基于MODIS 的我国大气气溶胶统计特征分析

刘向春

（江西信息应用职业技术学院，江西 南昌 330043）

东南地区AOD 值最高，月平均峰值出现在6 月，FAF 值较高，达到0.495，污染程度最为严重；四川盆地和西北干旱地区的AOD 次之，峰值分别出现在4 月和5 月，四川盆地FAF 值最高达0.631，这两个地区的污染程度也相对较高；青海、甘肃及内蒙古中西部地区和东北及内蒙古东部地区的AOD 值最小，峰值出现在春季，后者的FAF 值也最小仅为0.363，该地区的环境状况较为良好。

气溶胶能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，直接影响地球大气的辐射平衡，并通过成云作用及非均相化学反应参与大气中的各种化学过程[1-2]。它能够通过散射和吸收太阳辐射来直接影响地球辐射平衡，对太阳短波辐射的散射将提高地表反照率，使得地气系统获得的太阳短波辐射减少引起地气系统降温；对太阳短波辐射的吸收则会给大气加热，成为大气热源并导致大气环流的变化[3]。

此外，气溶胶还起到云凝结核的作用，大量的气溶胶粒子使得云滴数量增加，平均半径减小，云滴浓度增大，从而增大了云对太阳辐射的短波反射率，减少降水概率[4]。

由此可见，气溶胶对全球能量平衡，大气环流及气候变化有深刻的影响，研究气溶胶特性对我们了解这些问题有重大意义。

虽然气溶胶的质量仅占整个大气质量的十亿分之一，它所起的重要作用也引起了人们的广泛关注。作为世界上最大的发展中国家，我国的环境问题也日益严峻。

研究我国尤其是沙漠干旱地区的气溶胶光学特性分布特征，能够让我们更深入、更直观地了解我国的气溶胶问题，并为解决这些问题提供便利。

本文拟利用2004 年至2008 年的MODIS 二级气溶胶反演资料（MOD04、MYD04）和三级月平均格点资料（MOD08）监测我国不同地区的气溶胶光学特征和浓度分布特点，对比不同地区间气溶胶物理特性的异同，提取区域气溶胶组成特点及其对环境效应的影响。

1 资料来源及仪器原理

1.1 资料来源

本文使用了Terra 和Aqua 卫星上的MODIS 二级气溶胶反演资料（MOD04、MYD04）和三级月平均格点资料（MOD08）。

MODIS二级数据是在一级数据的基础上开发出的、具有相同空间分辨率和覆盖相同地理区域的数据，二级气溶胶反演资料的空间分辨率为10km，覆盖全球海洋和近乎全球陆地，本文分析了该资料内的气溶胶光学厚度，细粒子比例以及粒子浓度等气溶胶参数。

MODIS 三级月平均格点资料是由二级资料插值平均到1°分辨率的网格点上生成的，在本文中分析了该资料内的AOD（0.55μm）和FAF 等参数。

1.2 算法基本原理及背景介绍

本文采用MODIS 陆地气溶胶V5.2 算法。在大气层顶的表观反照率是一个地气耦合系统内辐射相互作用的连续函数，主要包括了来自地表和大气以及两者相互作用的贡献，忽略周围环境辐射对目标物的影响，可以将大气层顶接收到的反射率近似为：

其中，等式右边第一项为大气路径反射率，第二项为地表反射辐射贡献项，Fλ(θ0)是下行透过率，Tλ(θ)是卫星观测方向上的上行透过率，ρsλ(θ0,θ,φ)是地表反射率，Sλ是大气后向散射比（半球反照率）。等式（1）右边各项除了地表反射率，其余各项都是气溶胶类型和气溶胶光学厚度的函数。假设一小部分气溶胶的类型和气溶胶光学厚度可以描述全球范围的气溶胶，那么我们可以推导出一个包含这些气溶胶条件的预先计算的查找表。该算法的目标是使用查找表来确定最能模仿MODIS 观测到的光谱反射率ρmλ 的条件，并检索相关的气溶胶特性，包括气溶胶光学厚度AOD 和权重（Fine aerosol Weighting，η，以下简称FW）。

