近14年来中国大陆气溶胶光学厚度的时空演变特征

黄春娟

摘 要：本文利用2001—2014年的MODIS产品分析了中国大陆地区气溶胶的时空演变特征。结果表明：就全国地区来说，其空间分布呈现高低值错落分布的特征;其时间变化表明，AOD大部分地区呈减弱趋势。季节性年平均AOD值的空间分布中极大值区域占全国地区的面积比，夏季最大;极小值区域的面积比，秋季最大。就3个典型区域来看，四川盆地是年平均AOD值最高的区域。

关键词：AOD;线性趋势;EOF分析;聚类分析

中图分类号：X513文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）28-0156-05

Abstract： Using the MODIS products from 2001 to 2014， this paper analyzed the temporal and spatial characteristics of aerosol in mainland China. The results showed that the spatial distribution of AOD in the whole country was characterized by high and low value distribution， and the temporal variation showed that AOD tended to weaken in most areas. In the spatial distribution of seasonal annual average AOD， the area ratio of the maximum area to the national area was the largest in summer， and that of the minimum area was the largest in autumn. For the 3 typical regions， the Sichuan basin was the highest area with an average annual AOD value.

Keywords： AOD;linear trend;EOF;clustering analysis

1 氣溶胶概述

大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系，粒子的粒径多为0.001～10μm[1]。由于其是由不同相态物体组成的，虽然含量很少，但对大气中发生的许多物理化学过程都有重要影响。例如，气溶胶起到云凝结核作用，因为它的存在，地球上才会有丰富的天气现象。由于气溶胶在大气中的停留时间较短，且其特性随空间和时间都有明显的变化，因此，到目前为止，尚缺少足够的数据来研究大气气溶胶对气候系统的确切影响。根据目前的研究结果可知，由气溶胶引起的全球平均辐射强迫和温室气体引起的辐射强迫量级相等，而性质却相反[2]。从气溶胶的“阳伞效应”可知，气溶胶引起的温度降低有可能局部抵消由于温室气体引起的全球温度升高。而作为气溶胶最基本的光学特性之一，气溶胶光学厚度（AOD）被定义为介质的消光系数在垂直方向的积分，是描述气溶胶对光衰减作用的主要因子[3]。本文主要研究中国地区的气溶胶光学厚度的演变特征，并对气候的多样评估和气候变化进行分析。

2 资料与方法

本文采用NASA发布的MODIS Level2月平均陆上气溶胶数据集[4]，波段为550nm的气溶胶光学厚度，分辨率是1°×1°[1°×1°]，时间从2001年1月到2014年12月，包含168个月的平均数据。MODIS全称为中分辨率成像光谱仪，其优点是空间分辨率高，是百米量级;在时间分辨率上，一天可以过境4次，对各种突发性、快速变化的自然灾害有更强的实时监测能力。但是，MODIS也有缺点，即针对陆地上反照率高的地区，会监测不到数据[5]。本文选取的塔克拉玛干沙漠地区，由于地面植被覆盖率极低，使陆面反照率很强，最终导致AOD数据是以缺测值处理。

本文利用MATLAB将原始数据读成DAT形式，再利用Fortran编程和GrADS画图软件出图，分析中国大陆年平均AOD变化趋势，利用的统计方法有最小二乘法[6]、经验正交函数分解（EOF）[6]和聚类分析。文中大气气溶胶光学厚度用英文简体AOD代替。

3 AOD的时空分布特征

3.1 典型区域的选取

利用EOF分析2001—2014年的年平均AOD，列出第一特征向量的特征值和方差贡献率，得出第一特征向量场中所有时间的累积方差贡献率都超过了70%。这说明各时间平均下，AOD的空间分布具有很高的收敛性，即全国大陆AOD的增加或者降低的步调是较为同步的，也说明全国AOD的空间分布与第一特征向量所对应的空间场描述特征基本一致，即中国大陆AOD距平从西北向东南呈现负正负变化特征，其分布中心在四川盆地、京津冀地区和长江三角洲地区。这些地区的AOD分布有很好的代表性[7]，因此，选取这3个地区作为研究整个中国大陆AOD时空演变特征的典型区域。

