广东省AOD时空变化特征及气象因素

何沐全，肖建军，黄江，石艳军，吴永琪

（1.广州气象卫星地面站，广东广州 510640；2.河源市气象局，广东河源 517000）

悬浮于大气中的气溶胶会降低空气质量，破坏地气能量收支平衡，改变大气中的热力学条件，从而影响天气和气候［1］。气溶胶对全球气候变化具有重要的影响，在不同程度上影响着大气中各种气象参量，尤其是降水和温度［2］。为深入研究气溶胶对天气和气候效应的影响，国内外学者开展了大量研究工作［3］。利用气候模式基于控制变量法模拟大气气溶胶排放量减少试验，发现全球和区域降雨增加［4］，灾害性发生指数上升［5］，区域平均气温和极端气温上升［6］。高星星等［7］利用MODIS和TRMM数据分析了气溶胶与云、降水间的关系，发现气溶胶对中国夏季降水有促进作用；Lin等［8］研究发现极端气候变化响应具有明显的地域性，且气溶胶作用大于温室气体；王欢等［9］发现气溶胶通过影响辐射量和温度改变温度梯度，促使江淮流域降水增多。气溶胶对区域气温有显著影响，在气溶胶与气温相关性高及气溶胶变化趋势明显的地区尤为突出［10］。

气溶胶不仅影响广东降雨、气温的分布和强度，对强对流天气与热带气旋等也有重要的作用［11］。余小嘉等［12］通过一次广东沿海的气溶胶航拍资料分析发现，广东夏季沿海城市的气溶胶和云凝结核浓度随高度先增大后急剧下降；Guo等［13］研究了珠三角地区气溶胶对不同云、降雨尺度的影响，发现气溶胶对降雨存在某种增强或抑制的作用；夏冬等［14］利用气象要素和气溶胶数据，分析珠三角海风对气溶胶的影响，发现强海风有利于气溶胶质量浓度的下降；Lee等［15］研究了气溶胶对珠三角雷暴的影响，发现闪电、局地强对流降雨与气溶胶负荷有关；陈均等［16］分析了不同气象条件对气溶胶污染过程的影响，发现静稳天气下，大气层结稳定和夜间贴地逆温不利于气溶胶扩散；刘汉卫等［17］分析地面PM2.5质量浓度与气象要素间的关系，得出地面颗粒物质量浓度与气温呈负相关、与相对湿度呈正相关的结论。气溶胶与降雨、气温等气象因素存在各种错综复杂的关系，本研究利用2010—2019年的MODISAOD 3 km逐日产品，结合地基站气象观测资料，分析了广东省气溶胶光学厚度（aerosol optical depth，AOD）的时空变化特征，并探讨了降雨、气温与AOD的相关关系，对进一步了解气溶胶对广东气候系统的影响具有重要意义。

1 资料和方法

1.1 数据

AOD数据来源于NASA官方发布的MODIS MOD04_L2 3 km AOD逐日产品，数据下载网址为 https：／／ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov／search／，时间范围为2010—2019年，空间上覆盖广东省。气象资料来源于广东省气象局，采用覆盖广东全省的86个国家基本气象站观测的逐日累计降雨量和平均气温，统计得到各站点的年平均、月平均累积降雨量和气温，并插值得到与MODISAOD空间匹配的格点数据。

1.2 方法

1）MODISAOD年变化趋势。

利用ENVI+IDL对MODIS AOD产品进行重投影，并结合文件属性剔除无效值，批量合成计算得到年、月均值，最终裁剪得到广东省AOD数据，在此基础上对2010—2019年各像元逐年的AOD值进行一元线性回归分析，并计算拟合斜率，即可得到广东省的AOD年变化趋势，计算公式如下：

其中，Slope为变化趋势率；n为参与拟合的年时序长度（本研究中n＝10）；i为1-10的年序号；AODi表示第i年的AOD年均值。其中，Slope＞0说明AOD在2010—2019年的变化趋势增加，反之减少。

