云南省氣溶膠光學厚度時空變化特征的遙感研究

張 云，肖鐘湧

1.易門縣環境監測站，云南 玉溪 651100

2.集美大學理學院，福建 廈門 361021

云南省氣溶膠光學厚度時空變化特征的遙感研究

張 云1，肖鐘湧2

1.易門縣環境監測站，云南 玉溪 651100

2.集美大學理學院，福建 廈門 361021

利用中分辨率成像光譜儀(MODIS)的氣溶膠產品研究云南省氣溶膠光學厚度(AOT)的時空變化特征。研究結果表明：在長時間尺度上，區域月平均AOT沒有明顯的增長趨勢，年平均值大約為0.19，反映了人為活動排放進入大氣的氣溶膠沒有明顯的增加；月平均AOT的變化呈雙峰分布特征，2個峰值分別出現在3、8月，AOT大約為0.35±0.08和0.31±0.05，5月出現明顯的谷值(0.20±0.03)，AOT減少的原因可能是該地區降水增多，大量的降水可以清除大氣中的氣溶膠粒子，最小值常出現在1月或12月，AOT大約為0.09±0.02。在空間上，云南省AOT普遍較低，年平均值的空間分布為0～0.4，低值區出現在西北部的迪慶州、怒江州和麗江市；AOT高值區分布在云南省的南部和東北部地區，3月AOT值最大可達0.80以上，南部和北部差值達到0.60以上，8月AOT的高值區主要出現在中部的玉溪市紅河州北部、玉溪市和昆明市。云南省AOT北高南低分布格局的原因主要是北部地區人為氣溶膠排放較少，另外，由于地形的影響，北部地區風速較大，氣溶膠停留在大氣中的時間較短，AOT較小。

云南省；中分辨率成像光譜儀；衛星遙感；氣溶膠光學厚度

大氣氣溶膠不僅危害人體健康，致使環境狀況惡化，而且影響地球氣候系統。研究表明人體肺部功能的下降、呼吸系統疾病的增多、正在逐年增加的死亡率都與氣溶膠粒子濃度的上升存在著緊密的聯系[1]。粒徑在10 μm以下的顆粒物可以進入鼻腔，7 μm以下的顆粒物可進入咽喉，而小于2.5 μm的顆粒物可被吸入肺部，深入肺泡并沉積，進入血液循環系統，從而對人類的健康造成直接的傷害。人類活動向大氣排放的氣溶膠粒子，包括大量的硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物及少量的有機酸等化學物質，它們與酸雨的形成有密切的關系，在城市環境中容易產生二次光化學反應。氣溶膠通過吸收和散射影響太陽輻射，進而影響地-氣系統的輻射收支平衡，氣溶膠在地球輻射收支平衡中扮演著最重要的角色[2-4]。另一方面，氣溶膠也可以充當生成云、霧的凝結核，影響云的反射率，從而對地-氣系統輻射平衡產生間接影響[5-6]。但是這種間接輻射強迫大小還有很大的不確定性。所以，大氣氣溶膠是氣候系統研究的一個最重要的不確定性來源[7-8]。了解氣溶膠分布、氣溶膠特性對研究氣溶膠的環境氣候效應是關鍵的一步。目前，氣溶膠觀測手段從地面觀測到衛星遙感觀測，如美國NASA在全球建立了一個氣溶膠自動地面觀測網(AERONET)[9-10]，為氣溶膠研究提供了大量的地面觀測數據，并作為衛星遙感驗證的數據來源。隨著傳感器的發展，衛星遙感與地基遙感相比具有全球覆蓋的優勢，如分辨率成像光譜儀(MODIS)提供了全球氣溶膠研究的手段，具有較高的時間空間分辨率[11-13]。

MODIS氣溶膠產品是運用暗像元法進行反演得到的[14-15]。最新的算法是Levy等[16]和Remer等[17]在Kaufman的暗像元算法基礎上開發的，提供了全球10 km分辨率的氣溶膠產品。該產品對于研究區域尺度和全球尺度氣溶膠污染物有重要應用價值。盡管衛星遙感有很多優點，由于復雜的氣溶膠特性，衛星遙感反演存在著很大的不確定性，需要地面觀測數據進行驗證。驗證結果表明了氣溶膠光學厚度(AOT)產品有足夠的精度用于氣溶膠的時空變化特征的分析[18-20]。本文利用MODIS氣溶膠產品分析云南省AOT的時空變化，從而揭示云南省氣溶膠污染的特征，為云南省空氣質量評估提供參考依據。