3.2 聚类分析下中国大陆年平均AOD的空间分布特点

本文就年平均AOD进行聚类分析[8]。一般而言，类分得越多不一定越好，因此，选取3类和4类进行对比讨论。挑出这两类AOD范围内所有的AOD值，算出其平均值和加减一倍标准差，结果如表1所示。4类聚类方法的均方差更小，数据分类分得更集中，因此，选4-means分类方法画出最终的年平均AOD的空间分布图，从分布图中可以看出，年平均AOD的空间分布呈现出“高低值错落”[9]分布的特征。主要的高值区有：①经济发达、人口密集的华中地区，分布从四川盆地、两湖再到长江三角洲，并向南、向北分别扩散到华南和华北地区;②以沙尘为主要气溶胶源的塔里木盆地周围一圈，这与罗云等[10]得出的近30年来中国AOD分布的两个高值中心是四川盆地和南疆盆地的结论一致。。穿插在高值区域内的是一些低值AOD，包括：①东北三省、内蒙古北部和新疆北部，这些地区的AOD值都在0.4以下;②四川盆地以西青藏高原地区，云南北部与四川、西藏交界地区以北，这些低值区由于人烟稀少，海拔较高和植被覆盖率较高，使得气溶胶光学厚度在0.1以下。需要注意的是，海南省、台湾省和福建省，由于毗邻海洋，年降水量充沛，雨水对气溶胶的沉降作用会使AOD值降低，与华中、华北地区相比，AOD呈现低值，为0.3～0.4。

就3个典型区域来看：①长江三角洲几乎完全被高值区覆盖，约为0.8;②四川盆地是中国年平均AOD的最高值中心，14年来的年平均AOD是0.7左右，中心AOD值最高可达0.8以上，这与罗宇[翔等][9]的分析一致;③京津冀地区相对其他两个地区AOD值较小，年平均AOD为0.4左右，其南部地区有0.7左右的AOD高值区，这一区域主产小麦，而且人口稠密，加上农民有焚烧秸秆的习惯[11，12]，因此气溶胶含量很高。而北京和天津的AOD值为0.5～0.6，而人口稠密和城市化是对这些地区AOD具有主要贡献的因子[13]。

从季节平均的AOD空间分布情况来看，中国大陆气溶胶光学厚度高低值错落分布的特征基本不变，只是AOD分布中心强弱随季节变化而变化。

春季，中国东部地区和四川盆地，气溶胶光学厚度AOD值最高达0.8～1.2;西北塔里木盆地西北外圈也有0.9～1.2的高值区。全国AOD最低值仍出现在四川、云南和西藏的交界处。

相对于春季，夏季AOD值在四川盆地、两湖地区、珠江三角洲以及塔里木盆地周围有所减弱，高值区聚集到了长江三角洲地区以北到京津冀地区的华北大部分，AOD值为0.8～0.9的面积较多。与春季相比，这些地區成为夏季最高值地区，这与夏季温度升高增加了气溶胶二次转换的化学反应的发生有关。夏季最小值AOD的地区仍在川、藏和滇交界处，相比于春季最小值区域面积有所减小。如表2所示，极小值区域面积比由春季的2%增加到夏季的13%。

秋季AOD高值区在华北地区和长江三角洲地区已经明显的减弱，全国年平均AOD在0.2左右，是四季中年平均AOD最小的季节。AOD极大值区域的面积比由夏季的8.5%骤降到秋季的1.9%。AOD最小值区域由春季和夏季川、滇和藏交界处，增加到黑龙江省北部大兴安岭地区，秋季极小值区域面积比为32%，大于另外3个季节。

冬季由于积雪，增加了地面反照率，使我国北方高纬度许多地区AOD值缺测。与其他三个季节相比，冬季AOD高值区出现在四川盆地地区，最低值仍在川、藏和滇交界处，且最小值区域面积往南部扩张到云南省北部大部分地区。

