中国地区气溶胶光学厚度时空分布特征研究

周俊浩，周永波，刘吉军，彭 洋（.解放军理工大学气象海洋学院，0；.解放军985部队，5000；.解放军95455部队气象台，56000）



中国地区气溶胶光学厚度时空分布特征研究

周俊浩1，周永波1，刘吉军2，彭 洋3
（1.解放军理工大学气象海洋学院，211101；2.解放军92853部队，125000；3.解放军95455部队气象台，563000）

摘要：本文基于星载激光雷达（CALIPSO）数据，反演得到气溶胶光学厚度（AOD）。将中国地区划分为东北、华北等7个区域，对各区域不同季节的气溶胶光学厚度进行统计分析。结果显示，各区域气溶胶光学厚度差异较大，其大小与沙尘气溶胶和污染气溶胶的发生频率有较大的相关性；不同季节的气溶胶光学厚度差异较大，其中秋季最大，夏季最小。

关键词：气溶胶； AOD；CALIPSO；分布特征

0 引言

气溶胶是指悬浮在大气中的固体和液体颗粒，如尘埃、烟粒、花粉等。IPCC报告指出，气溶胶和云是影响气候的两个最大不确定因素。气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）是气溶胶消光系数在垂直方向上的积分，表示整层大气中气溶胶的消光能力，是气溶胶的一个重要光学特性参量，能够在一定程度上表征大气污染程度。气溶胶分为沙尘型、污染型、海洋型等不同类型，各类型气溶胶的光学特性相差很大，研究气溶胶光学厚度的时空分布，对于天气预报、环境治理、交通运输等领域有着重要的意义。

中国地区幅员广阔，各区域气候、地形、人口分布有很大的差异，这些都导致了气溶胶光学厚度时空分布特征不同。同时不同季节的气溶胶光学厚度分布也有不同的特征，所以分区域、分季节对中国地区气溶胶光学厚度进行研究，能更加准确地了解中国地区气溶胶分布情况，为天气预报、污染治理等提供参考。

1 数据来源

CALIPSO（The Cloud-Aerosol LIDAR Infrared Pathfinder Satellite Observation）是一颗于2006年4月28日由美国国家航天局（NASA）联合Fibertek公司、CNES成功发射的太阳同步极轨卫星。该卫星轨道高度为705km，卫星倾角98.2度，图1为该卫星在太空中运行情况。该卫星每绕地球一圈96min，每16天获取一次全球气溶胶和云层的三维信息。CALIPSO卫星的发射是建立在1994年美国航天飞机激光雷达试验LITE的基础上的，其搭载的主动遥感仪器：双偏振激光雷达CALIOP、被动遥感仪器WFC以及IIR分别在可见光和红外区域增加了目前的测量手段。

图1 运行中的CALIPSO卫星

作为第一个能够连续观测并提供全球观测数据的星载激光雷达，CALIOP能够得到气溶胶和云垂直分布信息、消光系数的垂直分布信息并能以高分辨率区分出不同类型的云和气溶胶。不同于目前其他主要的卫星被动遥感仪器，CALIOP能够在亮地表以及有云的情况下获得良好的观测结果；同时在与CALIPSO搭载的其他的载荷共同工作的条件下，CALIOP得到的云数据能够极大的减小云粒子尺度和反射率反演中的不确定度。本文利用CALIOP反演得到的气溶胶光学厚度信息进行统计分析。

为了更好的对不同地区不同季节的气溶胶进行分析比较，将中国地区划分为7个区域。表1为7个区域的经纬度划分情况和所包含的主要地形，可以看出东北、华北、华东区域主要以平原地区为主，而其他区域地形则相对复杂。

表1 中国地区7个区域的经纬度划分和主要地形

2 中国地区气溶胶光学厚度时空分布特征

2.1 总体分布特征

图2为2012年中国地区1ο×1ο水平分辨率的气溶胶光学厚度平均值。从图中可以发现在华北-东北地区（30～50οN，115～125οE）、华南地区（20～25οN，100～110οE）、西北地区（36～45οN，76～91οE）、西南地区（22～28οN，85～95οE）四个区域的气溶胶光学厚度较大。其中，华北-东北和西南地区光学厚度最大，最大可达到0.7以上，西北地区次之，在0.4～0.6之间，华南地区部分区域达到0.5。初步分析气溶胶光学厚度分布原因：华北-东北地区工业发达，人口密集，人类活动频繁，有时还受到来自西北的沙尘影响，所以气溶胶光学厚度较大；西南地区人口密集，且多山地、盆地地形，不利于气溶胶的扩散；西北地区沙漠覆盖面积广，同时属于典型的大陆性气候，由自然因素产生的气溶胶导致光学厚度较大；华南地区同华北地区类似，属于工业发达、人口密集地区。

为了揭示造成不同地区光学厚度不同的原因，本文对不同类型气溶胶的发生频率进行统计，发生频率是指一定大小网格中CALIPSO探测到该类型气溶胶的频数与该网格中探测廓线数的比值。在所有气溶胶类型中，沙尘型和污染型的气溶胶对光学厚度的影响较大，其中污染型气溶胶是由污染大陆型以及污染沙尘型气溶胶组成。图3为2012年中国地区沙尘型和污染型气溶胶发生频率。