1 研究區概況

云南省的地理坐標范圍為21°12′～29°12′N、97°30′～106°06′E，地處中國西南邊陲。2010年第六次全國人口普查數據顯示，全省總人口為4 596.6萬人。云南省的氣候有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、暖溫帶、中溫帶和高原氣候區等7個溫度帶氣候類型。有“植物王國”之稱，森林覆蓋率達50%以上，而且森林覆蓋率呈增長趨勢。平均溫度為5～24 ℃左右，南北氣溫相差達19 ℃左右。全省大部分地區年降水量為1 100 mm，南部部分地區可達160 mm以上。但是，由于冬季和夏季受不同大氣環流的控制和影響，降水量在季節上和地域上的分配極不均勻，干濕季分明。夏季受西南季風影響，潮濕悶熱，降水充沛。一年中90%左右的降水都集中于雨季(5—10月)，降水量最多集中在6—8月中，約占全年降水量的60%，而干季(11月—次年4月)的降水總量僅占全年的10%左右[21]。

2 數據和方法

MODIS氣溶膠產品從NASA的LADSWEB數據中心獲得。MODIS是EOS觀測計劃Terra和Aqua衛星上搭載的一個重要傳感器。上午星Terra和下午星Aqua分別發射于1999年12月18日和2002年5月4日，大約在當地時間上午10：30和下午13：30飛過赤道。MODIS提供了在可見光、近紅外光和紅外光共36個通道的全球觀測數據，為反演有關陸地、云、氣溶膠、水汽、臭氧、海色、浮游植物、生物地球化學等產品提供了豐富的信息。可見光通道1(660 nm)和通道2(860 nm)具有250 m星下點的空間分辨率，3～7通道具有500 m的空間分辨率，其他通道的空間分辨率為1 000 km。MODIS掃描寬度為2 330 km，覆蓋全球只要1 d。NASA利用MODIS數據進行氣溶膠特性的反演，發布了10 km分辨率的全球氣溶膠產品[22]，與AERONET相比，大陸上空MODISAOT的精度大約為66%±(0.05+15%)范圍內，相關系數(r)為0.9[23]。這些資料已被廣泛應用于分析大氣氣溶膠的研究。田永麗等[24]利用太陽光度計和MODIS研究了中國西南地區氣溶膠AOT的時空特征。本文運用的MODIS氣溶膠產品的時間跨度為2003—2013年。存儲格式為HDF數據格式。

首先，利用MATLAB讀取HDF數據，生成Shapefile的點文件格式數據。由于各種原因，特別是云的影響，MODIS氣溶膠特性數據較少，而且為了方便數據處理和分析，把Terra-MODIS和Aqua-MODIS合成起來，作為1 d的平均值來考慮，合并的時候考慮到有些數據點缺失，如果在一個空間范圍內有2個數據，取平均；只有1個數據的話，就用該數據代表該空間范圍的值。但是，在天的尺度上很難有足夠的空間分布數據滿足分析要求，因此，對該區域的Terra-MODIS和Aqua-MODIS數據進行月合成，再對合成后的數據進一步轉成10 km空間分辨率的柵格數據，通過柵格數據研究在月和年尺度上的時空變化特征。年平均的空間分布是利用12個月的數據進行平均計算。并計算區域的標準差(σ)，計算公式為

(1)

3 結果與分析

3.1 AOT的空間分布特征

圖1為2003—2013年云南省年平均AOT的時間變化和空間分布特征。

圖1 2003—2013年云南省年平均AOT空間分布特征

從圖1可以看出，云南省AOT普遍較低，年平均值的空間分布為0～0.4，云南省的工業和交通等人為氣溶膠源相對較少，工業排放和汽車尾氣的排放較小；植被覆蓋好，植被可以減少地面氣溶膠進入大氣，而且可以吸附大氣中的氣溶膠粒子，植被起到凈化空氣的作用；另外，云南省海拔較高，大氣層厚度減小，空氣密度和水汽含量較小；除了本地源影響較小外，由于云南省所處的地理位置，受其他高值氣溶膠的區域影響較小。這些原因使得AOT值普遍偏低[24-25]。2003—2013年這段時間，整個地區的AOT沒有明顯的增長。這說明了10a以來云南省經濟發展速度較慢，城市化進程較低，環境保持得較好。

