基于MODIS C6产品研究湖北省气溶胶光学特性的时空分布

王晓玲，吕睿，王艳杰，朱君

大气颗粒物又称大气气溶胶，是由固体颗粒或小液体在气体介质中形成的悬浮体系，是地球-大气-海洋系统的重要组成部分（毛节泰等，2002；唐孝炎等，2006；张小曳，2014）。近年来，大气气溶胶及其气候效应受到广泛的关注（石广玉等，2008；申彦波等，2008；Gu et al.，2010；Xia et al.，2016；张小曳，2007，2014）。气溶胶通过吸收和散射直接影响地球大气系统的辐射估算（Bellouin et al.，2005，2008；Chung et al.，2005；宋姚等，2012）。由于气溶胶存在巨大时间空间变化，使得对气溶胶的辐射效应的评估还存在很大的不确定性（IPCC，2013）。气溶胶的辐射效应主要依赖于其光学特性的变化，因此准确地认识气溶胶的光学特性很有必要。对于气溶胶光学特性已经有很多研究成果，但多集中于京津冀（车慧正等，2007；吕睿等，2016；Che et al.，2014）、长三角（Xia et al.，2007；Pan et al.，2010；Xu et al.，2012；Qi et al.，2016）、珠三角（Cheng et al.，2008；Andreae et al.，2008；郑彬等，2013）等经济人口密集且污染较为严重的区域。然而，华中地区的气溶胶载量也处于较高水平，同时伴随较强烈的气溶胶消光过程，但是针对华中地区气溶胶光学特性的研究仍然比较罕见（Gong et al.，2014；Wang et al.，2015）。

对气溶胶的遥感观测是认识气溶胶光学特性的有效手段，人们通常使用地基遥感获得气溶胶光学参数，但存在一定空间限制。气溶胶卫星遥感观测的空间覆盖广，时间序列连续性好，与地基观测相关性很高（Kang et al.，2016；郑有飞等，2012），能够取代并弥补地基观测的低空间适应性，对于区域气溶胶光学特性的评估而言有很大价值。在卫星遥感方面，Tan et al.（2015）利用MODIS C5 Level 3数据集对中国东部地区气溶胶柱质量浓度（AMC）和细粒子比（FMF）进行时空变化分析，发现高FMF值出现在暖季，低 FMF出现在冷季，夏季以积聚态气溶胶为主。安晓丹等（2016）通过MODIS光学厚度、细粒子比及后向轨迹模型分析了 2014年华北平原在夏收期间气溶胶污染的时空分布特征及形成原因，指出秸秆燃烧是华北平原在夏收期间的主要污染源之一。董自鹏等（2014）分析了2000年3月—2012年2月陕西省气溶胶光学厚度（AOD）的时空变化趋势及成因，发现光学厚度受地形因素和局地源的共同影响。罗宇翔等（2012）分析了2001—2010年中国AOD的年变化和季节平均分布，建立了近10年来中国气溶胶光学厚度的气候学特征，结果表明中国年平均AOD空间区域分布中心大体呈现两低两高，春季AOD高值区面积最大，冬季最小。郭阳洁等（2010）分析了湖北省AOD与人口密度、人均工业产值、森林覆盖率之间的关系，结果表明AOD高值区主要位于地势较低、人口密度较大、人均工业产值较高、森林覆盖率较低的湖北中南部。本文基于新版本（C006）MODIS Level 2数据集分析了湖北省及武汉市的气溶胶光学厚度、细粒子比、气溶胶柱质量浓度的季节变化和年际变化特征，旨在为评估华中地区的气溶胶辐射效应提供支撑依据，为评价环境及气候效应提供帮助。

