基于A-train衛星對中國北方地區氣溶膠分布的研究

劉 貞，鄭有飛，劉建軍，解孟其（.秦皇島市氣象臺，河北 秦皇島 066000；.南京信息工程大學江蘇省氣象災害重點實驗室，江蘇 南京 0044；.西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西 西安 70048）

基于A-train衛星對中國北方地區氣溶膠分布的研究

劉 貞1，鄭有飛2*，劉建軍2，解孟其3（1.秦皇島市氣象臺，河北 秦皇島 066000；2.南京信息工程大學江蘇省氣象災害重點實驗室，江蘇 南京 210044；3.西安理工大學自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048）

利用A-train（CALIPSO和MODIS-Aqua）衛星的數據資料，對比分析了中國北方地區（分為3個部分西部-W區，中部-M區和東部-E區）2007年1月～2010年10月AOD的年平均和季節平均分布特征，結果發現：MODIS-Aqua的衛星資料在我國北方地區區域基本具有適用性；MODIS和CALIPSO衛星反演的AOD年平均分布特征基本一致，AOD的高值區分布在南疆盆地（主要受沙塵氣溶膠的影響）和地勢較低的華北平原地區；MODIS和CALIPSO衛星反演的北方地區AOD季節平均分布的結果基本一致：W區AOD的高值區在季節上分布特征是：春季最高，夏季次之，秋季最小，冬季又慢慢增大；E區AOD的高值區的分布特征是：夏季最大，春季次之，秋冬季最小.

星載激光雷達；MODIS；氣溶膠光學厚度；AERONET

目前，主要有2種方法來探測大氣氣溶膠的含量與分布：一種是地基直接觀測和遙感觀測，另一種是利用衛星遙感觀測［1-2］.氣溶膠光學厚度分布地基遙感反演的方法主要包括利用太陽直接輻射的寬帶分光輻射、全波段太陽直接輻射、多波段太陽光度計以及地基激光雷達遙感［3］.美國國家宇航局（NASA）發起支持的氣溶膠自動監測網絡（AERONET-Aerosol Robotic NETWork）其統一利用法國CIMEL公司所生產的CE-318太陽光度計，采用統一的氣溶膠特性的反演方法［4-8］，為全球氣溶膠的特性研究提供了大量的氣溶膠資料.我國加入AERONET觀測網的站點也在不斷增加，但是大都觀測時期比較短，僅有香河、北京和太湖等站點有相對較長的觀測記錄.基于CE-318觀測，我國的學者們在全國的很多個站點研究了氣溶膠的光學特性，評估了不同地區氣溶膠光學厚度的分布特征，分析了氣溶膠光學特性的季節變化特征，為我國不同地區的氣溶膠光學特性研究作出了大量貢獻［9-14］.衛星遙感一定程度上克服了地基觀測方法只能獲取某一站點上數據，無法獲得大范圍內氣溶膠的時空分布的困難，因此衛星遙感氣溶膠得到了推廣.李成才等［15-16］利用多年MODIS氣溶膠光學厚度的數據資料，分析對比了我國華北，長江三角洲，珠江三角洲和四川盆地4個地區AOD的季節分布及變化特征.王毅等［17］利用地面觀測資料和MODIS對我國的東南沿海地區及附近海域的大氣氣溶膠光學特性進行了分析；胡蝶［18］利用AERONET地面觀測網15個站點的數據資料，對Terra和Aqua-MODIS AOD的產品資料在中國地區的適用性進行比較全面的對比驗證，為衛星資料在中國西北半干旱典型地表條件下反演大氣光學厚度的適用性提供了依據.