云南省AOT空間差異顯著，低值區出現在西北部的迪慶州、怒江州和麗江市。主要原因是海拔高(平均在3 000 m以上)，人為活動較小，空氣干潔，沒有污染，使得該區域的AOT較小[24-25]，這跟大氣背景氣溶膠的數據相近。從圖中還可看出，云南省西北部地區空間分布較為一致，突出了背景氣溶膠的特點。最大的AOT高值區分布在云南省的南部和東北部地區，特別是在西雙版納州的勐臘，2004年，年平均AOT達0.50以上。在南部出現較高AOT的原因可能是工礦業較為發達，人為氣溶膠排放源相對較多，在勐臘有較大的鐵礦和水泥工廠；另一個高值區出現在東北部的昭通市，2006年平均AOT達0.50，原因主要有人口多(521.3萬)，人為活動影響較大，而且煤碳工業發達，2006年煤炭產量突破了千萬噸，工礦業生產產生大量的氣溶膠，使得AOT較高。

云南省AOT分布呈北高南低格局的另外一個原因是北部地區海拔較高(海拔大于2 000 m)，地面摩擦衰減的影響小，風速較大；反之，南部的大部分地區，因海拔相對較低，地形對風的衰減影響很大，風速較小。大風使得氣溶膠停留在大氣中的時間較短，因此AOT較小。

圖2描述了云南省多年月平均AOT的時間變化和空間分布特征。

圖2 2003—2013年云南省多年月平均AOT的空間分布特征

由圖2可見，AOT呈現明顯的季節和空間變化，整個區域最大值出現在3月，AOT平均值和σ分別為0.36和0.16，σ是指根據區域每個像元的σ，它能反映AOT空間分布的差異。AOT空間分布差異最大的月份出現在3、4月，北部和南部的差值達到0.60以上。在空間分布上，整個區域的AOT普遍大于其他月份；到5月，AOT從4月的0.31±0.14下降為0.20±0.07，AOT減少的原因可能是該地區降水增多，大量的降水可以清除大氣中的氣溶膠粒子。到7月，AOT值逐漸回升，8月出現一年中第2個峰值，AOT大約為0.31±0.09。在空間分布特征上與3月不同，AOT的高值區主要出現在中部的昆明市、玉溪市和紅河北部(如昆明市污染較為嚴重的地區，AOT達到0.85以上)，主要原因是人為排放氣溶膠較多，而且靜穩天氣比較多，使得氣溶膠長時間停留在大氣中，AOT較大。一年四季最低值區出現在西北部的迪慶州、怒江州和麗江市。10月—次年2月，整個地區的AOT普遍較低，個別地區的AOT達到0.30(如昭通市的北部、文山州的東部)；12月或1月的AOT達到極小值，大約為0.09±0.06，空間差異最小，整個區域的AOT最低。

3.2 AOT的時間變化特征

圖3為2003—2013年全省區域月平均AOT和σ變化的點線圖(圖中黑實線為散點圖的擬合直線)。

圖3 2003—2013年區域月平均AOT和σ的變化

由圖3可見，在長時間尺度上，AOT沒有明顯的變化趨勢，年平均值在0.19上下波動，變幅大約為0.02，說明云南省的大氣氣溶膠狀況比較穩定。人為活動排放進入大氣的氣溶膠較少，這也可以說明云南省城市化和工業化過程較慢。云南省氣溶膠存在明顯的季節變化，區域差異變化明顯，月平均AOT的變化范圍為0～0.5，2003—2013年期間，年平均最大值出現在2007年，AOT為0.21±0.09；月平均最大值出現在2011年9月，AOT大約為0.50±0.33。AOT較大的月份，空間差異也相應變大。

圖4為2003—2013年多年區域月平均AOT和σ變化的柱狀圖，誤差棒代表了相同月區域平均AOT的σ值，它可以說明AOT在相同月的波動情況。

圖4 2003—2013年多年區域月平均AOT和σ的變化

由圖4可見，多年月平均AOT的變化呈雙峰分布特征，2個峰值分別出現在3、8月，AOT大約為0.35±0.08和0.31±0.05。在5、6月出現明顯的谷值，分別為0.20±0.03和0.22±0.04。產生這種變化特征的原因主要是該地區從4月底開始進入雨季，降水增多，大量的降水清除掉大氣中的部分氣溶膠粒子，從而AOT比較小。從11月—次年4月，云南省的天氣狀況較為干冷，常出現大風，使得氣溶膠停留在大氣中的時間較短，進而使得AOT較小。最小值常出現在1月或12月，AOT大約為0.09±0.02。主要原因是局地氣溶膠排放量較小，而且由于冬季風影響小，從其他地方帶來的氣溶膠也較少。較小的σ值也說明了1、12月的AOT波動較小。9月，AOT的波動最大，與3月相比，平均值(0.24)較小，而σ值(0.10)最大。

