基于MODIS数据的环渤海地区气溶胶时空变化特征分析*

纪晓璐 廉丽姝 周甜甜 于凤硕

(曲阜师范大学地理与旅游学院，山东 日照 276826)

基于MODIS数据的环渤海地区气溶胶时空变化特征分析*

纪晓璐 廉丽姝#周甜甜 于凤硕

(曲阜师范大学地理与旅游学院，山东 日照 276826)

利用2000—2015年美国国家航空航天局的Aqua卫星 MODIS 2级气溶胶产品MOD04数据，探讨了环渤海地区气溶胶光学厚度(AOD)的时空变化特征。结果表明：(1)环渤海地区的AOD年均值空间分布与海拔密切相关，高海拔地区AOD普遍较低，而低海拔地区AOD普遍较高。污染最严重的季节为夏季，AOD与空气质量指数(AQI)相关性较高。(2)16年来，环渤海地区AOD年均值为0.465～0.682，2012年最高，2001年最低，平均值为0.592，远高于全球陆上平均水平0.190。年内变化呈现双峰型，最高值出现在7月，最低值出现在12月。AOD年内变化与风速呈负相关关系。

气溶胶光学厚度 时空分布 变化特征 MODIS数据 环渤海地区

大气气溶胶粒子的直径一般为0.001～100.000 μm，其组分复杂、来源多样[1]。虽然气溶胶粒子粒径和质量微小，在大气成分中所占质量分数很小，但其可以通过散射和吸收太阳辐射影响地气系统的辐射平衡，通过凝结核影响云和降水过程，因此对区域乃至全球气候都有重要影响。同时，气溶胶还是局地光化学烟雾的重要原因，影响大气能见度和人类健康。气溶胶光学厚度(AOD)是描述气溶胶对光的衰减作用的重要参数，通常AOD高预示着气溶胶纵向积累的增长，导致大气能见度降低。AOD在推算气溶胶含量、评估大气污染程度、确定气溶胶气候效应方面都具有重要作用[2-4]，因此其时空分布和变化特征引起了国内外学者的广泛关注[5-8]。

环渤海地区包括辽东半岛、山东半岛和京津冀，同时延伸辐射到辽宁省、山东省、山西省以及内蒙古自治区中东部，是继“珠江三角洲”、“长江三角洲”地区之后， 中国经济增长的“第三极”。因此，由工业生产、汽车尾气排放等产生的空气污染物日益增加，导致灰霾天气频发，对人体健康构成严重影响。环渤海地区关于AOD的研究主要集中在北京市及其周边的京津冀地区[9-12]。本研究对环渤海地区的AOD研究扩大到了辽宁省、山东省和京津冀区域，利用MODIS 2级气溶胶产品MOD04数据分析该地区AOD的时空变化特征，以期为环渤海地区大气气溶胶的区域性研究提供依据。

1 方 法

1.1 数据来源

AOD数据来自美国国家航空航天局(NASA)网站(http://ladsweb.nascom.nasa.gov)发布的Aqua卫星MODIS 2级气溶胶产品MOD04数据，空间分辨率为10 km×10 km，时间范围是从2000年3月到2016年2月(即2000—2015年)，波长取550 nm处。

数字高程模型(DEM)数据来自地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/search)，由NASA的“奋进号”卫星的航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)提供，分辨率为90 m，由此得到的环渤海地区地势图如图1所示。

图1 环渤海地区地势图Fig.1 Chorography of the areas around Bohai Sea region

风速数据来自中国气象数据网(http://data.cma.cn/)。空气质量指数(AQI)数据来自环境保护部数据中心(http://datacenter.mep.gov.cn/)。

1.2 研究方法

采用MOD04每日AOD数据，利用ENVI软件和ArcGIS软件对其进行预处理，作出2000—2015年环渤海地区AOD年均值空间分布图和各季节多年平均值空间分布图，并分析年际变化特征和年内变化特征。

季节划分为春季3月至5月、夏季6月至8月、秋季9月至11月、冬季12月至次年2月。

选取了沈阳市、大连市、天津市、北京市、济南市、石家庄市6个不同海拔高度且人口相对密集、经济较为发达的典型城市进行重点分析。

2 结果与分析

2.1 环渤海地区AOD空间分布特征

2.1.1 年均值的空间分布特征

2000—2015年间环渤海地区的AOD年均值空间分布如图2所示。天津市、山东省西南部和河北省东南部等人口密集、经济发达的地区AOD较高；而河北省北部太行山沿线的AOD较低，原因是这里海拔高、植被多且重工业不发达。

与环渤海地区地势图(见图1)比较发现，AOD分布与海拔密切相关，高海拔地区AOD普遍较低，而低海拔地区AOD普遍较高。当然，局地污染源对AOD也有影响，如辽宁省东部和山东省中部海拔相差不大，但是山东省中部的AOD要比辽宁省东部高。