盡管中國地區氣溶膠分布情況的研究已經取得了很多有價值的研究成果，但限于觀測資料的原因，目前對氣溶膠的研究多集中在中國中東部、西南部、長三角以及北京、上海等地區［19-21］，對中國整個北方地區氣溶膠分布情況的研究工作偏少.另外，以往研究多為單點分析，或者是以個別站點的資料代表一個區域的情況，對氣溶膠光學厚度（AOD）長期變化的研究在空間上多為單站點、小尺度，而空間上的大尺度研究往往時間尺度較小，長期變化不明顯.邱金桓等［22］指出，利用衛星遙感與地基網絡探測相結合，研究氣溶膠光學特性的時空分布是一個有待研究和突破的問題.本文利用A-train衛星編隊在較大時空尺度上的觀測優越性，從較大空間尺度分析整個中國北方地區的AOD在較長時期內的分布特征，試圖找到不同地區氣溶膠光學厚度變化的規律性和差異，及其關鍵的影響因素，以便對中國北方地區氣溶膠的時空分布有更全面和深入的了解.

1 數據資料介紹和研究區域

EOS系統中極軌衛星有6顆，組成“A序列”（A- Train，“A”表示“下午”）衛星編隊.這個編隊是由Aqua，Cloudsat，CALIPSO，PARASOL，Aura和OCO衛星組成［23］.自2000年以來，為了大范圍的進行大氣氣溶膠遙感監測，美國EOS（Earth Observing System）系列衛星（Terra和Aqua）上搭載的中分辨率成像光譜儀（MODIS）開始對大氣氣溶膠光學厚度（AOD）探測反演.國內外已經開展了大量的研究工作，來驗證MODIS氣溶膠產品區域的適用性.通過與地面觀測網AERONET的資料進行對比分析，得出MODIS探測氣溶膠光學厚度儀器的系統誤差為±0.05、反演算法引起的誤差約為15%，均是符合儀器設計目標的.另外還有很多的學者對MODIS的C005版本監測的中國地區AOD的數據資料與AERONET監測的AOD數據資料進行對比研究后，認為MODIS的該版本陸地大氣氣溶膠光學厚度產品在中國大部分站點的反演精度要比C004版本的產品有了很大程度的提高，能夠反演滿足暗目標算法條件下中國地區的氣溶膠光學厚度時空分布和變化特征文章利用2007～2011年AERONET提供的中國北方地區3個站點Level 2.0級的AOD數據資料對Aqua-MODIS L2的AOD產品資料進行了對比驗證，分別是北京（39.977°N，116.381°E）、香河（39.754°N，116.962°E）和興隆（40.396°N，117.58°E）.由于AERONET北方其他站點的觀測時間較短，因此只選用了觀測時間較長的站點來驗證.

衛星資料與AERONET站點資料匹配方法為：以衛星過境前后30min內AERONET太陽光度計觀測結果的平均值，驗證以地基站點為中心球面距離為50km的衛星資料AOD的空間平均值.為了方便與Aqua-MODIS AOD產品比較，將AERONET提供的440nm與675nm的AOD根據公式（1）轉換為550nm的AOD.

式中：τ為波長λ時的氣溶膠光學厚度，γ為大氣渾濁系數，α為波長指數.

另外利用2007年1月到2011年10月近5年的CALIPSO星載激光雷達 Level 2和MODIS Aqua Level 3，版本為 C5.1，波段為550nm分辨率為1°×1°氣溶膠光學厚度的數據資料.通過MATLAB程序提取CALIPSO Level 2-Aerosol Layer氣溶膠光學厚度的值，利用IDL程序提取MODIS-Aqua Level 3數據資料月平均氣溶膠光學厚度的的值，計算所提取數值年平均氣溶膠光學厚度的值，然后再用ARCGIS和MATLAB處理，分別得到中國北方地區2007年1月～2011年10月年平均柱氣溶膠光學厚度以及季節平均柱氣溶膠光學厚度分布，分辨率是0.1°×0.1°（10km× 10km）.所采用季節劃分時間是春季為每年的3～5月，夏季為6～8月，秋季為9～11月，冬季為12～2月.依據以上數據，分析了2007～2011年中國北方地區氣溶膠光學厚度的分布特征.