3.3 中国大陆年平均AOD的时间变化特点

2001—2014年中国大陆年平均AOD的时间序列图如图1所示。

从图1可知，2001—2008年AOD有明显的上升趋势，AOD以每年0.001 5的倾向率增加，该分析结果与文献的描述基本一致。这期间出现两次高峰，从2001年至2003年，年平均AOD迅速增加，从0.291增加到0.317，增加了8.9%，2003年是近14年来AOD最大的年份。2004年AOD下降到0.291，之后又开始增长，2008年达到另一个峰值（0.312）。从2008年到2014年，AOD总体呈现出减少的趋势，以每年0.005 8的较高倾向率减少，其中2013年是近14年来AOD值最低的年，为0.267。就14年来看，AOD值总体为下降趋势，以每年0.002 4的倾向率在减少。

利用最小二乘法算出四季和年平均AOD的线性回归系数，并进行检验，得出除冬季、春季、夏季、秋季和年平均AOD值都在随时间的增加而减小，并且相关系数通过95%的t检验。而冬季随时间的增加呈增长趋势，相关性较差。

图2为近14年来AOD的逐年和季节平均的时间序列图。图中全国地区年平均AOD总体呈降低趋势，纵向看，春季每年的AOD值都高于同年的其他季节。

长江三角洲AOD值总体以每年0.004的速率减少，其变化速率要比全国年平均值大。除2009和2014年外，长江三角洲春季的AOD值都大于夏季的年平均AOD值。四季变化中，AOD值与全国地区变化一致。

四川盆地年平均AOD以每年-0.004 9的趋势变化，且春季具有AOD季节平均的最大值，比长江三角洲地区和京津冀地区的春季AOD值高。可能的原因是：春季四川盆地受我国北方远距离输送沙尘的影响，加上四川盆地四周环山中间海拔低和这一段时间里降水不多，使得AOD得到堆积。到了夏季，年平均AOD值降到了0.57，原因可能是：夏季四川盆地降水充沛，降水量约占四川盆地全年的60%～90%左右，雨水的沉降作用大大减少了气溶胶的含量。

京津冀地区四季变化中，夏季具有最大的气溶胶光学厚度值，而冬季的AOD值是最小。分析其原因，可能是京津冀地区四季分明，冬季和春季的温湿相差很大。夏季的气温和湿度很比冬季要高，对气-粒转化过程有利。在夏季，混合层发展较高，水溶性气溶胶吸湿膨胀也会导致季节平均的AOD值夏季高于冬季[14]。同一时间不同地区的变化特征中四川盆地是全国年平均AOD高值区。除了夏季，四川盆地的AOD平均值要高于其他任何地区。这3个典型区域都是人口比较稠密，经济比较发达和地势较平坦的地区，气溶胶光学厚度值都远高于全国地区的年平均值[13]。总体从年变化趋势来看，3个典型地区无一例外的呈现减弱趋势，且四川盆地地区的减少趋势最大，京津冀地区最慢。

4 讨论和结果

本文利用2001—2014年的MODIS产品分析了中国大陆地区气溶胶的时空演变特征，其分布特征和文献[4，9]所述基本一致，由于本文使用了14年的资料，因此能更细致地描述全国地区和几个典型地区AOD值得时空演变特征。

就全国地区来看，其空间分布呈现高低值错落分布的特征;其时间变化表明，AOD大部分地区呈减弱趋势。季节性年平均AOD值的空间分布中极大值区域占全国地区的面积比，夏季最大;极小值区域的面积比，秋季最大。四季中共同的最小值区域为川、藏和滇的交汇处。全国地区的时间序列总体呈下降趋势，线性回归系数为-0.002 4/a。四季中，春季的年平均AOD值最大，这与宗雪梅等[15]得出春季容易出现气溶胶光学厚度的较大值一致。之后为夏季和冬季，秋季最小。

就3个典型区域来看，四川盆地是年平均AOD值最高的区域。春季、秋季和冬季四川盆地都是年平均AOD值最高的区域，而夏季，长江三角洲是AOD年平均值最大的区域。毫无例外，这三个典型地区的年平均和季节平均AOD值都大于全国地区。另外，这3个典型地区的年平均AOD的变化趋势和全国地区的变化趋势一致，都呈减弱趋势，只是减小的幅度有所差异。近14年来，年平均AOD值呈连续下降的趋势，具体原因需要进一步确认，最终由定性分析转为定量分析。本文基本的时空演变特征将有助于全国地区和3个典型地区的空气质量变化的研究和区域气候变化的讨论。

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