2 分析结果

2.1 气溶胶光学厚度的对比

本文主要利用了MODIS 二级气溶胶数据对我国五个地区：东北及内蒙古东部地区（40.0°-50.0°N，110.0°-130.0°E），东南地区（22.5°-35.0°N，110.0°-120.0°E），青海、甘肃及内蒙古中西部地区（35.0°-45.0°N，90.0°-110.0°E），四川盆地（20.0°-30.0°N，100.0°-110.0°E）和西北干旱地区（35.0°-45.0°N，75.0°-90.0°E）的AOD、MC、FAF 等参数进行反演对比。

根据五个地区2008 年四季（3、4、5 月为春季，6、7、8 月为夏季，9、10、11 月为秋季，12 月至来年1、2 月为冬季）典型个例的光学厚度图像，以及五个地区的气溶胶光学厚度统计特征图像，可以得出：

在东北及内蒙古东部地区，AOD 值多集中在0-1.0范围内，比例可达90%。该地区春季AOD 值最大，达到1.0 以上的气溶胶比例最高，个别地区AOD 值高达3.0；至夏季AOD 值减小，基本低于1.5；而到秋季AOD 值均小于1.0；冬季达到最小。总体呈春夏两季较高，秋冬两季稍低的变化特征。

我国东南地区AOD 值普遍较高，AOD 值在0.5 以上的所占比例超过50%，该地区春季AOD 值最大，范围最广，最大可达3.5；到夏季，AOD 在0.5 以下所占比例减小，不足20%，出现最大值可达0.45；秋冬两季，0.5 以下的比例又有增加，AOD 最大值不超过2.0。总体呈现春夏两季最大，秋冬次之的变化特征。

青海、甘肃及内蒙古中西部地区的AOD 值基本集中在0-1.0 范围内。AOD 值在0.5-1.0 范围内为春季最高，约占10%；夏季稍减小，略低于10%，而到秋季，AOD 值基本在0-0.5 范围内，直至冬季才又略有升高，总体变化趋势不太明显。

四川盆地地区的AOD值同样集中在0-1.0范围内，同样在春季较高，夏秋次之，到冬季达到最小。

在西北干旱地区，AOD 值也普遍较高。在春季，AOD 值在0.5 以上所占比例约有50%，最大值可达到3.5；到夏季，AOD 值在0.5 以上的比例急剧减小，小于20%，AOD 最大值也小于2.5；秋季，这个比例进一步减小，AOD 最大值小于1.5；直至冬季，AOD 值又有增大，在0.5 以上的比例又增加，可达到40%。总体呈现春季最大，冬季次之，夏秋最低的变化特征。

综上所述，这五个地区的AOD 值一般都在春季达到最大，东南地区和西北干旱地区的AOD 值明显高于其他地区，其中，又以东南地区的AOD 值最大。

2.2 细粒子比例的对比

细粒子一般指半径小于1μm 的气溶胶粒子，它主要是由人类活动造成的，如工业污染、生物燃烧等。因此，细粒子所占比重的大小，可以从侧面反映环境污染的程度。由于青海、甘肃及内蒙古中西部地区和西北干旱地区靠近沙漠，细粒子比例较低，我们主要研究另外三个区域的细粒子比例变化。结合这三个地区的细粒子比例分布图像（图略）和五个地区细粒子比例统计特征图像，可以得出：

春季，东北及内蒙古东部地区各范围的FAF 所占比例相差不大，多集中在5%-15%范围内；到夏季，0.5以上的FAF 所占比例增加，0.5 以下的FAF 只占20%左右；至秋冬两季，0.5 以上FAF 所占比例有所减小，到冬季达到最低。整体呈现夏季最高，春秋次之，冬季最低的变化趋势。