文章所選研究區域為中國北方地區（75～125）°E， （30～50）°N，如圖1所示，將中國北方分為3個區域，分別代表中國北方西部地區（90°E以西）west-“W”，中部地區（90～110°E）middle-“M”和東部地區（110oE以東）east-“E”.區域“W”是中國北方地區主要的沙塵源區；區域“M”為沙塵源的加強區；區域“E”，為沙塵主要的影響區.

圖1 所選研究區域Fig.1 The selected study area

2 衛星資料適用性驗證

圖2給出了中國北方地區AERONET 3個站點（北京、香河和興隆）的AOD和Aqua-MODIS AOD散點圖的對比擬合結果.表1給出了AERONET中國北方地區各站點與Aqua-MODIS AOD對比的擬合參數統計量和在誤差范圍內的百分比.總的來看3個站點的擬合效果都較好，相關系數R范圍在0.91～0.94之間，Aqua-MODIS AOD的結果有一定誤差，北京站點誤差范圍百分比為50.7%，相對較低，香河和興隆站點的滿足衛星設計精度的誤差范圍百分比分別為75.2%和80.1%，這表明Aqua-MODIS AOD資料能較準確的反映氣溶膠光學厚度的分布情況，在此區域具有適用性.

表1 中國北方各站點AERONET AOD和MODIS AOD的參數統計比較

圖2 中國北方地區AERONET各站點AOD和Aqua-MODIS AOD散點對比Fig.2 The AERONET and Aqua-MODIS AOD scatter contrast figure of each site in northern China

3 中國北部地區AOD時空分布特征

3.1 基于CALIPSO中國北方AOD的時空分布

由3（a）圖可以看出，中國北方地區2007～ 2011年5年柱氣溶膠光學厚度平均分布與地域有很密切的關系，氣溶膠光學厚度的高值區和低值區受到地形的影響.高值區主要分布在新疆的塔克拉瑪干沙漠和塔里木盆地-W區和海拔較低的平原地區-E區（華北平原地區），低值區主要分布在海拔相對高些的地區-M區和E區北部.W區的高值中心AOD的值在1.1左右，這主要是由于該區域是沙漠地區，與沙塵氣溶膠粒子的釋放有關，高值中心周圍新疆北部地區，AOD的值在0.8左右，和西藏北部地區AOD的值在0.2～0.3左右，這些地方人口不密集，工業活都也很少，人為排放的氣溶膠粒子較少，所以氣溶膠光學厚度的值相對較小些.另外一個高值區-E區高值中心在河北和山東部分地方，AOD的值在1.1左右，這里是人口密集的平原地區，經濟發展迅速人為產生的氣溶膠較多，大量的工業排放和汽車尾氣對大氣造成污染，造成該地區氣溶膠含量較高.M區的氣溶膠含量相對較低，AOD的值在0.3～0.4左右；另外一個低值區分布在E區的北部（內蒙古東部地區和東三省地區），AOD的值在0.6～0.8左右；這些地方人口密度也較小，自然源排放相對也少些.氣溶膠光學厚度年平均分布總的來看，中國北部地區的南疆盆地和東部河北山東AOD值較高，而M區和E區的北部AOD的值相對比較低.

