山西省气溶胶光学厚度时空变化特征及气候效应分析

王雁，郭伟，闫世明，李莹

山西省气象科学研究所，山西 太原 030002

由温室气体排放引起的全球气候变暖已经引起广泛关注，伴随着温室气体的排放，人类活动还产生了大量的气溶胶粒子（Boucher et al.，2001）。这些气溶胶粒子不仅能降低大气能见度（Cao et al.，2012）、影响大气环境（陈永桥等，2005）、危害人类健康（Marambio et al.，2010；郭新彪等，2013），还能够吸收和散射太阳辐射，部分气溶胶粒子能够形成云凝结核，增加云的光学厚度和云层反射率，从而降低了到达地面的短波辐射，导致地面气温下降（Ridley et al.，2014；廖礼等，2015），因此关于气溶胶气候效应的研究一直是气候预测的关键部分。近年来，关于气溶胶气候效应的研究多集中在硫酸盐气溶胶（Zhang et al.，2012；王东东等，2014）、沙尘气溶胶（刘冲等，2015；宿兴涛等，2016）和黑炭气溶胶（蔡子颖等，2011；黄文彦等，2015）等方面，研究方法主要是利用中尺度模式或区域气候模式模拟气溶胶对气候变化的影响（黄文彦等2015；刘冲等，2015；宿兴涛等，2016）。吴蓬萍等（2011）利用发展的 RIEMS对硫酸盐气溶胶第一间接辐射及其气候效应进行研究，指出东亚地区硫酸盐气溶胶的第一间接辐射强迫为负，总体上使地表温度降低，夏秋季平均降温幅度在重庆及周边地区最大可达1.5 ℃。四川盆地由于其特殊的地理和气候，气溶胶光学厚度（AOD）为全国之冠，基于卫星遥感结果的多年平均值在0.7左右（李成才等，2003a；Guo et al.，2011），因此，部分学者将四川盆地 80年代中后期的降温归因于大气气溶胶对低层大气的反向散射（张天宇等，2017）。除四川盆地外，中国华北、长江流域、华南等地也是AOD的高值区（李成才等，2003b）。然而，除四川盆地外，中国其他地区却鲜有关于气溶胶大量排放而引起地表气温下降的报道。近年来，华北地区的雾霾天气广受关注，过去以煤炭消费为主的能源结构造成了严重的大气污染，而不同地区排放的气溶胶粒子化学组成和混合状态均存在显著差异，因此其在气候变化中的作用仍难以被定量描述（石广玉等，2008）。本研究根据邱金桓等（2001）于 2001年发展的应用地面气象能见度和水汽压信息确定大气柱气溶胶光学厚度的参数化模式，反演山西省1981—2016年 AOD，建立长序列资料，分析山西省工业显著发展时期AOD的变化特征及其在气候变化中的作用，为气溶胶气候效应研究提供参考。

1 资料和方法

1.1 研究区概况及资料选取

山西省位于黄土高原东缘，境内地形复杂，高差悬殊，分布有山地、丘陵、盆地等，以煤炭为主的工业结构造成山西省较为严重的大气污染（何维灿等，2016）。大气中的气溶胶具有高度可变性，且其分布受地形特征影响显著，因此利用较为密集的气象站点能更准确地反映复杂地形下的气溶胶光学厚度分布特征。本研究收集整理了山西省 109个地面气象观测站（山西省全部气象台站）1981—2016年逐日的水汽压、天气现象、每天4次能见度观测资料，逐日平均气温、最高气温和最低气温资料，以及大同、太原、侯马3站的太阳辐射资料。所有站点的气象资料完整度高（缺测率低于0.02%），均来源于山西省气象信息中心。20世纪80年代以来是全球增温最为迅速的时期（沙万英等，2002；魏凤英等，2003），且同期也是山西省经济快速发展、气温显著变化的阶段，因此本研究时间序列选择1981—2016年。

1.2 能见度资料筛选

利用能见度估算气溶胶光学厚度，需要排除降水和雾等自然天气现象对能见度的影响。参考秦世广等（2010）的方法对逐日观测资料作以下处理：（1）每日观测资料中选取 14:00的能见度观测值；（2）将能见度观测时段有降水（雪）和雾的记录排除；（3）剔除相对湿度高于90%的资料。对数据资料进行筛选，筛选后109个站点观测资料使用率平均为91.8%。

1.3 AOD反演计算方法

邱金桓等（2001）在 2001年发展了气溶胶光学厚度模式，该模式比较适合中国特点，表达式为：

基于该式可计算结果为波长λ=0.55 μm下的光学厚度。在这个模式中，气溶胶光学厚度依赖于地面能见度和水汽压、海拔高度、波长和Junge谱参数。式中，V为海平面能见度；H1=0.886+0.0222V（km）；H2=3.77 km；Junge普参数v*=-2；Z为气象台站海拔高度；f为订正系数。应用气溶胶粒子浓度随高度的分布函数，在海拔高度Z（km）上的能见度 VZ（km）与订正到海平面的能见度 V（km）存在如下关系：

