云南省气溶胶光学厚度时空变化特征的遥感研究

张 云，肖钟湧

1.易门县环境监测站，云南 玉溪 651100

2.集美大学理学院，福建 厦门 361021

云南省气溶胶光学厚度时空变化特征的遥感研究

张 云1，肖钟湧2

1.易门县环境监测站，云南 玉溪 651100

2.集美大学理学院，福建 厦门 361021

利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)的气溶胶产品研究云南省气溶胶光学厚度(AOT)的时空变化特征。研究结果表明：在长时间尺度上，区域月平均AOT没有明显的增长趋势，年平均值大约为0.19，反映了人为活动排放进入大气的气溶胶没有明显的增加；月平均AOT的变化呈双峰分布特征，2个峰值分别出现在3、8月，AOT大约为0.35±0.08和0.31±0.05，5月出现明显的谷值(0.20±0.03)，AOT减少的原因可能是该地区降水增多，大量的降水可以清除大气中的气溶胶粒子，最小值常出现在1月或12月，AOT大约为0.09±0.02。在空间上，云南省AOT普遍较低，年平均值的空间分布为0～0.4，低值区出现在西北部的迪庆州、怒江州和丽江市；AOT高值区分布在云南省的南部和东北部地区，3月AOT值最大可达0.80以上，南部和北部差值达到0.60以上，8月AOT的高值区主要出现在中部的玉溪市红河州北部、玉溪市和昆明市。云南省AOT北高南低分布格局的原因主要是北部地区人为气溶胶排放较少，另外，由于地形的影响，北部地区风速较大，气溶胶停留在大气中的时间较短，AOT较小。

云南省；中分辨率成像光谱仪；卫星遥感；气溶胶光学厚度

大气气溶胶不仅危害人体健康，致使环境状况恶化，而且影响地球气候系统。研究表明人体肺部功能的下降、呼吸系统疾病的增多、正在逐年增加的死亡率都与气溶胶粒子浓度的上升存在着紧密的联系[1]。粒径在10 μm以下的颗粒物可以进入鼻腔，7 μm以下的颗粒物可进入咽喉，而小于2.5 μm的颗粒物可被吸入肺部，深入肺泡并沉积，进入血液循环系统，从而对人类的健康造成直接的伤害。人类活动向大气排放的气溶胶粒子，包括大量的硫酸盐、硝酸盐、氯化物及少量的有机酸等化学物质，它们与酸雨的形成有密切的关系，在城市环境中容易产生二次光化学反应。气溶胶通过吸收和散射影响太阳辐射，进而影响地-气系统的辐射收支平衡，气溶胶在地球辐射收支平衡中扮演着最重要的角色[2-4]。另一方面，气溶胶也可以充当生成云、雾的凝结核，影响云的反射率，从而对地-气系统辐射平衡产生间接影响[5-6]。但是这种间接辐射强迫大小还有很大的不确定性。所以，大气气溶胶是气候系统研究的一个最重要的不确定性来源[7-8]。了解气溶胶分布、气溶胶特性对研究气溶胶的环境气候效应是关键的一步。目前，气溶胶观测手段从地面观测到卫星遥感观测，如美国NASA在全球建立了一个气溶胶自动地面观测网(AERONET)[9-10]，为气溶胶研究提供了大量的地面观测数据，并作为卫星遥感验证的数据来源。随着传感器的发展，卫星遥感与地基遥感相比具有全球覆盖的优势，如分辨率成像光谱仪(MODIS)提供了全球气溶胶研究的手段，具有较高的时间空间分辨率[11-13]。

MODIS气溶胶产品是运用暗像元法进行反演得到的[14-15]。最新的算法是Levy等[16]和Remer等[17]在Kaufman的暗像元算法基础上开发的，提供了全球10 km分辨率的气溶胶产品。该产品对于研究区域尺度和全球尺度气溶胶污染物有重要应用价值。尽管卫星遥感有很多优点，由于复杂的气溶胶特性，卫星遥感反演存在着很大的不确定性，需要地面观测数据进行验证。验证结果表明了气溶胶光学厚度(AOT)产品有足够的精度用于气溶胶的时空变化特征的分析[18-20]。本文利用MODIS气溶胶产品分析云南省AOT的时空变化，从而揭示云南省气溶胶污染的特征，为云南省空气质量评估提供参考依据。