由图3可知，对于沙尘型气溶胶，在（35～44οN，75～95οE）的区域发生频率非常大，很多都在0.7以上，我国最大两个沙漠——塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠就位于该区域中，所以沙尘型气溶胶发生频率很大；而在（35～43οN，98～120οE）区域也存在一个沙尘气溶胶发生频率较大的区域，具体涵盖了黄土高原、华北平原等地，这些地区一方面由于地面扬沙，另一方面由于冬季风从西北地区带来大量沙尘气溶胶，所以导致该地区的沙尘型气溶胶发生频率也较大。对于污染型气溶胶，在（30～45οN，105～130οE）、（322～28οN，85～95οE）和（20～25οN，107～120οE）的区域发生频率较大，其中华北-东北地区和西南地区发生频率普遍在0.6以上，华南地区部分区域在0.4～0.6。这三个区域内工业发达，人口密集，导致人为产生的污染型气溶胶发生频率较大。由以上分析可以得出结论：西北地区气溶胶光学厚度较大主要是由于沙漠产生大量的沙尘气溶胶；华北-东北地区气溶胶光学厚度偏大是由于人为的污染型气溶胶和来自西北方向的沙尘型气溶胶共同作用的结果；西南、华南地区气溶胶光学厚度偏大主要是人为的污染型气溶胶造成的。

图2 2012年中国地区气溶胶光学厚度分布（1ο×1ο分辨率）

2.2 时空分布特征

图4为各区域月平均光学厚度变化情况，图5为对应的区域平均标准差。从图4中可知，各地区的月平均光学厚度随月份变化较明显，光学厚度最大的9月份达到0.12，最小的6月份仅为0.07。光学厚度随月份的分布总体呈现一个“V”字形，即1～6月平均光学厚度逐渐减小，6～9月平均光学厚度逐渐增大，9～12月平均光学厚度变化不明显。考虑不同地区间的差别，光学厚度最大的地区为东北地区，全年平均光学厚度达到0.11，而最小的西南地区仅为0.06。光学厚度由大到小的地区依次为东北＞华北＞华东＞华中＞西北＞华南＞西南。可以看出，光学厚度的排序与图2中的总体分布特征差别较大，如华南、西南地区，在总体特征描述中存在光学厚度较大的区域。分析其原因，是由于华南、西南地区虽然有部分区域光学厚度较大，但本地区其他区域的光学厚度较小，所以地区的均值会偏小。而华东、华中地区虽然没有光学厚度特别大的区域，但地区总体光学厚度较大。结合分析图3，东北、华北、华东、华中4个地区沙尘型和污染型气溶胶发生频率均较大；西北地区沙尘型气溶胶发生频率较大，而受污染型气溶胶影响较小；华南、西南地区受污染型气溶胶影响较大，而几乎不受沙尘型气溶胶的影响。对各地区月平均光学厚度变化的分析可得出结论：当某地区受到沙尘型气溶胶和污染型气溶胶双重影响时，总气溶胶光学厚度较大。

图4 2012年各地区月平均光学厚度

图5 2012年各地区光学厚度平均标准差

图5显示，各区域光学厚度平均标准差随月份的变化没有图4中的变化明显，总体分布呈现“W”形。而地区间的差异较明显，标准差最大的地区为华东地区，全年平均为0.054，最小的西北地区为0.035。标准差由大到小依次为华东＞华中＞华北＞东北＞华南＞西南＞西北。这可能是由于华中、华东等地区的气溶胶光学厚度受其他影响因素较多，如受到天气形势、季风气候的影响，所以光学厚度变化幅度较大，而西北地区全年干燥少雨，天气形势较稳定，所以气溶胶光学厚度变化幅度较小。

图6为各地区季节平均光学厚度变化情况，光学厚度由大到小的季节依次为秋季＞冬季＞春季＞夏季。因为秋、冬、春3个季节中国大部分地区受到冬季风带来的沙尘气溶胶的影响，所以气溶胶较大，而夏季受到从海洋来的夏季风影响，气溶胶光学厚度相对较小，这与李成才等利用MODIS资料研究中国东部地区气溶胶光学厚度的季节变化结果相一致。此外，中国大部分地区夏季降水较多，在一定程度上减小了气溶胶光学厚度。

3 结果

通过对中国地区气溶胶光学厚度分布进行分析，得到以下结论：

（1）气溶胶光学厚度存在局部较大区域与沙尘气溶胶和污染气溶胶的发生频率有关，两种类型气溶胶发生频率越大，气溶胶光学厚度越大；

（2）各地区气溶胶光学厚度差异较大，光学厚度由大到小的地区依次为东北＞华北＞华东＞华中＞西北＞华南＞西南，这与各区域的气候、地形等因素有关；

（3）各季节气溶胶光学厚度差异较大，光学厚度由大到小的季节依次为秋季＞冬季＞春季＞夏季，这可能是受季风的影响较大。

参考文献

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图6 2012年各地区季节平均光学厚度

Study on the Time-space Distribution Characteristics of AOD in China

Zhou Junhao1，Zhou Yongbo1，Liu Jijun2，Peng Yang2
（1.College of Meteorology and Oceangraphy，PLA Univ.of Sci.& Tech.，Nanjing Jiangsu，211101，China 2. PLA unit 92853，Huludao Liaoning 125000，China 3.PLA unit 95455，Meteorological Observatory，Zunyi Guizhou，563000，China）

Abstract：The aerosol optical depth （AOD） was inverted based on the data of space-borne lidar（CALIPSO）in the paper.The China region was divided into seven areas，like Northeast，North China and so on.And the statistical analysis on the AOD of different seasons in these areas showed that the AOD of these areas was quite different which was quite influenced by the frequency of occurrence of dust aerosols and pollution aerosols，and the AOD was quite different in seasons，in which the greatest was in autumn and least was in summer.

Keywords：Aerosol；AOD；CALIPSO；Distribution characteristic