表1為多年間4個季節AOT的區域平均值和σ值，σ利用相同季節的區域平均AOT計算，說明AOT在相同季節的變化情況。

表1 多年區域季節平均AOT和σ值

由表1可見，4個季節的AOT平均值和σ依次為春季(0.29±0.09)>夏季(0.27±0.06)>秋季(0.16±0.09)>冬季(0.10±0.03)；在春季，平均AOT值較大，大于秋季，而σ相同，這表明了秋季氣溶膠的變化較春季明顯。與秋季相比，春季變化比較小，說明春季氣溶膠粒子常保持在濃度較高水平。

4 結論

1)利用遙感的氣溶膠產品分析了云南省AOT時空變化特征，從長時間來看，AOT沒有明顯的變化趨勢，年平均值在0.19上下波動，幅度約為0.02，月平均AOT的變化范圍為0～0.5。在2003—2013年期間，AOT最大的月份出現在2011年9月(0.50±0.33)。這說明了近10a以來云南省經濟發展速度較慢，城市化進程較低，人為排放的氣溶膠較少，環境保持得較好。

2)區域月平均AOT的變化呈雙峰分布特征。2個峰值分別出現在3、8月，AOT大約為0.35±0.08和0.31±0.05。在5、6月出現明顯的谷值，分別為0.20±0.03和0.22±0.04，AOT減少的原因可能是該地區降水增多，大量的降水可以清除大氣中的氣溶膠粒子。最小值常出現在1月或12月，AOT大約為0.09±0.02，主要原因是局地氣溶膠排放量較小，而且由于冬季風影響小，從其他地方帶來的氣溶膠也較少。4個季節AOT值依次為春季(0.29±0.09)>夏季(0.27±0.06)>秋季(0.16±0.09)>冬季(0.10±0.03)。

3)云南省AOT普遍較低，年平均值的空間分布為0～0.4，最大的年平均值出現在2007年，區域平均AOT僅為0.21±0.09，說明云南省空氣質量較好。特別是在海拔高，人為活動較小的區域，空氣干潔，污染很少。如AOT低值區出現在西北部的迪慶州、怒江州和麗江市，高值區分布在云南省的南部和東北部地區，特別是在西雙版納州的勐臘，2004年年平均AOT值最大，達0.50以上；另一個高值區出現在東北部的昭通市，2006年年平均值最大，AOT達0.50。3月，AOT空間分布差異最大，AOT值最大的南部和最小的北部差值達到0.60以上，而在8月，AOT的高值區主要出現在中部的昆明市、玉溪市和紅河北部，昆明市污染較為嚴重的地區AOT達到0.85以上，主要是人為排放氣溶膠較多，而且靜穩天氣比較多，使得氣溶膠長時間停留在大氣中，AOT較大。

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Temporal-Spatial Variations Characteristics of Aerosol Optical Thickness using Satellite Remote Sensing over Yunnan Province,China

ZHANG Yun1,XIAO Zhongyong2

1.Yimen Environmental Monitoring Station,Yuxi 651100,China

2.School of Sciences, Jimei University,Xiamen 361021,China

The characteristics of temporal-spatial variation of aerosol optical thickness (AOT) were analyzed using the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) aerosol products over Yunnan province, China. The results indicated that, in a long term scale, theAOTpresents not obvious increasing trend. The yearly meanAOTvalue is about 0.19, this reflects there is no obvious increasing aerosols from anthropogenic activities emission into atmosphere. The multi-year monthly variation shows the characteristics of bimodal distribution, the two peaks appear in March and August, respectively. There is a valley value at 0.20±0.03 in May. The reason for the lowerAOTis likely due to the increasing precipitation over this region, which washing away partial aerosol particles from atmosphere. The smallest value always appears in January or December and theAOTis about 0.09±0.02. In space scale, theAOTis generally lower, the yearly mean values are from 0 to 0.4. The lower values appear in Diqing Tibetan Autonomous Prefecture, Nujiang of the Lisu Autonomous Prefecture and Lijiang city. Larger values are distribute in south and northeastern Yunnan,AOTis up to 0.8 in March and the difference between northern and southern region is up to 0.60. The second peak at August and compared toAOTin March, higher values appear in the northern Hani-Yi Autonomous Prefecture of Honghe, Yuxi and Kunming cities. The reasons for the pattern of higher in north lower in south is due to the less anthropogenic aerosol emission over the northern region, and in the other hand, there is the higher wind speed in northern region due to the effect of terrain, which makes the aerosols in the atmosphere shorter time, and have a lowerAOT.

Yunnan province;MODIS;satellite remote sensing;aerosol optical thickness

2015-03-13;

2015-04-09

福建省教育廳科技項目(JA14183)；潘金龍基金項目(ZC2013022)

張 云(1980-)，男，云南玉溪人，碩士，工程師。

肖鐘湧

X87

A

1002-6002(2016)02- 0127- 07