1 研究区概况

云南省的地理坐标范围为21°12′～29°12′N、97°30′～106°06′E，地处中国西南边陲。2010年第六次全国人口普查数据显示，全省总人口为4 596.6万人。云南省的气候有北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带、暖温带、中温带和高原气候区等7个温度带气候类型。有“植物王国”之称，森林覆盖率达50%以上，而且森林覆盖率呈增长趋势。平均温度为5～24 ℃左右，南北气温相差达19 ℃左右。全省大部分地区年降水量为1 100 mm，南部部分地区可达160 mm以上。但是，由于冬季和夏季受不同大气环流的控制和影响，降水量在季节上和地域上的分配极不均匀，干湿季分明。夏季受西南季风影响，潮湿闷热，降水充沛。一年中90%左右的降水都集中于雨季(5—10月)，降水量最多集中在6—8月中，约占全年降水量的60%，而干季(11月—次年4月)的降水总量仅占全年的10%左右[21]。

2 数据和方法

MODIS气溶胶产品从NASA的LADSWEB数据中心获得。MODIS是EOS观测计划Terra和Aqua卫星上搭载的一个重要传感器。上午星Terra和下午星Aqua分别发射于1999年12月18日和2002年5月4日，大约在当地时间上午10：30和下午13：30飞过赤道。MODIS提供了在可见光、近红外光和红外光共36个通道的全球观测数据，为反演有关陆地、云、气溶胶、水汽、臭氧、海色、浮游植物、生物地球化学等产品提供了丰富的信息。可见光通道1(660 nm)和通道2(860 nm)具有250 m星下点的空间分辨率，3～7通道具有500 m的空间分辨率，其他通道的空间分辨率为1 000 km。MODIS扫描宽度为2 330 km，覆盖全球只要1 d。NASA利用MODIS数据进行气溶胶特性的反演，发布了10 km分辨率的全球气溶胶产品[22]，与AERONET相比，大陆上空MODISAOT的精度大约为66%±(0.05+15%)范围内，相关系数(r)为0.9[23]。这些资料已被广泛应用于分析大气气溶胶的研究。田永丽等[24]利用太阳光度计和MODIS研究了中国西南地区气溶胶AOT的时空特征。本文运用的MODIS气溶胶产品的时间跨度为2003—2013年。存储格式为HDF数据格式。

首先，利用MATLAB读取HDF数据，生成Shapefile的点文件格式数据。由于各种原因，特别是云的影响，MODIS气溶胶特性数据较少，而且为了方便数据处理和分析，把Terra-MODIS和Aqua-MODIS合成起来，作为1 d的平均值来考虑，合并的时候考虑到有些数据点缺失，如果在一个空间范围内有2个数据，取平均；只有1个数据的话，就用该数据代表该空间范围的值。但是，在天的尺度上很难有足够的空间分布数据满足分析要求，因此，对该区域的Terra-MODIS和Aqua-MODIS数据进行月合成，再对合成后的数据进一步转成10 km空间分辨率的栅格数据，通过栅格数据研究在月和年尺度上的时空变化特征。年平均的空间分布是利用12个月的数据进行平均计算。并计算区域的标准差(σ)，计算公式为

(1)

3 结果与分析

3.1 AOT的空间分布特征

图1为2003—2013年云南省年平均AOT的时间变化和空间分布特征。

图1 2003—2013年云南省年平均AOT空间分布特征

从图1可以看出，云南省AOT普遍较低，年平均值的空间分布为0～0.4，云南省的工业和交通等人为气溶胶源相对较少，工业排放和汽车尾气的排放较小；植被覆盖好，植被可以减少地面气溶胶进入大气，而且可以吸附大气中的气溶胶粒子，植被起到净化空气的作用；另外，云南省海拔较高，大气层厚度减小，空气密度和水汽含量较小；除了本地源影响较小外，由于云南省所处的地理位置，受其他高值气溶胶的区域影响较小。这些原因使得AOT值普遍偏低[24-25]。2003—2013年这段时间，整个地区的AOT没有明显的增长。这说明了10a以来云南省经济发展速度较慢，城市化进程较低，环境保持得较好。

云南省AOT空间差异显著，低值区出现在西北部的迪庆州、怒江州和丽江市。主要原因是海拔高(平均在3 000 m以上)，人为活动较小，空气干洁，没有污染，使得该区域的AOT较小[24-25]，这跟大气背景气溶胶的数据相近。从图中还可看出，云南省西北部地区空间分布较为一致，突出了背景气溶胶的特点。最大的AOT高值区分布在云南省的南部和东北部地区，特别是在西双版纳州的勐腊，2004年，年平均AOT达0.50以上。在南部出现较高AOT的原因可能是工矿业较为发达，人为气溶胶排放源相对较多，在勐腊有较大的铁矿和水泥工厂；另一个高值区出现在东北部的昭通市，2006年平均AOT达0.50，原因主要有人口多(521.3万)，人为活动影响较大，而且煤碳工业发达，2006年煤炭产量突破了千万吨，工矿业生产产生大量的气溶胶，使得AOT较高。

