中國氣溶膠光學厚度時空演變特征分析

薛文博 武衛玲 王金南 楊金田 雷 宇 汪藝梅

(環境保護部環境規劃院，北京 100012)

1 引言

為掌握全國PM2.5污染狀況，我國于2013年開始在74個城市開展了PM2.5的監測與數據實時發布工作，但目前我國開展PM2.5監測的城市較少，尚難以反映全國PM2.5污染的總體狀況。由于氣溶膠分布具有較高時空變異性，盡管PM2.5地面觀測站點能夠提供時間連續的觀測數據，但不能得到連續的空間覆蓋信息，難以有效反映氣溶膠污染的時空演變趨勢。在美國、歐洲等發達國家，由于擁有較為完善的空氣質量監測網絡和大量的PM2.5濃度監測站點，利用 AOD產品反演近地面 PM2.5濃度的研究已經廣泛開展。因此用NASA中分辨率成像光譜儀(MODIS)觀測的氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth，AOD)來表征PM2.5污染狀況是一種有效的技術手段，可以彌補地面觀測手段的不足，獲得高分辨率的空間觀測信息。

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系，粒子的粒徑多在0.001～10μm之間，作為氣溶膠最基本的光學特性之一，氣溶膠光學厚度(AOD)被定義為介質的消光系數在垂直方向上的積分，是描述氣溶膠對光衰減作用的主要因子。毛節泰等(2002)證明了MODIS氣溶膠產品與地面光度計觀測結果具有很好的相關性;Chu等(2003)利用NASA發布的全球MODIS氣溶膠產品數據，研究全球及區域性大氣污染狀況，證實了用氣溶膠光學厚度監測大氣污染的可行性;李成才等(2005)利用MODIS產品研究了北京市大氣污染狀況;Wang等(2010)考慮大氣層邊界高度、濕度等因素的影響，建立了北京市AOD和PM2.5近地面濃度之間的回歸反演模型。

氣溶膠的消光效應主要來源于細顆粒物的貢獻，粗粒子消光貢獻相對較低，因此通過AOD的變化趨勢可以有效反映我國PM2.5的污染狀況。為了全面了解我國陸地上空氣溶膠的時空分布及變化規律，本文利用2005-2012年8年MODIS氣溶膠光學厚度產品，對中國氣溶膠的時空演變特征進行了系統分析，著重分析了京津冀、長三角、華中、成渝四個重點區域及北京、石家莊、保定、邢臺四個典型城市的AOD演變特征，揭示了我國近八年來氣溶膠污染的時空演變過程。

2 數據與方法

2.1 數據來源

美國國家宇航局(NASA)于1999年12月發射了Terra衛星，于2002年5月發射了Aqua衛星，MODIS分別搭載在Terra和Aqua兩顆衛星上。MODIS掃描寬度為2330km，提供了從0.145—14.235μm區間36個通道的信息，探測器每天覆蓋全球1次，分辨率有250m、500m和1000m三種。本文使用的數據來源于EOSAQUA/MODIS傳感器Level 2光學厚度產品，采用暗像元算算法，空間分辨率可達到10km。

首先對所獲得的MODIS產品進行預處理，利用IDL對遙感影像進行投影、拼接，在ARCMAP軟件中進行柵格統計分析，獲取中國陸地2005-2012年550nm的年平均AOD柵格數據。

2.2 研究方法

分析我國AOD的時空演變特征，目的是研究我國PM2.5污染的時空變化趨勢，但由于AOD受到空氣中濕度、沙塵、降雨等多重因素的影響，AOD的時空變化趨勢常存在一定的隨機性，不一定能準確反映PM2.5污染特征。因此選用長時間序列、多年平均的AOD數據在一定程度上可以減少氣象等隨機性因素的影響。本文統計分析了全國、各省、地級及以上城市2005-2007年、2008-2010年、2011-2012年三個時段的AOD均值及歷年均值，通過對比分析不同時間段、不同地區的AOD數值，揭示我國2005-2012年氣溶膠污染的總體特征。

3 AOD時空分析

3.1 全國總體趨勢

從2005-2012年全國AOD時間演變趨勢來看，與2005-2007三年均值相比，絕大部分省份2008-2010年期間AOD下降趨勢非常明顯，全國平均降幅為9.23%。而在2011-2012年期間AOD又有所回升，相比2008-2010年期間全國平均增長了6.12%，但大部分地區2011-2012兩年平均值依然低于2005-2007三年平均值，因此2005-2007年是我國氣溶膠污染最嚴重的時期;從AOD的空間分布來看，氣溶膠污染較重的地區主要集中在京津冀、長三角、華中、成渝等人口密集和工業發達地區。

京津冀地區(北京市、天津市、河北省)2005-2007年、2008-2010年、2011-2012年三個時期AOD年均值分別為0.62、0.61、0.64，依次是全國相應時期AOD年均值 0.54、0.49、0.52 的 1.2 倍、1.3 倍、1.2 倍;2008-2010年和2011-2012期間，在全國大部分省份AOD下降的趨勢下，北京、天津地區的AOD保持增長或不變的趨勢，穩定在0.8左右的高值區，氣溶膠污染持續嚴重。相比2005-2007年，2008-2010年北京AOD增幅為4.39%，天津增幅為10.57%，2011-2012年北京AOD幾乎無變化，天津增幅為6.53%;相比2008-2010年，北京、天津在2011-2012年間AOD值略有減小。河北省2005-2012年期間AOD總體呈持續下降趨勢，2008-2010年、2011-2012年分別相比2005-2007年期間下降10.87%、7.03%。