春、夏、秋、冬這4個季節AOD依然是兩個高值區：W區的新疆塔克拉瑪干沙漠和E區的華北平原；2個低值區仍然分布在M區和E區的東北部.AOD高值區之一（W區）高值中心在春季最大且范圍最廣，達到1.2～1.3左右，夏季和冬季高值區范圍縮小，高值中心AOD的值可達到1.2左右，秋季最小，AOD的值平均在1.0左右.AOD另外一個高值區（E區）華北平原地區：AOD的值在夏季最大且范圍最大，平均在1.2左右，其次是春季，高值區范圍相對縮小平均在1.0～1.1左右，秋季和冬季最小，但是AOD的值也較高在1.0左右.這些變化可能是因為春季隨著鋒面活動的加強，天氣干燥多風，頻繁爆發沙塵暴，W區塔克拉瑪干沙漠的沙塵就會在大風天氣的風力作用下進入到大氣中，并在西北風的影響下向其他地方輸送，導致了M區甘肅河西走廊地區AOD的值也較大（在0.9左右），E區的華北平原地區也受到影響，再加上春季的耕種燒荒從而導致春季AOD的值也較大，但是華北平原地區夏季AOD的值要比春季的高，這可能是因為夏季風的盛行阻礙了W區和M區沙塵對該地區的影響，但同時夏季華北平原沿海地區經濟發展迅速，大量工廠的工業排放的污染物（如硫酸鹽、硝酸鹽等）的影響，再加上夏季該地區溫度和濕度比較高，有利于有機氣溶膠的化學氣-粒轉化，增大吸濕性氣溶膠的平均粒徑，這樣可以增大大氣的消光系數，從而導致該季節AOD的值較大；還有研究利用MODIS衛星火點產品的數據資料分析了中國地區農作物燃燒排放情況，結果表明華北平原地區夏季火點數多而密集，因此人為生物質的燃燒也會影響夏季該地區AOD的值［24］；另外華北平原的是小麥的主要產區，不僅人口稠密，每年夏季到了小麥的收獲季節，會有大量的秸稈燃燒，這也是造成夏季的氣溶膠光學厚度比較高的原因之一.秋季和冬季華北平原地區的AOD明顯減小，這可能是由于秋季以后該地區降水量開始增加，大氣氣溶膠濕沉降加大導致的，冬季雨雪天氣對大氣氣溶膠可能有一定的濕清除作用，就使得冬季氣溶膠光學厚度的值偏小，這有待進一步的研究.

圖3 基于CALIPSO衛星探測的中國北方地區柱氣溶膠光學厚度Fig.3 Based on CALIPSO detection of aerosol optical thickness in northern China

另外，季節變化上看，兩個相對的低值區變化，M區的的青海省氣溶膠光學厚度春季和夏季較大，AOD的值平均在0.6～0.8左右，秋冬季節較小，AOD的值在0.2～0.4；M區的其他地方也是春季和夏季較大，AOD的值在0.8～1.1左右，秋季和冬季較小，AOD的值在0.5～0.8左右.另外一個相對低值區，E區的東北平原和內蒙古中東部，春季和夏季氣溶膠光學厚度的值也較大，AOD的值在0.8～1.1左右，秋季次之，冬季氣溶膠光學厚度的值最小，AOD的值在0.6～0.9左右.由于，M區的青海等地區海拔較高人口稀少，氣溶膠光學厚度的值受人為活動影響較小，但是該地區地表植被稀疏且降水較少，容易受到新疆塔克拉瑪干沙漠沙塵天氣的影響，從而造成該地區春季氣溶膠光學厚度的值比較高；東北平原和內蒙古中東部夏季氣溶膠光學厚度的值較大，可能是受華北平原地區的影響.有研究表明在中國主要有3個生物質的燃燒區，分別為東北部和西南部的森林火災區和部分農業焚燒區以及中東部的農業焚燒區，其中西南區主要集中時間為2～3月，中東部主要在5～6月，東北部主要為10月，并伴隨著突發性的火災［25］.夏季東亞大陸主要為熱低壓所控制，同時太平洋副熱帶高壓向西延伸且北進，華北地區的污染物可以沿東亞夏季風（西南風）的輸送影響到東北平原的部分地區；到了秋冬季，隨著雨雪天氣的慢慢增多，對氣溶膠的沉降沖刷作用，可能導致東北平原和內蒙古的中東部地區氣溶膠光學厚度的值大大下降.綜上所述，W區AOD的高值區在季節上分布特征是：春季最高，夏季次之，秋季最小，冬季又慢慢增大；E區AOD的高值區的分布特征是：夏季最大，春季次之，秋冬季最小.