云南省AOT分布呈北高南低格局的另外一个原因是北部地区海拔较高(海拔大于2 000 m)，地面摩擦衰减的影响小，风速较大；反之，南部的大部分地区，因海拔相对较低，地形对风的衰减影响很大，风速较小。大风使得气溶胶停留在大气中的时间较短，因此AOT较小。

图2描述了云南省多年月平均AOT的时间变化和空间分布特征。

图2 2003—2013年云南省多年月平均AOT的空间分布特征

由图2可见，AOT呈现明显的季节和空间变化，整个区域最大值出现在3月，AOT平均值和σ分别为0.36和0.16，σ是指根据区域每个像元的σ，它能反映AOT空间分布的差异。AOT空间分布差异最大的月份出现在3、4月，北部和南部的差值达到0.60以上。在空间分布上，整个区域的AOT普遍大于其他月份；到5月，AOT从4月的0.31±0.14下降为0.20±0.07，AOT减少的原因可能是该地区降水增多，大量的降水可以清除大气中的气溶胶粒子。到7月，AOT值逐渐回升，8月出现一年中第2个峰值，AOT大约为0.31±0.09。在空间分布特征上与3月不同，AOT的高值区主要出现在中部的昆明市、玉溪市和红河北部(如昆明市污染较为严重的地区，AOT达到0.85以上)，主要原因是人为排放气溶胶较多，而且静稳天气比较多，使得气溶胶长时间停留在大气中，AOT较大。一年四季最低值区出现在西北部的迪庆州、怒江州和丽江市。10月—次年2月，整个地区的AOT普遍较低，个别地区的AOT达到0.30(如昭通市的北部、文山州的东部)；12月或1月的AOT达到极小值，大约为0.09±0.06，空间差异最小，整个区域的AOT最低。

3.2 AOT的时间变化特征

图3为2003—2013年全省区域月平均AOT和σ变化的点线图(图中黑实线为散点图的拟合直线)。

图3 2003—2013年区域月平均AOT和σ的变化

由图3可见，在长时间尺度上，AOT没有明显的变化趋势，年平均值在0.19上下波动，变幅大约为0.02，说明云南省的大气气溶胶状况比较稳定。人为活动排放进入大气的气溶胶较少，这也可以说明云南省城市化和工业化过程较慢。云南省气溶胶存在明显的季节变化，区域差异变化明显，月平均AOT的变化范围为0～0.5，2003—2013年期间，年平均最大值出现在2007年，AOT为0.21±0.09；月平均最大值出现在2011年9月，AOT大约为0.50±0.33。AOT较大的月份，空间差异也相应变大。

图4为2003—2013年多年区域月平均AOT和σ变化的柱状图，误差棒代表了相同月区域平均AOT的σ值，它可以说明AOT在相同月的波动情况。

图4 2003—2013年多年区域月平均AOT和σ的变化

由图4可见，多年月平均AOT的变化呈双峰分布特征，2个峰值分别出现在3、8月，AOT大约为0.35±0.08和0.31±0.05。在5、6月出现明显的谷值，分别为0.20±0.03和0.22±0.04。产生这种变化特征的原因主要是该地区从4月底开始进入雨季，降水增多，大量的降水清除掉大气中的部分气溶胶粒子，从而AOT比较小。从11月—次年4月，云南省的天气状况较为干冷，常出现大风，使得气溶胶停留在大气中的时间较短，进而使得AOT较小。最小值常出现在1月或12月，AOT大约为0.09±0.02。主要原因是局地气溶胶排放量较小，而且由于冬季风影响小，从其他地方带来的气溶胶也较少。较小的σ值也说明了1、12月的AOT波动较小。9月，AOT的波动最大，与3月相比，平均值(0.24)较小，而σ值(0.10)最大。

表1为多年间4个季节AOT的区域平均值和σ值，σ利用相同季节的区域平均AOT计算，说明AOT在相同季节的变化情况。

表1 多年区域季节平均AOT和σ值

由表1可见，4个季节的AOT平均值和σ依次为春季(0.29±0.09)>夏季(0.27±0.06)>秋季(0.16±0.09)>冬季(0.10±0.03)；在春季，平均AOT值较大，大于秋季，而σ相同，这表明了秋季气溶胶的变化较春季明显。与秋季相比，春季变化比较小，说明春季气溶胶粒子常保持在浓度较高水平。