订正系数f在不同地区存在2种不同的模式，对除东北以外的中国其他区域，f如下式所示：

式中，Pw为地面水汽压（hPa）。根据此方法估算得到了 1981—2016年各气象站气溶胶光学厚度长时间序列。

2 结果与分析

2.1 山西省气溶胶光学厚度的空间分布特征

图1A所示为山西省1981—2016年AOD多年平均值的空间分布。山西省AOD空间分布呈现南高北低、中部区域高两侧山地低的特征，总体上同罗宇翔（2012）的研究结果相似。山西省北部的大同AOD为0.14，中部太原盆地AOD为0.33，南部地区侯马AOD为0.46，区域差异显著。山西省AOD在0.10～0.46之间，最低点出现在五台山地区（图A右上角深蓝色区域），最高点为南部的侯马市，全省平均值为0.23。从图1A还可以看出，即使在山西省南部地区，部分站点的AOD也低于0.2，表明AOD整体上虽然有较为显著的分布特征，但局部地区仍存差异。

山西省 AOD的空间分布与山西地形特征密切相关。图1B所示为山西省地形图，山西省东西两侧以山地为主，由北向南在中间区域分布着多个盆地。对AOD与海拔高度进行相关性分析，结果显示，二者相关系数为-0.839，通过了0.01显著性检验，表明海拔对AOD有显著影响，海拔高度下降，大气厚度增加，气溶胶光学厚度增加。秦世广等（2010）的研究显示，整体上中国AOD呈现从东南向西北逐渐降低的趋势，这也基本吻合中国的地形高差特征。

表1所示为山西省不同水平AOD区域数量，总体以中低值为主。低值区（0.1, 0.2]主要分布在高原山地及北部地区，中值区（0.2, 0.3]主要分布在忻定盆地、太原盆地、长治盆地等地区，高值区主要分布在临汾运城盆地，AOD在0.4以上的地区分别是永济、临汾和侯马。除了地形因素外，经济发展和人类活动也对AOD有重要影响，山西省太原、临汾和运城经济总量常年位居山西省前三位，经济的快速发展造成的污染物的较高排放是这些地区AOD偏高的根本原因。

表1 山西省不同水平AOD分布特征Table 1 Number of stations under different AOD level in Shanxi province

图1 山西省1981—2016年AOD均值空间分布图（A）及山西省地形图（B）Fig. 1 AOD spatial distribution (A) from 1981 to 2016 and topographic (B) in Shanxi Province

2.2 山西省气溶胶估算结果与已有研究比较

邱金桓等（2001）计算的 1990年太原 AOD为0.39，本研究计算的太原1990年AOD为0.28，36年平均为 0.33，本研究结果偏低的主要原因是数据筛选后对部分天气条件下能见度资料进行了剔除。根据秦世广等（2010）的研究，山西省AOD值在全国属于中等水平，绝大部分地区高于0.3，中南部地区高于0.4，局部地区高于0.5，与本研究结果相比，整体上偏高。原因主要有两方面，一是选取的站点位置不同，站点分布、密度也不同；二是时间序列不同，本研究更加关注20世纪80年代以后的变化。郑小波等（2011）利用MODIS资料计算2000—2009年山西省AOD结果为0.33，同本文结果较为接近。总体上，本研究反演的山西省AOD结果与前人的研究都较接近，数据稍低主要原因是由于山西省地形复杂，且所选择的气象站点较为密集。

2.3 山西省气溶胶光学厚度的时空变化

2.3.1 山西省气溶胶光学厚度的空间变化特征

图2所示为山西省1981—2016年AOD均值空间变化图，此处直接用气象站点显示山西省 AOD空间变化特征。由图可知，AOD值呈上升趋势的地区占多数，达到 79个。从空间位置看，各个盆地上升站点较为密集，近 36年来，太原盆地、临汾盆地和长治盆地AOD上升幅度均超过0.08，运城盆地上升了0.04，忻定盆地及其东侧也有AOD值上升区，但幅度较小，仅为0.02。相对而言，AOD值下降的区域较为分散，太原盆地东侧（吕梁山山脉）和西侧（太行山中部地区）均有小范围的集中区域，平均下降幅度在0.02左右。

图2 山西省1981—2016年AOD空间变化图Fig. 2 Spatial variation of AOD from 1981 to 2016 in Shanxi Province

图3 山西省1981—2016年AOD变化趋势图Fig. 3 Variation trend of AOD from 1981 to 2016 in Shanxi Province

图4 山西省不同季节AOD变化趋势Fig. 4 Variation characteristics of AOD in different seasons in Shanxi Province