1 资料与方法

利用美国国家航空航天局（NASA）Aqua卫星搭载的MODIS传感器C6气溶胶产品（MYD04_L2）获取气溶胶光学参数，其空间分辨率为 10 km×10 km。相比MODIS其他版本产品（C4、C5、C51），该版本改进了反演算法，其产品的准确度和空间覆盖范围都有所提高（Levy et al.，2013）。C6产品准确度在中国地区的研究中得到很好的验证关系（Tao et al.，2015；赵仕伟等，2017；杨以坤等，2016；Shi et al.，2017）。考虑到湖北省地形地貌特征，利用基于暗目标元法（Dark Target，DT）与深蓝算法（Deep Blue，DB）的融合产品（AOD_550_Dark_Target_Deep_Blue_Combined）获取气溶胶光学厚度。融合方案基于归一化植被指数（NDVI）数据将地表分为 3 个类别：NDVI＜0.2、0.2≤NDVI≤0.3 和NDVI＞0.3，基于不同地表类别对 DT和 DB两种AOD产品进行质量控制（QA）挑选和融合（Levy et al.，2013；Sayer et al.，2014）。在城市和植被稀疏区 BD算法的准确性更高，而在地表反照率较低的地区（如植被茂密区）DT算法具有更佳的适用性（Sayer et al.，2014）。细粒子比的获取使用“Optical_Depth_Ratio_Small_Land”产品。气溶胶柱质量浓度的获取使用“Mass_Concentration_Land”产品，由于柱质量浓度的准确性还存在很大的争议，本研究对气溶胶柱质量浓度的探讨更多的是基于定性层面。研究时间为2002年7月—2017年1月。由于Level 2数据为轨道数据，为了更好地进行空间匹配，本文将数据格点化插值到 0.1°×0.1°后进行等值线绘图。对于月均及年均结果的计算，将途经武汉周边区域（图1a红框）的轨道数据进行分别提取后，在这一范围内进行区域格点平均，再做日平均统计，进而分别计算月均值、季节均值和年均值。下文结果分析中提到的主要城市也于图1a中标注。

图1 2002—2016年湖北省MODIS融合产品格点有效样本数空间分布Fig. 1 The seasonal spatial distribution of the number of samples based on Aqua MODIS C6 Level-2 combined products in 2002—2016 over Hubei Province1. 神农架林区 Shennongjia Forest; 2. 襄阳市 Xiangyang; 3. 孝感市 Xiaogan;4. 武汉市 Wuhan; 5. 黄冈市 Huanggang; 6. 宜昌市 Yichang; 7. 荆州市 Jingzhou

图1 所示为融合产品的有效样本数分布情况。整体而言，夏冬两季的有效样本数低，春秋有效样本数高。冬季QA＞3的DT产品在武汉周边出现大范围缺测，而通过质量控制高（QA＞2）的 DB产品的有效补充，融合产品在武汉周边区域样本统计结果高于其他季节。武汉周边地区其他三季出现偏低统计结果，是由于这一区域下垫面情况特殊，不仅水域分布错综复杂而且混杂反照率较高的密集城市建筑群，使得DT、DB两种产品数据反演质量都比较低（DT：QA＜3，DB：QA＜2），因而未被融合，加上夏季降水频繁（云量多，云层厚）（倪林等，2009）甚至出现无统计样本的格点。基于上述原因，本研究将提取武汉周边地区数据的经纬度范围定为 29.96～31.36°N、113.68～115.08°E，因为小区域内气溶胶分布的变化不显著，略微扩大数据提取范围有利于周边区域有效值的补充，使结果更具代表性。

2 结果与讨论

2.1 湖北省气溶胶光学特性空间分布特征

图2所示为湖北省550 nm AOD的季节变化特征。由图可知，湖北省 AOD季节变化特征非常明显，整体表现为春季＞夏季＞冬季＞秋季。这种春夏高、秋冬低的季节特征与南京（Kang et al.，2016）、北京（Yu et al.，2017）等地区结果类似，且中国整个东部地区也表现出这一特征（李嘉伟等，2016；Tan et al.，2015）。从地区分布来看，AOD值跨度很大，东西部出现明显的高低值区分界线，分界线位于襄阳市和宜昌市，两市东西区域AOD梯度较大。湖北西部为山地地区，地势高、人口密度低、人类活动少（龚胜生等，2015），使鄂西部地区AOD值远小于地势平坦、人口密集的东部地区，其低值区范围在冬天达到最大。春季湖北省中南部地区存在大范围的高值区，其AOD值远超出1.0，显著高于同地区其他季节值，更超出湖北省平均水平（0.81），这与春季局地扬尘增多和远程输送沙尘频繁有关（李兰等，2004；王芬娟等，2015）。四季最低值均出现在神农架林区，其AOD值小于0.2，秋冬季甚至有部分地区低于0.1。四季最高值出现在荆州周边及武汉周边，AOD大于0.9，春夏季甚至超过1.0，这一方面与人类活动气溶胶排放有密切关系，另一方面因为这一区域三面环山（鄂西山地、鄂东北低山丘鄂东南低山丘陵），地势较为低洼（郭阳洁等，2010），有利于污染物积聚。此外，襄阳市和黄冈市东南部也出现较高的AOD中心。

图2 湖北省2002—2016年的AOD550的空间分布和季节变化特征Fig. 2 The seasonal averaged spatial distribution of AOD550 based on Aqua MODIS C6 Level-2 combined products in 2002—2016 over Hubei Province