图2 2000—2015年环渤海地区AOD年均值空间分布Fig.2 Annual AOD spatial distribution around Bohai Sea region during 2000-2015

2.1.2 不同季节的空间分布特征

图3分析了2000—2015年间环渤海地区不同季节的AOD多年平均值空间分布特征。由图3(a)可见，春季AOD相对较低，均在0.9以下，0.6以上的区域主要集中在环渤海地区中部和南部，主要是工业污染的影响。由图3(b)可见，夏季污染最严重，山东省西部、北部以及北京市、天津市、河北省南部的AOD均处于>1.2～1.5，这是因为夏季高温高湿的天气状况有利于雾霾的形成，导致AOD增高。由图3(c)可见，秋季AOD的高值区主要分布在山东省西南部和河北省南部。由图3(d)可见，冬季AOD的高值区主要分布在山东省西部和辽宁省东北部，这两个地区是海拔相对较高的丘陵或山地，冬季风速较小，不利于气溶胶的扩散。

有不少学者研究了AOD与AQI以及PM2.5或PM10之间的相关关系[13-19]，但年均值的直接相关程度较低，在考虑季节后相关程度大有提高。这里分析了2014—2015年的环渤海地区6个典型城市的AQI与AOD相关性，发现春、夏、秋、冬四季的相关系数(置信度99%)分别为0.655、0.556、0.432、0.495，相关性较高，特别是春、夏季。

图3 2000—2015年环渤海地区AOD各季节多年平均值空间分布Fig.3 Spatial distribution of seasonal AOD around Bohai Sea region during 2000-2015

图4 环渤海地区AOD年均值年际变化Fig.4 Inter-annual variations of annual AOD around Bohai Sea region during 2000-2015

2.2 环渤海地区AOD时间变化特征

2.2.1 年际变化特征

由图4可以看出，近16年来环渤海地区的AOD年均值为0.465～0.682，2012年最高，2001年最低，平均值为0.592，远高于全球陆上平均水平0.190。其中济南市、天津市、石家庄市AOD年均值较高，而沈阳市、北京市、大连市的AOD年均值较低。

2.2.2 年内变化特征

由图5可以看出，环渤海地区的AOD年内变化基本呈现较为典型的双峰型，最高值出现在7月，最低值出现在12月。各典型城市AOD年内变化与整个环渤海地区基本相似。

图5 环渤海地区AOD月均值年内变化Fig.5 Variations of monthly AOD around Bohai Sea region

已有研究表明，AOD年内变化与风速的年内变化相关，当风速较大时，大气流动加强，扩散与稀释作用使得颗粒物的浓度显著降低，AOD较低；而风速较小时，大气流动减弱，颗粒物容易积聚，导致AOD上升[20-21]。这里研究了环渤海地区6个典型城市2014—2015年共24个月的风速与AOD之间的关系。结果表明，平均风速最大的大连市AOD最小，而平均风速最小的石家庄市AOD最大。对每个城市来说，风速大的月份AOD小，风速小的月份AOD大。由此可见，风速与AOD呈负相关关系。

3 结 语

(1) 环渤海地区的AOD年均值空间分布与海拔密切相关，高海拔地区AOD普遍较低，而低海拔地区AOD普遍较高。污染最严重的季节为夏季，AOD与AQI相关性较高。

(2) 近16年来环渤海地区的AOD年均值为0.465～0.682，2012年最高，2001年最低，平均值为0.592，远高于全球陆上平均水平0.190。年内变化呈现双峰型，最高值出现在7月，最低值出现在12月。AOD年内变化与风速呈负相关。

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TemporalandspatialvariationcharacteristicsanalysisofaerosolaroundBohaiSearegionbasedonMODISdata

JIXiaolu,LIANLishu,ZHOUTiantian,YUFengshuo.

(GeographyandTourismCollege,QufuNormalUniversity,RizhaoShandong276826)

Temporal and spatial variation characteristics of aerosol optical depth (AOD) around Bohai Sea region were discussed using MODIS Level 2 product MOD04 data of Aqua satellite from National Aeronautics and Space Administration of America during 2000 to 2015. Results showed that:(1) the spatial distribution of annual AOD around Bohai Sea region was related with altitude. That is to say,AOD was low in high altitude area but high in low altitude area. Pollution was the most serious in summer. And AOD was related with air quality index (AQI). (2) During the last 16 years,annual AOD were 0.465-0.682 with an average of 0.592,much higher than that of global level (0.190). The highest annual AOD was appeared in 2012 and the lowest in 2001. Variation of monthly AOD showed double peaks with highest value in July and lowest value in December. Variation of monthly AOD was negatively related with wind speed.

aerosol optical depth; spatial and temporal distribution; variation characteristics; MODIS data; region around Bohai Sea

纪晓璐，女，1990年生，硕士研究生，主要从事气溶胶时空变化研究。#

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*山东省自然科学基金资助项目(No.ZR2015DL001)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.11.016

2016-10-10)