2.3.2 山西省气溶胶厚度的长期变化趋势

图3和表2所示为1981—2016年山西省AOD的变化趋势及其在不同海拔高度下的变化特征。总体上，山西省AOD上升趋势显著。AOD最低值出现在1986年（0.19），最高出现在2016年（0.27），然而这种上升趋势并不是完全呈线性，在 2008—2013年之间出现了一个明显的低谷，平均值为0.23，这可能与2008年北京举办奥运会大力减排以及随后爆发的世界金融危机造成山西整体经济下滑有关，2013年之后又表现为跳跃性上升。

根据山西省地形分布特征，将气象站点按海拔高度划分为 3个水平（海拔低于 500 m的站点、500～1000 m的站点和大于1000 m的站点）进行分析。从图3可知，不同海拔下AOD的变化特征存在显著差异，3个海拔AOD均呈显著上升趋势（表2），表明 AOD的增加具有全省域和整体性特征；海拔低于500 m的地区不仅是AOD值最大的地区，也是AOD上升最快的地区，对全省AOD增加贡献最大。

2.3.3 山西省不同季节气溶胶变化趋势

图4和表3所示为山西省不同季节AOD变化趋势。按气象上季节划分标准：冬季为12—翌年2月，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月。山西省AOD冬季最高，春秋季总体相差不大，夏季AOD最小。山西省冬季由于采暖需要，污染物排放量大，且降水稀少，风速较小，多盆地的地形特征造成了污染物的集中，使得冬季 AOD浓度偏高；春季风速偏大，易出现扬尘天气，因此春季AOD波动性较大；夏季雨水充沛，湿沉降作用明显，污染物浓度总体较低。从时间特征看，冬季、夏季和秋季AOD都呈显著上升趋势，其中冬季AOD上升最显著，对全年的AOD变化贡献最大；春季AOD变化趋势不明显。

2.4 山西省AOD的气候效应分析

2.4.1 山西省1981—2016气候变化特征

图5所示为1981年以来山西省年平均气温的变化趋势和突变特征。结果显示，山西省 1981年以来年平均气温存在两个不同的变化阶段（图5A），1981—1998年呈显著上升趋势，年均增幅在0.06 ℃左右，1998年以后气温增幅显著放缓。运用M-K检验进行突变分析，结果显示，年平均气温在1998年左右发生突变（图5B），气温在1998年达到最高后，上升趋势不再显著。有研究指出，相对于1979—1998年，全球地表温度增温速率在1999年度之后的 10年间明显偏低，此即全球变暖趋缓（停滞）现象（Chen et al.，2014；苏京志等，2016）；尽管气温上升趋势显著减缓，但 1999—2016年平均气温显著高于 1981—1998年，即近年来地表气温一直维持在较高水平。对山西省不同季节升温幅度进行分析，结果显示（图略），在显著升温阶段，冬季升温幅度最显著，其次是秋季和夏季，春季气温变化最不明显。

表2 不同海拔高度AOD特征及变化趋势Table 2 Characteristics and variation trend of AOD in different altitude in Shanxi Province

表3 山西省不同季节AOD特征及变化趋势Table 3 Characteristics and variation trend of AOD in different seasons in Shanxi Province

图5 山西省气温年际变化特征Fig. 5 Characteristics of temperature variation in 1981—2016 in Shanxi Province

2.4.2 山西省AOD对气候变化的影响

气溶胶能减少到达地面的太阳辐射量，从而影响地面气温。对大同、太原和侯马AOD和太阳总辐射进行相关性分析，结果显示，AOD与大同市太阳总辐射量呈负相关关系，相关系数为-0.135，未达到显著水平，与太原市和侯马市呈显著负相关关系，相关系数分别为-0.525和-0.441，这表明，气溶胶能减少到达地面的太阳辐射量，对高AOD地区太阳辐射影响更加显著。上世纪 50年代以来，中国存在一个以四川盆地为中心的变冷区，这个变冷中心可以用AOD增加来解释。杨琨等（2008）、张天宇等（2017）利用四川盆地的气温进行合成分析后指出，气溶胶的冷却效应可以解释80年代到90年代中期的气温偏低现象，其中冬季气温对于AOD的响应最明显。气溶胶的冷却效应在四川盆地体现为地表气温的下降，在中国大部分地区气温显著升高的背景下，气溶胶的冷却效应可能体现为对气候变暖的减缓作用。山西省气温变化显著主要发生在1981—1998年之间，全省109个气象站点，排除因迁站而导致气温显著变化的五台山站，保留其余108个站点气温资料，然后对108站1981—1998年的年、季节平均气温及日最高气温的增温趋势进行逐一分析，计算得出这 18年各站气温的年均增温速率，再与同期（1981—1998年）AOD平均值进行相关分析，结果见表4。

