈下降趋势，在北疆呈上升趋势．在第二阶段（2013―2019年），东疆和南疆的AOD呈现下降趋势，而AE则呈现上升趋势．与之相反，北疆的AOD以0.002 1/a的速率增长，而AE以0.000 5/a的速率下降．整体而言，2012年以前AOD以0.003 7/a 的速率呈增长趋势，AE则以0.004 9/a的速率呈下降趋势；而2012年以后AOD则以0.002 9/a的速率呈下降趋势，AE则以0.001 4/a的速率呈上升趋势．

图 4 AOD和AE在2012年前和2012年后的变化趋势

2.2.2 气溶胶光学特性的季节和月度变化

由图5可知，新疆不同区域的AOD和AE表现出明显的月变化，其中南疆、北疆和东疆具有相似的月变化特征．整体而言，新疆地区的AOD峰值（0.41±0.09）出现在4月，AE的峰值（1.28±0.12）出现在12月．而AOD的最小值（0.13±0.03）出现在12月，AE的最小值（0.71±0.06）出现在3月．AOD和AE在月际变化特征中存在一定的负相关关系. 这样的变化特征主要归因于不同气溶胶类型及气溶胶的来源．

从季节上看，最高的AOD值出现在春季（0.36±0.03），其次是夏季（0.22±0.03）、冬季（0.19±0.05）和秋季（0.14±0.02）．最大的AE值出现在冬季（1.15±0.03），其次是秋季（1.09±0.15）、夏季（0.88±0.05）和春季（0.76±0.06）．由于特殊的气候条件，春季温度迅速回升，频繁的大风天气增加了土壤粉尘，导致AOD值最大．此外，春季是中国西北地区扬尘运输的高峰期．塔克拉玛干沙漠是中国西北干旱和半干旱地区天然气溶胶的主要来源[31]；因此，频繁的沙尘天气导致春季的AOD高于秋季和冬季．东疆和南疆的变化特征与全疆一致，而北疆AOD和AE最高值均出现在冬季，这可能是由于该区域冬季燃煤产生的细颗粒气溶胶产生的影响．

图 5 2003―2019年新疆地区AOD和AE月度和季节变化分布

2.3 气溶胶类型的分类及其贡献

图 6 2003―2019年新疆地区主要气溶胶类型的季节和年度分类及其贡献率

气溶胶根据颗粒物的大小和吸收特性的差异分为不同的类型. 目前，已有许多学者根据AOD和AE之间关系对不同地区的气溶胶进行分类[32−36]．为探讨中国新疆区域污染物的主要来源和成分，我们基于现有数据源和地理位置，主要参考了中国长三角地区[37−38]、中亚五国[33]及伊朗[34]的分类阈值，实现对气溶胶的初步分类．基于上述研究，本文对AOD和AE的选择阈值如下：（1）AOD<0.2时为大陆清洁气溶胶（CC），表示新疆地区气溶胶的背景条件；（2）AOD>0.3和AE>1.0时为生物质燃烧/城市-工业型的气溶胶（BUI）；（3）AOD>0.5和AE<0.7时为沙尘气溶胶（DD）；（4）不属于上述任何一组的情况，被定义为混合型气溶胶（MX）．这样的气溶胶分类阈值设置在Bibi等[39]的研究中已经进行了精度验证，证明了该阈值设置能够有效地区分气溶胶的类型．

图6（a∼e）为新疆地区不同气溶胶类型的年度和季节分布，图6（f）中的柱状图为不同气溶胶类型的贡献百分比．所有类型的气溶胶在4个季节都有不同程度的贡献．春季，DD气溶胶类型最为丰富（24%），明显高于其它季节，这主要是由于春季为全年中沙尘天气的频发期，大粒径的沙尘粒子占比相对较大．夏季，BUI气溶胶类型的比例相对较高，这可能与夏季的气候条件有关，其中气溶胶的二次转化具有一定作用．秋季，CC气溶胶类型的占比在四季中最大，达到59%，说明该季节的空气最为清洁．冬季，CC气溶胶类型的占比相对较大，这与赵仕伟等[40]对西北地区的研究有一定的差异，可能是由于该区域冬季有很多的空值，数据处理时用最小值进行填充导致的．总的来说，在整个研究期，CC气溶胶类型的贡献率最大（47%），说明新疆地区全年气溶胶以小粒径的颗粒物为主；其次为MX气溶胶类型，贡献率达到33%．

2.4 气溶胶变化对降水和植被的影响分析

2.4.1 AOD对降水的影响

为探讨气溶胶对降水的影响，比较了新疆地区每月的AOD和降水．由于TRMM降水数据在新疆有一定的偏差，必须在数据使用前进行校正[41]．参考已有的研究，采用加法修正模型对TRMM的原始降水数据进行了校正[42]．因此，使用校正后的TRMM数据进行以下分析．新疆降水的分布特点是“北多南少”，降水主要集中在阿尔泰山、天山和昆仑山等山区．

由图7（a）可知，AOD与降水之间有一定的滞后性．为了解新疆降水和AOD之间的完整关系，必须考虑每月的时滞效应．我们计算了AOD与当月、前1个月、前2个月和前3个月降水之间的相关性．由于新疆的降水与NDV I之间存在显著的正相关关系（R=0.719，P <0.01），因此采用偏相关分析方法来分析AOD和降水、NDV I之间的相关性．结果表明：AOD与降水的关系较为复杂（表2）．整个新疆地区AOD与降水的偏相关系数的最大值出现在当前月，说明AOD对降水没有时滞影响．分区来看，南疆的AOD和降水也表现出同样的特点．东疆的AOD与降水的偏相关系数显示AOD对降水有1个月的滞后，而北疆则有2个月的滞后．

图 7 2003―2019年NDV I、降水和AOD的月均值分布

表 2 新疆地区各月AOD和NDV I与降水的偏相关关系

2.4.2 AOD对NDV I的影响

新疆西部和西北部地区，如天山南北坡、阿尔泰山和塔里木盆地周围的绿洲，植被覆盖度较高，具有高的NDV I值．而在塔克拉玛干沙漠、库姆塔格沙漠和罗布泊周围，植被稀少，是NDV I的低值区．2003―2019年，新疆地区月平均NDV I与AOD的相关系数为0.26（P <0.01）．该结果与He等[43]的研究一致，在全国范围内，AOD和NDV I之间没有明显的关系．然而，在陕西[44]和长江流域[45]，发现AOD与NDV I之间有明显的负相关关系．这意味着植被有能力防止颗粒物从土壤中被吹入空气．但由于新疆大部分地区被稀疏的植被覆盖，这可能大大降低了植被的吸收能力，导致AOD和NDV I之间的关系很弱．

由图7（b）可知，AOD和NDV I之间存在一定的滞后．用与降水量相同的方法分析AOD与NDV I的关系，发现AOD与NDV I呈负相关关系．整个新疆地区AOD与NDV I的最大偏相关系数出现在前3个月，说明新疆地区AOD对NDV I的响应存在3个月的滞后期．分区来看，南疆和东疆也存在同样的滞后期．然而，北疆的AOD与NDV I的最大偏相关系数是在前1个月，表明北疆的AOD与NDV I之间存在1个月的滞后．