2）AOD与降雨、气温的相关关系。

反映两个变量间的线性相关程度，通常将相关系数Rxy作为统计指标，计算公式为

其中，Rxy为x、y两个变量间的相关系数；n为参与计算的年时序长度；i为年序号；xi、yi分别为第i年的AOD均值、气象要素值（降雨量、气温均值）；¯x表示所有年份的AOD均值；¯y为所有年份的平均降雨量或平均气温。Rxy绝对值越大，表示两个变量间的相关程度越高，反之越低。

2 结果与分析

2.1 广东省AOD时空分布

从图1可知，2010—2019年广东省AOD值整体上呈明显减小趋势。从图1可以看出，AOD高值区主要分布于珠三角地区，以佛山为高值中心向外延伸，粤西雷州湾和粤东潮汕地区为次高值区，粤北和粤东北AOD值低。从AOD年变化趋势分布（图1b）可知，佛山、中山、珠海和东莞等AOD年变化趋势率Slope≤-0.11，表明10年间珠三角地区气溶胶光学厚度显著下降；粤西、粤北大部AOD变化趋势为-0.07≤Slope≤-0.03，AOD减小明显；粤东大部AOD年变化趋势为-0.03≤Slope≤0.01，表现为AOD总体持平略呈下降趋势；汕头及珠三角局部区域Slope＞0.01，表现为AOD呈增加趋势。

图1 2010—2019年广东省AOD的10年平均值（a）与变化趋势（b）分布

统计广东省2010—2019年AOD年均值及月均值（图2）发现，广东省AOD 10年平均值为0.5，10年间呈波动下降变化，峰值和谷值分别出现于2014年（AOD＝0.61）、2016年（AOD＝0.36），前5年显著高于后5年；月变化特征呈现为3、4月份高，其它月份低，1—12月呈先上升后波动下降的趋势，最高值和最低值分别出现于3月（AOD＝0.73）和12月（AOD＝0.35）。

图2 2010—2019年广东省AOD年平均值（a）与10年月平均值变化趋势（b）

李占清等［1］系统地阐述了气溶胶对我国天气、气候的影响以及与气象因素相关的空气污染问题，并侧重阐述了气溶胶与极端天气事件之间包括影响程度和影响机理在内的错综复杂的关系。综述表明，气溶胶由于其吸收、散射特性对地面太阳辐射产生影响。气溶胶的增加对中国区域太阳辐射变化影响非常显著，地面辐射减少可直接影响温度变化趋势。1960—1990年代气溶胶含量快速上升，期间全国大部分地区温度呈上升趋势，但中国东部地区受气溶胶辐射强迫影响，辐射冷却作用抵消了温室气体引起的增温效应而导致地面降温，从而显著改变大气稳定度和大气环流。气溶胶通过改变近地面辐射能量收支的直接效应以及作为云凝结核的间接效应，对云和降水有重要影响。气溶胶对降雨的抑制作用，更多与气溶胶辐射效应有关，但增强作用通常源于凝结和冻结引起的潜热释放。随着AOD的增加，地面太阳辐射通量减少，导致热通量和对流有效势能减少，不利于对流云和降水的发展，但气溶胶也可通过其激活效应使得降水增强。气溶胶对中国地区的中小尺度降雨存在明显影响［13］，高气溶胶含量导致的过小云滴可抑制降水形成，其不仅影响降水强度和空间分布，也在不同时间尺度上影响强降雨。

因此，为深入研究广东省气溶胶对降水和气温的影响，本研究对2010—2019年广东省的降雨量和气温进行了系统分析，并统计该期间气溶胶与降雨量、气温的相关性。

2.2 2010—2019年广东省降雨量和气温的时空变化

据统计，2010—2019年广东省10年平均降雨量为1 848 mm，平均气温为22.2℃。从降雨量分布（图3a）可知，广东省存在3处“雨窝”，分别位于阳江东至江门西地区、珠三角北部、惠州东至汕尾西地区，其中粤西雨窝年平均降雨量最大（R＞2 000 mm），其次是粤东雨窝；潮汕沿海地区、云浮-肇庆西部和粤东北地区是降雨量低值区。广东省气温分布具有明显的地域特征（图3b），表现为自北向南气温逐渐升高，10年平均气温变化范围为19.3℃≤t≤24.4℃，最低和最高气温分别由清远连山站、湛江徐闻站测得。