4 结论

1)利用遥感的气溶胶产品分析了云南省AOT时空变化特征，从长时间来看，AOT没有明显的变化趋势，年平均值在0.19上下波动，幅度约为0.02，月平均AOT的变化范围为0～0.5。在2003—2013年期间，AOT最大的月份出现在2011年9月(0.50±0.33)。这说明了近10a以来云南省经济发展速度较慢，城市化进程较低，人为排放的气溶胶较少，环境保持得较好。

2)区域月平均AOT的变化呈双峰分布特征。2个峰值分别出现在3、8月，AOT大约为0.35±0.08和0.31±0.05。在5、6月出现明显的谷值，分别为0.20±0.03和0.22±0.04，AOT减少的原因可能是该地区降水增多，大量的降水可以清除大气中的气溶胶粒子。最小值常出现在1月或12月，AOT大约为0.09±0.02，主要原因是局地气溶胶排放量较小，而且由于冬季风影响小，从其他地方带来的气溶胶也较少。4个季节AOT值依次为春季(0.29±0.09)>夏季(0.27±0.06)>秋季(0.16±0.09)>冬季(0.10±0.03)。

3)云南省AOT普遍较低，年平均值的空间分布为0～0.4，最大的年平均值出现在2007年，区域平均AOT仅为0.21±0.09，说明云南省空气质量较好。特别是在海拔高，人为活动较小的区域，空气干洁，污染很少。如AOT低值区出现在西北部的迪庆州、怒江州和丽江市，高值区分布在云南省的南部和东北部地区，特别是在西双版纳州的勐腊，2004年年平均AOT值最大，达0.50以上；另一个高值区出现在东北部的昭通市，2006年年平均值最大，AOT达0.50。3月，AOT空间分布差异最大，AOT值最大的南部和最小的北部差值达到0.60以上，而在8月，AOT的高值区主要出现在中部的昆明市、玉溪市和红河北部，昆明市污染较为严重的地区AOT达到0.85以上，主要是人为排放气溶胶较多，而且静稳天气比较多，使得气溶胶长时间停留在大气中，AOT较大。

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Temporal-Spatial Variations Characteristics of Aerosol Optical Thickness using Satellite Remote Sensing over Yunnan Province,China

ZHANG Yun1,XIAO Zhongyong2

1.Yimen Environmental Monitoring Station,Yuxi 651100,China

2.School of Sciences, Jimei University,Xiamen 361021,China

The characteristics of temporal-spatial variation of aerosol optical thickness (AOT) were analyzed using the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) aerosol products over Yunnan province, China. The results indicated that, in a long term scale, theAOTpresents not obvious increasing trend. The yearly meanAOTvalue is about 0.19, this reflects there is no obvious increasing aerosols from anthropogenic activities emission into atmosphere. The multi-year monthly variation shows the characteristics of bimodal distribution, the two peaks appear in March and August, respectively. There is a valley value at 0.20±0.03 in May. The reason for the lowerAOTis likely due to the increasing precipitation over this region, which washing away partial aerosol particles from atmosphere. The smallest value always appears in January or December and theAOTis about 0.09±0.02. In space scale, theAOTis generally lower, the yearly mean values are from 0 to 0.4. The lower values appear in Diqing Tibetan Autonomous Prefecture, Nujiang of the Lisu Autonomous Prefecture and Lijiang city. Larger values are distribute in south and northeastern Yunnan,AOTis up to 0.8 in March and the difference between northern and southern region is up to 0.60. The second peak at August and compared toAOTin March, higher values appear in the northern Hani-Yi Autonomous Prefecture of Honghe, Yuxi and Kunming cities. The reasons for the pattern of higher in north lower in south is due to the less anthropogenic aerosol emission over the northern region, and in the other hand, there is the higher wind speed in northern region due to the effect of terrain, which makes the aerosols in the atmosphere shorter time, and have a lowerAOT.

Yunnan province;MODIS;satellite remote sensing;aerosol optical thickness

2015-03-13;

2015-04-09

福建省教育厅科技项目(JA14183)；潘金龙基金项目(ZC2013022)

张 云(1980-)，男，云南玉溪人，硕士，工程师。

肖钟湧

X87

A

1002-6002(2016)02- 0127- 07