东南地区，春季的FAF 在各范围所占比例较平均，在10%左右，只0.7-0.8 范围内较高，达到20%；到夏季，该范围内的FAF 减少，0.5 以上的FAF 所占比例增加，达到60%；秋季，0.5 以下的FAF 又有增加，约占30%；冬季开始减小，有最低值。整体呈夏秋最高，冬春次之的变化特征。

四川盆地，春季的FAF 在0.7-0.9 范围内占的比例最高，可达50%，其他范围内较均等，都在5%-10%以内；到夏季，0.8-0.9 范围内占的比例减小，其他范围都各有增加；秋季，0.7 以上的FAF 比例再次增加，可达到80%；到冬天，又稍有减少。总体上，夏秋两季稍高，冬春次之，变化幅度不大。

2.3 光学厚度及细粒子比例逐月变化

MODIS 三级数据是以统一的时间-空间栅格表达的变量，通常具有一定的完整性和一致性。在统计分析中，本文运用2008 年的L3 月平均资料（MOD08_M3）对我国五个地区：东北及内蒙古东部地区（40.0°-50.0°N，110.0°-130.0°E），东南地区（22.5°-35.0°N，110.0°-120.0°E），青海、甘肃及内蒙古中西部地区（35.0°-45.0°N，90.0°-110.0°E），四 川 盆 地（20.0°-30.0°N，100.0°-110.0°E）和西北干旱地区（35.0°-45.0°N，75.0°-90.0°E）各自区域内的气溶胶光学厚度和细粒子比例求平均值，作出各区域的平均气溶胶光学厚度和平均细粒子比例的逐月变化图，可以看出，这五个地区的气溶胶光学厚度存在明显的季节变化。

其中，东北及内蒙古东部地区的月平均气溶胶光学厚度值在春季达到最大，从夏季开始减小，冬季最小。计算该地区2008 年全年平均气溶胶光学厚度值为0.221。

东南地区的气溶胶光学厚度在春季最高，夏秋次之，冬季最低，计算该地区2008 年全年平均气溶胶光学厚度值为0.552。

青海、甘肃及内蒙古中西部地区气溶胶光学厚度最高值也在春季，最低值在冬季，但该地区的气溶胶光学厚度值变化不大，2008 年全年平均气溶胶光学厚度值为0.291。

四川盆地的气溶胶光学厚度最大值出现在春季，在秋季9 月也有一个较大的值，最低值仍在冬季出现，该地区2008 年全年平均气溶胶光学厚度值为0.395。

西北干旱地区在春季有光学厚度最大值，秋季最低，该地区2008 年全年平均气溶胶光学厚度值为0.388。

由此可见，东南地区的气溶胶光学厚度值最大，环境污染程度较为严重，其次为四川盆地，西北干旱地区和青海、甘肃及内蒙古中西部地区，东北及内蒙古东部地区的平均气溶胶光学厚度值最小，大气清洁程度最高。

由气溶胶细粒子比例月变化可知，除青海、甘肃及内蒙古中西部地区和西北干旱地区，另三个区域的细粒子比例都在夏季达到最高，到秋季开始下降，在冬季达到最低值，直到来年春季又开始上升。计算三个区域的年平均细粒子比例，得出，东北及内蒙古东部地区为0.363，东南地区为0.495，而四川盆地为0.631，细粒子比例越大，表明人为污染环境越严重，大气环境问题越严峻。

3 结语

综上所述，细粒子产生的消光作用可以超过沙尘粒子，人为气溶胶的影响值得重视。东南地区的AOD值最高，FAF 值也较高，污染程度最为严重；四川盆地和西北干旱地区的AOD 次之，四川盆地的FAF 值最高，这两个地区的污染程度也相对较高；青海、甘肃及内蒙古中西部地区和东北及内蒙古东部地区的AOD值最小，后者的FAF 值也最小，该地区的环境状况较为良好。