图3 湖北省2002—2016年FMF 空间分布和季节变化特征Fig. 3 The seasonal averaged spatial distribution of FMF based on Aqua MODIS C6 Level-2 combined products in 2002—2016 over Hubei Province

图3 所示为湖北省细粒子比季节分布情况。细粒子比表征有效直径小于 1 μm 粒子 AOD与总AOD比值（Anderson et al.，2005）。由图可知，气溶胶细粒子比分布与气溶胶光学厚度分布呈现相反的趋势，即鄂西部地区四季 FMF值均高于东部地区，AOD值越高的地区FMF值越低。春季鄂西部地区气溶胶细粒子比远低于其他3个季节，即便在大气较为清洁的神农架林区，其细粒子比也仅在0.6～0.7的范围内，这是由于春季频繁的沙尘天气携带大量的粗粒径沙尘粒子所影响（操文祥等，2015）。相比冬春季，夏秋季细粒子比更高，这一结果与Tan et al.（2015）对中国东部地区的分析结果类似，夏季高温高湿的气象条件（郑祚芳等，2002）使得气粒转化更为频繁，亚微米级气溶胶显著增加，此外，夏季植物生长繁茂，生物排放气溶胶含量增加也为夏季贡献了较多的细模态颗粒物（Li et al.，2013）。鄂西部地区夏季细粒子比接近1，这表明此地区主要为细模态气溶胶。细粒子比最低值出现在冬季的武汉市及荆州市，其值低于 0.1，说明人为源气溶胶在这一地区排放量大，为大气带入大量粗模态颗粒物，如燃煤飞灰等（Han et al.，2009）。此外，冬季偶发的局地扬尘和沙尘输送也是粗模态颗粒物的一大贡献源（李亮等，2013）。冬季湖北省全境范围内 FMF值较低，就鄂西部而言，细粒子比高低值梯度较大，与人口密集程度成正比（龚胜生等，2015），说明冬季气溶胶成分在城镇区域很大程度受人为源排放的影响。

图 4所示为气溶胶柱质量浓度的空间分布状况。四季高低值分界线明显，高值区主要出现在鄂中南部地区（江汉平原），鄂西部山地区全年的气溶胶浓度较低，大气较清洁，其中最低值均位于神农架林区，这一结果与AOD分布较为类似。夏秋冬三季低值区范围较春季有所扩大，结合春季低值区的细粒子比较低的状况，可能是由于春季气候条件特殊（郑祚芳等，2002），气温回暖迅速、大风天气频繁，使土壤扬尘增加，并且伴随着北方沙尘气溶胶的大量输送使得春季气溶胶量含量增多。春季气溶胶柱质量浓度的整体水平较高，最大值中心出现在荆州市、武汉市及孝感市，其值超过 80 μg∙cm-2。冬季AMC高值区范围及最大值仅次于春季，这主要归因于冬季边界层条件稳定，有利于大量排放的人为气溶胶积聚和转化，使气溶胶消光随着浓度增加而增强。夏秋两季高值中心均出现在荆州市东部及武汉地区，其最大值在 50～60 μg∙cm-2。夏季AMC分布高值区范围最小，这一状况与AOD分布情况略有不同，这表明夏季AOD高值并不是气溶胶浓度升高引起，而是由于夏季水汽含量非常高，气溶胶吸湿性增长作用明显，气-粒转化过程形成的二次气溶胶增加，两者共同作用使得消光加剧（He et al.，2012；Yu et al.，2017）。

2.2 武汉地区气溶胶光学特性

武汉地区近年来经济不断发展，城市化水平不断提高，成为华中地区工业、经济与人口密集的大型城市之一，其空气质量问题也引起人们的广泛关注。为加强对武汉地区上空气溶胶状况的认识，对其气溶胶光学特性进行分析，数据提取范围为29.96～31.36°N、113.68～115.08°E。表 1 所示为武汉地区气溶胶光学厚度、细粒子比和柱质量浓度的季节平均值。

图4 湖北省2002—2016年AMC空间分布和季节特征Fig. 4 The seasonal averaged spatial distribution of AMC based on Aqua MODIS C6 Level-2 combined products in 2002—2016 over Hubei Province

表1 武汉地区AOD、FMF、AMC季节平均值Table 1 The seasonal averaged AOD550, FMF, AMC over the surrounding areas of Wuhan