3.2 基于MODIS中國北方AOD的時空分布

本文春季和冬季利用的是MODIS氣溶膠光學厚度Deep-Blue的值，其余的用的均為暗像原值.由圖4（a）可以看出，MODIS反演的中國北方地區2007～2011年5年柱氣溶膠光學厚度平均分布高值區也是主要分布在W區的新疆塔克拉瑪干沙漠和塔里木盆地和E區的海拔較低（華北平原地區），低值區主要分布在海拔相對高些M區的青海省中東部、甘肅省中南部、寧夏陜西等地區以及E區的內蒙古中東部、黑龍江、大小興安嶺地區，這與CALIPSO的反演結果基本一致.W區的高值中心塔克拉瑪干沙漠AOD的值在0.9左右，高值中心周圍新疆北部地區AOD的值在0.2～0.3左右.另外一個高值區-E區高值中心在華北平原地區河北中南部和山東，AOD的值在0.8～0.7左右.這些結果和CALIPSO衛星的反演結果是一致的，但是氣溶膠光學厚度的值要比CALIPSO反演的值偏小.M區的青海省中東部、甘肅省中南部、寧夏陜西等地區氣溶膠含量相對較低，AOD的值在0.3～0.4左右（除了青海省的柴達木盆地AOD的值較高在0.7左右之外）；另外一個低值區分布在E區的北部地區，AOD的值在0.2～0.4左右，這些地方人口稀少，自然源排放相對也少些.氣溶膠光學厚度年平均分布總的來看，中國北方地區的南疆盆地和東部河北山東等華北平原地區的AOD值較高，而M區和E區的東北部AOD的值相對比較低，于CALIPSO衛星的反演結果大致相同.

由圖4（b）～（e）季節變化的整體上來看，中國整個北方地區氣溶膠光學厚度分布的變化非常明顯的，春季和夏季AOD的值較大，秋季和冬季AOD的值較小（新疆準格爾盆地東三省除外）.兩個高值區分別在W區的新疆塔克拉瑪干沙漠，M區的甘肅西部青海西北部和E區的華北平原；兩個低值區分布在M區東北部和E區的東北部.AOD高值區之一（W區）高值中心也是在春季最大且范圍最廣，值達到0.8～1.0左右，夏季高值區范圍縮小，高值中心AOD的值還是在0.8～0.9左右，秋季次之，AOD的值平均在0.6～0.7左右，冬季最小，AOD的值在0.3～0.4左右.值得注意的是新疆準噶爾盆地在冬季AOD的值最大，其次是春季，夏季和秋季最小，這和新疆其他地方的變化特征是不一樣的.這可能是由于該地地形較為特殊，大氣環流形式以及人為氣溶膠的影響有關.該地區的周邊是是廣闊的草原，腹部是古爾班通古特沙漠，地勢西低東高，西部的山嶺多缺口，冬季冷空氣多，西北風吹入盆地造成局地的沙塵增多.另外冬季的取暖燃煤，生物質燃燒以及放牧等人為氣溶膠也會有一定的影響.青海西北部和甘肅河西走廊地區和新疆高值區的變化一樣，可以看出這些地區主要是受南疆盆地沙塵的影響.AOD另外一個高值區（E區）華北平原地區：AOD的值在夏季最大，平均在0.8～1.0左右，其次是春季，AOD的值平均在0.8～0.9左右，冬季更次之，AOD的值在0.7左右，秋季最小，但是AOD的值也較高在0.6左右.這些變化和CALIPSO衛星探測的結果基本一致.