長三角地區(上海市、江蘇省、浙江省)2005-2007年、2008-2010年、2011-2012年三個時期AOD年平值分別為 0.77、0.72、0.76，是全國相應時期 AOD 年均值0.54、0.49、0.52 的 1.43 倍、1.47 倍、1.45 倍，其中上海在各時間段內AOD年均值均超過0.9，這可能與臨海濕度或海鹽粒子有很大關系。相比2005-2007年，上海、江蘇和浙江在2008-2010年期間AOD降幅分別為4.38%、4.41%、10.14%，在2011-2012年期間三個地區AOD值又有所上升。

華中地區(湖北省)2005-2007年、2008-2010年、2011-2012年三個時期AOD年均值分別為0.74、0.67、0.7，是全國相應時期 AOD年平均值的1.38倍、1.38倍、1.34倍;與2005-2007年相比，湖北省在2008-2010年和2011-2012年總體呈持續下降趨勢，降幅分別為9.56%、5.68%。

成渝地區(四川省、重慶市)2005-2007年、2008-2010年、2011-2012年三個時期AOD年均值分別為0.73、0.62、0.65，是全國 AOD 年均值的 1.36 倍、1.27倍、1.25倍。與2005-2007年相比，四川省2008-2010年和2011-2012年期間AOD總體顯著下降，降幅分別達15.92%和11.07%;重慶市2008-2010年AOD年均值相比2005-2007年期間下降了5.36%，2011-2012年期間又回升到2005-2007年水平。

圖1 AOD年均值分布圖

3.2 典型城市分析

2013年1月份我國發生了大規模長周期的灰霾污染事件，華北地區成為灰霾污染重災區，其中北京、石家莊、保定、邢臺等城市是華北地區污染最嚴重的城市群，因此本文重點分析上述四個城市2005-2012年間AOD的變化趨勢。分析結果表明，與全國333個地級及以上城市AOD年平均值相比，北京、石家莊、保定、邢臺地區AOD年均值一直在0.8附近波動，遠高于2005-2012年全國AOD歷年均值。2005-2012期間北京、石家莊、保定、邢臺AOD的8年平均值分別是全國平均水平的1.51倍、1.53倍、1.44倍、1.52倍。這些城市近八年AOD年均值變化趨勢較為一致，具有時間同步性。

2005-2007 年全國地級及以上城市AOD年均值總體持續增長，到2008-2010年AOD年均值又呈現下降趨勢，在2011-2012年期間全國城市AOD年均值又明顯回升，這種變化趨勢可能與2008-2010年期間全球經濟危機導致的經濟發展放緩，能源消費量及各種污染物排放量下降有直接關系。

表1 全國各省AOD年均值變化情況(增幅以2005-2007年為基準)

圖2 全國及典型城市AOD年均值變化

4 研究結論

由于大氣氣溶膠分布具有較高時空變異性，盡管PM2.5地面觀測站點能夠提供時間連續的觀測數據，但不能得到連續的空間覆蓋信息，難以有效反映氣溶膠污染的時空演變趨勢。為此，歐美廣泛開展利用AOD產品反演近地面PM2.5濃度的研究。用NASA中分辨率成像光譜儀(MODIS)觀測的氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth，AOD)來表征PM2.5污染狀況是一種有效的技術手段，可以彌補地面觀測手段的不足，獲得高分辨率的空間觀測信息。

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系，粒子的粒徑多在0.001～10μm之間，作為氣溶膠最基本的光學特性之一，氣溶膠光學厚度(AOD)被定義為介質的消光系數在垂直方向上的積分，是描述氣溶膠對光衰減作用的主要因子。氣溶膠的消光效應主要來源于細顆粒物的貢獻，粗粒子消光貢獻相對較低，因此通過AOD的變化趨勢可以有效反映我國 PM2.5的污染狀況。

為了全面了解我國陸地上空氣溶膠的時空分布及變化規律，本文利用2005-2012年8年MODIS氣溶膠光學厚度產品，對中國氣溶膠的時空演變特征進行了系統分析，著重分析了京津冀、長三角、華中、成渝四個重點區域及北京、石家莊、保定、邢臺四個典型城市的AOD演變特征，揭示了我國近八年來氣溶膠污染的時空演變過程。本文利用2005-2012年MODIS氣溶膠產品研究了我國氣溶膠光學厚度的空間分布和時間演變特征，主要結論如下:

(1)2005-2012年期間我國AOD總體呈現“先降低，后升高”的趨勢，2005-2007年期間是我國氣溶膠污染最嚴重的時期。全國氣溶膠污染嚴重地區主要集中在京津冀、長三角、華中、成渝等經濟發達，人口密集的地區。

(2)京津冀、長三角、華中、成渝四個重點區域AOD年均值在不同時期內均遠高于平均全國平均水平，2005-2012年期間總體變化趨勢與全國基本一致。

(3)2005-2012年期間北京、石家莊、保定、邢臺四個城市AOD年均值持續在0.8附近的高值區波動，變化幅度較小，AOD遠高于全國及重點區域平均值。四城市在2005-2012年期間AOD年均值變化趨勢存在顯著的同步性。

利用AOD表征PM2.5的污染特征有一定的科學依據，但是AOD的大小受近地面PM2.5濃度、濕度及氣溶膠垂直分布特征等多種因素的影響，用AOD直接表征近地面PM2.5濃度的大小存在一定的不確定性。因此在下一步研究中有必要對AOD進行濕度和垂直等因素的訂正，提高AOD表征近地面PM2.5濃度的準確性。

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