图3 2010—2019年广东省10年平均降雨量（a）和平均气温（b）的空间分布

从图4a可知，2010—2019年广东省平均降雨量呈“V型”周期变化，平均周期约为4年，峰值整体呈上升变化，分别出现于2013年（R＝2 124.6 mm）、2016年（R＝2 321.0 mm）；谷值分别出现于2011、2014和2017年，其中2011年累计降雨量最小（R＝1 390.4 mm）。年平均气温总体呈波动上升趋势，波动范围为21.5℃≤t≤22.8℃，峰值和谷值分别出现于2019、2011年。

图4 2010—2019年广东省年平均（a）、月平均（b）降雨量和气温变化趋势

在月尺度上（图4b），2010—2019年广东省10年月平均降雨量变化范围为45.2 mm≤R≤299.1 mm，表现为1—6月上升，至6月达到峰值后呈波动下降；月平均气温呈“单峰型”变化，气温变化范围为13.4℃≤t≤28.6℃，表现为1—7月逐月上升至峰值后持续下降。

2.3 广东省AOD与降雨、气温的相关关系

从图5可知，AOD与降雨量、气温总体上呈负相关关系。珠三角地区、粤东、粤北等地的10年平均AOD值与平均降雨量以负相关系数分布居多，其中佛山、中山、东莞和汕尾等地区负相关程度较高，相关系数范围为-1≤RAR≤-0.6；粤西与粤东潮汕地区AOD值与降雨量呈正相关关系，由于这些城市海岸带狭长，并以海盐性气溶胶为主，对降雨具有促进作用。粤北的韶关、清远、肇庆和河源等地AOD与气温呈显著负相关（-1≤RAt≤-0.6），珠三角、雷州湾和潮汕地区AOD与气温呈正相关关系。

图5 2010—2019年广东省10年平均AOD值与平均降雨量（a）、平均气温（b）的相关系数分布

3 结论

本研究利用2010—2019年的MODISAOD 3 km逐日产品，结合地基站气象观测资料，分析了广东省AOD、降雨和气温的时空变化特征，并探讨了AOD与降雨量、气温的相关关系，得出以下结论：

1）2010—2019年广东省的AOD 10年总平均值为0.5，年平均值介于0.36与0.61之间（0.36≤AOD≤0.61），月总平均值介于0.35与0.73之间（0.35≤AOD≤0.73）。空间上表现为佛山最高，以珠三角城市为高值中心向外围城市递减；时间上，AOD年均值呈显著减小变化，峰值和谷值分别出现于2014年（AOD＝0.61）、2016年（AOD＝0.36），月变化为3、4月份高，其它月份低，最高值和最低值分别出现于3月（AOD＝0.73）和12月（AOD＝0.35）。

2）2010—2019年广东省10年总平均降雨量为1 848mm，平均气温为22.2℃。空间上，广东省存在3处“雨窝”，分别位于阳江东至江门西地区、珠三角北部、惠州东至汕尾西地区，气温分布具有明显的地域特征，表现为自北向南气温逐渐升高。时间上，年累计降雨量呈“V型”周期变化，平均周期约为4年；年累计降雨量和平均气温总体呈上升趋势；月变化表现为1—6月累计雨量增加，至6月达到峰值后呈波动下降，气温呈“单峰型”变化，于7月达到峰值后逐月下降。

3）AOD与降雨量、气温总体上呈负相关关系。粤西与粤东潮汕地区以海盐性气溶胶为主，降雨量与AOD呈正相关，对降雨具有促进作用；粤北气温与AOD呈显著负相关（-1≤RAt≤-0.6），珠三角、雷州湾和潮汕地区AOD与气温呈正相关关系。

气溶胶通过影响辐射强迫进而影响气温，对降雨的影响更加复杂，涉及气溶胶直接和间接作用，与气溶胶云微物理过程关系密切；影响气象要素的因子很多，除了气溶胶以外，城市化进程带来的下垫面变迁、地形、城市热岛以及其他天气气候系统对局地的影响，都能带来本地降雨和气温的改变。本研究系统地介绍了广东地区的AOD时空分布特征，探索了AOD与降水、气温之间的关系，对气溶胶如何影响广东区域的天气气候仍需进一步研究。