表4 山西省AOD同1981—1988年间气温增速的相关关系Table 4 The correlation between AOD and air temperature increasing rate in Shanxi

在山西省显著增温时期，AOD与年平均气温增温速率呈负相关关系，但未达到显著水平，表明气溶胶虽对气候变暖有一定的减缓作用，但效果不明显。从季节看，冬季平均气温增速和最高气温增速均与AOD呈显著负相关关系，即AOD越大，气溶胶对增温的抑制作用越大，气温的增速越慢。

图6 随着AOD增大冬季平均气温增速、最高气温增速的变化特征Fig. 6 Change characteristics of average air temperature increase rate and maximum air temperature increase rate with the increase of AOD in winter

图6 所示为1981—1998年山西省冬季平均气温和最高气温增速随 AOD的变化特征，结果显示，随着AOD的增加，其增温速率显著下降，即山西省AOD越大的地区，冬季气温增速越慢。山西省冬季 AOD每增加 0.1，平均气温增速减小0.019 ℃·a-1，最高气温增速减少 0.020 ℃·a-1。一方面，冬季 AOD为全年最高；另一方面，1981—1998年间山西省冬季取暖以燃煤为主，由于当时技术所限基本无脱硫设施，因此冬季大气气溶胶硫酸盐含量也较高，从而减缓了气候变暖的进程。罗宇翔等（2012）研究显示，中国春季AOD高值区的面积最大，其次是夏季，面积最小的是冬季，因此中国其他地区气溶胶对增温的抑制作用是否也发生在冬季，这有待进一步的研究。气溶胶的环境和气候效应是把双刃剑（张小曳，2007），减少气溶胶的排放有利于环境和人类健康，同时也可能降低对大气的冷却效应，加速气候变暖的进程。

2.4.3 山西省AOD对气温日较差的影响

气溶胶与气温日较差关系密切，白天大气气溶胶向上反射太阳短波辐射，减少到达地面的太阳辐射，阻止地表气温升高；夜间，大气气溶胶向下反射地表长波辐射，减少地表热量散失，阻止地表气温降低，因此气溶胶的存在能使气温日较差变小。图7所示为山西省气温日较差与AOD的变化特征，二者之间的相关系数见表5。结果表明，山西省AOD与气温日较差呈显著负相关关系，随着AOD的升高，气温日较差有下降趋势。就季节来看，冬季和夏季的负相关关系达到显著水平，其中冬季负相关系数的绝对值最大。冬季气溶胶浓度高，AOD较大，对太阳辐射影响大；夏季太原辐射最强烈，气溶胶对太阳辐射的反射作用也最强（廖礼等，2015）。Zhang et al.（2010）应用WRF-Chem模式模拟美国大陆地区气溶胶的气候效应，结果表明气溶胶分别能够减少1月和7月的太阳辐射多达9%和16%，表明气溶胶的冷却效应在冬夏可能更加显著。气溶胶在不同季节的气候效应的差异除了与浓度相关外，与气溶胶本身的化学组成和混合状态也有密切关系，这些都会影响气溶胶的总辐射和吸收特性（张小曳，2007）。

表5 山西省AOD与气温日较差相关关系Table 5 Correlation coefficient between AOD and temperature daily range

3 结论

山西省气溶胶光学厚度的多年分布具有典型的地理特征，整体上呈现为由北向南增加、由中部盆地向两侧山地减小的特征，呈现较为清晰的盆地特征。AOD全省多年平均值为0.23，不同地区AOD年均值变化范围为0.10～0.46。

山西省AOD在 1981—2016年间整体上升趋势明显，但并不是完全呈线性，在2008—2013年间有1个低谷。除春季外，冬季、夏季和秋季AOD均呈显著上升趋势，其中以冬季变化幅度最大。山西省AOD上升的地区有79个，占72%，主要分布在太原盆地、临汾盆地、运城盆地及长治盆地等地区。AOD分布和变化与海拔密切相关，海拔越低，AOD越大，低海拔地区的 AOD上升对全省AOD增加的贡献最大。

山西省气温在1981—2016年间存在1个显著升温过程和 1个升温停滞过程，气溶胶的气候冷却效应对山西省1981—1998年间的气候变暖有一定的减缓作用，尤其对冬季增温有显著抑制作用，即山西省AOD越大的地区，冬季气温增速越慢，冬季AOD每增加0.1，平均气温增速减小0.019 ℃·a-1，最高气温增速减少 0.020 ℃·a-1。此外，山西省 AOD与气温日较差存在显著负相关关系，随着AOD的增加，山西省气温日较差有下降的趋势；冬夏季负相关系数的绝对值大于春秋季节，负相关关系更加显著。

图7 山西省年、季日较差和AOD变化特征Fig. 7 Variation of year and seasonal Temperature daily range and AOD over Shanxi Province from 1981 to 2016

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