兩個相對的低值區的季節變化上，M區的東北部氣溶膠光學厚度春季和夏季較大，AOD的值平均在0.3～0.4左右，秋冬季節較小，AOD的值在0.2～0.3左右；另外一個相對低值區，E區的內蒙古中東部，春季和夏季氣溶膠光學厚度的值較大，AOD的值在0.3左右，秋季次之，冬季氣溶膠光學厚度的值最小，AOD的值在0.2左右.值得注意的是東北三省AOD的值也是在冬季達到最大，春夏季次之，秋季最小，冬季為什么會有這么高的AOD目前具體原因還不明確，可能是由于冬季較寒冷，人為燃煤取暖造成的.綜上所述，W區AOD的高值區在季節上分布特征是：春季最高，夏季次之，秋季最小，冬季又慢慢增大；E區AOD的高值區的分布特征是：夏季最大，春季次之，秋冬季最小.這個研究結果和CALIPSO衛星的結果基本一致（除了準格爾盆地和東三省）.

圖4 基于MODIS衛星探測的中國北方地區柱氣溶膠光學厚度Fig.4 Based on CALIPSO detection of aerosol optical thickness in northern China

4 結論

4.1 由于中國北方地區長期觀測的站點較少只有北京、香河與興隆，但本章采用的3個站點的資料與Aqua-MODIS的衛星資料對比結果均較好，能較好的反映我國北方地區氣溶膠的分布情況，在這個區域基本具有適用性，西北地區需要更多的資料進行驗證.

4.2 從MODIS和CALIPSO衛星反演的柱氣溶膠光學厚度平均分布特征基本一致，從年平均分布特征來看中國北方地區氣溶膠光學厚度與地域有很密切的關系，氣溶膠光學厚度的高值區和低值區受到地形的影響，AOD的高值區分布在W區的南疆盆地（主要受沙塵氣溶膠的影響）和地勢較低-E區的華北平原地區，而地勢較高的M區和E區的北部AOD的值相對比較低.

4.3 MODIS反演中國北方氣溶膠光學厚度的分布特征是： W區AOD的高值區在季節上分布特征是：春季最高，夏季次之，秋季最小，冬季又慢慢增大；E區AOD的高值區的分布特征是：夏季最大，春季次之，秋冬季最小.這個研究結果和CALIPSO衛星的結果基本一致（除了準格爾盆地和東三省）.Aqua-MODIS中Deep-blue算法在西北沙漠地區的亮地表AOD的反演結果比較好.

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Research on the distribution of the northern region of China aerosol based on A-trian satellite.

LIU Zhen1， ZHENG You-fei2*， LIU Jian-jun2， XIE Meng-qi3（1.Qinghuangdao Meteorological Observatory， Qinhuangdao 066000， China；2.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Disaster， Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044， China；3.School of Automation and Information Engineering Xi'an University of Technology， Xi'an 710048， China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：2891～2898

Abstrct：The A-train （CALIPSO and MODIS-Aqua） satellite data from January 2007 to October 2007 has been used in this paper to study the aerosol distribution characteristics of space and time on northern China （divided into three parts：the west region-W area， central region-M area， east area region-E）. （1） The Aqua - MODIS satellite data can be better reflect the distribution of aerosols in north China region； （2） MODIS and CALIPSO satellite retrievaled the column aerosol optical depth distribution characteristics were basically the same， AOD high value area was distributed in W area-south xinjiang basin and low-lying plain of north China region； （3） MODIS and CALIPSO retrieval of aerosol optical depth distribution characteristics of northern China satellite were basically the same was： W areas AOD of the high value in seasonal distribution characteristic was： spring＞summer＞autumn， then winter increases slowly； E areas AOD of the high value in seasonal distribution characteristic was： summer＞spring， followed by autumn and winter minimum.

CALIPSO；MODIS；aerosol optical depth；AERONET

X513

A

1000-6923（2015）10-2891-08

劉 貞（1987-），女，山東濟寧人，碩士，助理工程師，主要從事天氣預報、氣溶膠分布和大氣環境方面的研究.發表論文1篇.

2015-03-19

江蘇省高校自然科學研究重大項目（09KJA170004）；國家自然科學基金面上項目（41075114）；國家“973”項目（2006CB403705）

* 責任作者， 教授， zhengyf@nuist.edu.cn