武汉地区AOD季节平均值表现为春夏季节高，秋冬季节低，与整个湖北省结果相同。但与Gong et al.（2014）对武汉 2012—2013年利用太阳光度计观测的光学厚度结果略有不同（冬季偏高）。武汉AOD水平较高，四季均达到0.7以上，春天AOD远高于其他季节，达到1.0，高于2012年武汉春季研究结果（0.83，500 nm）。Wang et al.（2015）分析了武汉市 2007—2013年长期太阳光度计观测资料，表明武汉市500 nm AOD在夏季达到了1.09，高于本文MODIS反演结果（0.83）。武汉四季细粒子比夏天最高（0.51），代表颗粒物细模态消光与粗模态消光水平相当，次大值出现在秋天（0.34），冬天最低（仅为 0.15），这表明，相对于其他季节，冬季的粗颗粒物消光对总消光的贡献增加，这可能归因于冬季取暖等人为活动增强，燃煤飞灰等排放增加，除此之外冬季偶发的沙尘天气也对粗粒子消光有一定的贡献（李亮等，2013）。武汉地区气溶胶柱质量浓度在春季达到最大值（69 μg∙cm-2），夏秋冬 3个季节相差不大，分别为 43 μg∙cm-2、43 μg∙cm-2和 42 μg∙cm-2，表明除春季大量外来沙尘粒子入侵使气溶胶量增加外，其余时间武汉市气溶胶含量处于较为均一的状态，污染源比较稳定。

图5所示为武汉地区气溶胶光学厚度、细粒子比和气溶胶柱质量浓度的年平均及月平均情况。光学厚度峰值略滞后于气溶胶柱质量浓度峰值，而细粒子比峰值滞后于AOD峰值。细粒子比峰值出现在夏季，其中最大值（0.70）出现在2010年6月，这是由于夏季温度高、湿度大，容易产生粒径较小的二次颗粒物（He et al.，2012）。气溶胶光学厚度月平均最大值出现在2010年6月，达到1.62；次大值发生在2014年6月，AOD值为1.58；最小值出现在2014年和2015年的12月，均为0.36，仅为最大值的1/5。从14年的月均变化趋势分析来看，AOD和AMC整体呈现下降趋势，其中AOD每月降率为-0.0006（通过90%显著性检验），AMC每月降率为-0.05（通过95%显著性检验）。FMF呈逐年增加趋势，增率为 0.0004，但显著性水平较低（P=0.17）。2008年平均光学厚度达到最大值（0.98），AOD在 2008年前有逐年增加的趋势，每月增加0.002（通过95%显著性检验），而在2010年后光学厚度呈现逐年降低的趋势，每月降低 0.004（通过99%显著性检验）。气溶胶柱质量浓度年平均最大值（54 μg∙cm-2）和次大值（53 μg∙cm-2）分别出现在 2007年、2008年，2008年之后月平均距平减小，峰谷值均有所降低，表明武汉周边区域空气质量状况有所改善，推测与近年来大气污染治理政策的实施有很大关系。这一点在对于武汉近些年地面空气质量检测结果的趋势研究中也得到了印证（许刚等，2016；高丹丹等，2016）。

图5 武汉地区AOD550、FMF、AMC月均变化及年平均状况Fig. 5 Monthly average trend and annual average of AOD550, FMF, AMC over the surrounding areas of Wuhan

3 结论

（1）由于湖北省地形和人口密度呈现东西部两极分化情况，鄂西部地区气溶胶含量较低，消光较弱，尤其在神农架林区，气溶胶水平极低，主要以洁净的自然源气溶胶为主；鄂东部地区人口密度大，尤其在中南部经济发达地区，能源消耗高、人为排放量大，使其气溶胶含量增加，且以粗模态粒子为主。在季节变化方面，春季由于气温回暖，风速增加，大气气溶胶结构和光学特性受远距离输送的沙尘气溶胶影响很大；夏季相对湿度剧增，气溶胶吸湿增长和二次气溶胶的生成使得细粒子比增加，气溶胶消光增强；冬季高载量的气溶胶主要归因于稳定的边界层条件。

（2）武汉地区气溶胶光学厚度表现出春季＞夏季＞冬季＞秋季。气溶胶柱质量浓度以春季最高，其他三季均值相差不大，表示除春季大量外来气溶胶输送外，武汉地区气溶胶排放源较为稳定。从变化趋势来看，AOD与AMC均随时间呈现减小趋势，2010年后 AOD以每年约 0.05的趋势下降；2008年后AMC月平均距平减小，峰谷值均降低，与武汉近年地面空气质量检测变化趋势结果类似，表明武汉地区大气污染治理初见成效。

致谢：非常感谢NASA数据中心提供MODIS资料。

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