中國氣溶膠光學厚度與太平洋海表溫度相關性研究

賈峰，閻逢旗，李思聰，馬玲，吳東

(中國海洋大學信息科學與工程學院 青島 266100)

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中國氣溶膠光學厚度與太平洋海表溫度相關性研究

賈峰，閻逢旗，李思聰，馬玲，吳東

(中國海洋大學信息科學與工程學院 青島 266100)

文章基于2001—2014年間中等分辨率成像光譜儀(MODIS)氣溶膠光學厚度數據和NOAA提供的海表溫度數據，首先利用經驗正交函數分析中國氣溶膠光學厚度的時空變化特征，然后用奇異值分解法分析中國氣溶膠光學厚度和太平洋海表溫度之間的時空聯系。結果表明：①中國陸地氣溶膠光學厚度存在兩個主要模態，第一模態氣溶膠光學厚度分布變化一致，其中華北平原存在大值中心，對應的時間系數呈顯著減小趨勢，且存在4～5年的周期；第二模態則對應南北區域的反位相變化。②SVD第一模態顯示中國陸地氣溶膠光學厚度與中東太平洋海表溫度呈負相關，與中東太平洋兩側的區域呈正相關；第二模態則顯示出西北區域與西太平洋中緯度地區的高正相關性。

氣溶膠光學厚度；海表溫度；經驗正交函數；奇異值分解；中等分辨率成像光譜儀

大氣氣溶膠是由各種固體和液體微粒懸浮于大氣中形成的彌散系，其粒子大小在“微米”之間。大氣氣溶膠對環境、氣候和人體健康有重要影響。對流層氣溶膠是陸地-大氣-海洋系統的重要組成部分，通過直接效應(通過散射和吸收太陽輻射直接影響氣候)和間接效應(以云凝結核的形式改變云的光學特性和云的分布而間接影響氣候)強烈影響地氣系統的能量收支平衡[1-4]。氣溶膠光學厚度(Aerosol Optical Depth，AOD)是氣溶膠衰減系數沿傳播路徑上的積分，反映大氣污染渾濁程度。

海洋與大氣可以看成一個相互作用的系統，它們之間的相互作用主要通過物質(包括水分、二氧化碳及其他氣體和微粒)、能量和動量的交換，兩者是相互影響、相互制約及相互適應的[5]。

氣溶膠的輻射強迫改變大氣中的輻射平衡，由于氣溶膠的影響，中國大陸地區地面氣溫均有所下降，四川盆地到長江中下游地區以及青藏高原北側到河套地區降溫最為明顯，且具有明顯的季節特征[6]。Gan Luo等[7]發現由北非傳輸的氣溶膠會對亞熱帶大西洋海表溫度產生影響，并建立兩者影響的概念模型。M.Arbelo等[8]則利用SeaWiFS的AOD數據對NOAA衛星提供的SST數據進行訂正，修正由于大氣氣溶膠紅外吸收引起的誤差。

同時，海洋占全球表面積的70%以上，海表溫度(Sea Surface Temperature，SST)的微小變化都將釋放或吸收巨大的能量，海表溫度的變化必將對大氣氣溶膠產生影響。SST對AOD影響的研究主要集中在厄爾尼諾與氣溶膠變化的關系上。Bangsheng Yin等[9]通過對赤道太平洋上Darwin、Nauru和Manus站點的長期研究，發現厄爾尼諾對3個站點氣溶膠光學厚度、粒子譜和組成成分都有影響。Jin Li等[10]則發現赤道太平洋區域的氣溶膠指數與南方濤動指數有著密切的關系。于旸[11]利用經驗正交模態方法處理黃渤海區域氣溶膠光學厚度，求得其Hilbert譜后，將得到的Hilbert譜與南方濤動指數進行比較，發現兩者具有很高的相關性，且南方濤動指數比Hilbert譜滯后12個月。

本研究從氣象統計的角度出發，利用奇異值分解(Singular Value Decomposition，SVD)方法，將中國陸地AOD與太平洋SST看成兩個獨立的場，并研究兩場之間的相關性。

1 數據來源及其處理方法

本研究所用的光學厚度數據為2001—2014年TERRA衛星上的中等分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectro radiometer,MODIS)L3 550 nm處的月平均數據，數據集的格網距為1°×1°。MODIS具有36個光譜波段，覆蓋紫外、可見、近紅外、紅外燈通道，為反演氣溶膠和地表特征提供豐富的信息[12-13]。海表溫度數據為NOAA衛星利用ICOADS數據集重構的2°×2°全球逐月海表溫度數據。

首先利用經驗正交函數(Empirical Orthogonal Function，EOF)分析中國陸地區域氣溶膠的變化情況，再采用SVD研究太平洋SST與中國陸地AOD的相關性。

EOF是分析區域氣象要素場時空變化特征常用的統計分析方法，能夠將同時隨時空變化的某要素場分解為分別僅隨空間和時間變化的空間特征向量和時間系數的線性組合，并將該要素場的方差貢獻率盡量集中到前幾個分量上[14]。EOF將由m個空間點n次觀測構成的變量看做是p個空間特征向量和對應的時間權重系數的線性組合：

(1)

式中，T為時間系數；V為空間特征向量。這一過程將變量場的主要信息集中由幾個典型特征向量表現[15]，特征向量表示空間分布型，空間分布型和相應的時間系數稱為EOF的模態。變量場可以是原始變量場、變量的距平場和變量的標準化場。

SVD用于分析兩個氣象要素場序列之間的相關關系，可最大限度地從兩個要素場分離出多個相互獨立的耦合模態，從而揭示出兩要素場所存在的時域相關性的空間聯系[16]。計算時，視一個要素場為左場，記為X(x,t)，其中x是空間點、設有M1個空間點；t是時間、設有N個觀測樣本；視另一要素場為右場，記為Y(y，t)，有M2個空間點。兩場標準化處理后計算其交叉協方差陣：

(2)

對Sxy做奇異值分解，得到左奇異向量L和右奇異向量R，由L和R得到時間系數U和V，再由時間系數和左右變量場算出時間系數的相關系數rk(U,V)和異性相關系數rk(X,V)和rk(Y,U)。異性相關系數是指左場(或右場)距平序列與右場(或左場)模態時間系數之間的相關性，其值的大小反映左場(或右場)距平序列與右場(或左場)模態時間系數的相關程度，最后用蒙特卡洛法進行顯著性檢驗。

先求出中國(70°E—140°E、15°N—55°N)2001—2014年168個月的AOD和同期太平洋(110°E—90°W、50°S—50°N)168個月的海表溫度的距平值(距平是指每個月的原始值與2001—2014年相同月份的平均值之差)，再對AOD的距平進行EOF分析，最后將AOD和SST的距平進行標準化處理后，對兩者進行SVD分析。由于MODIS提供的L3數據在某些月份存在缺失，對單個格網點上缺失值少于5個月的格網點進行最鄰近插值。

2 中國氣溶膠光學厚度的時空分布

EOF前4個模態的方差貢獻分別為17.8%、11.3%、8.6%和5.9%，均通過North[17]提出的顯著性檢驗。本研究只討論前兩個模態。

用EOF分解的中國氣溶膠光學厚度的第一和第二模態如圖1所示。第一模態全為負數，說明中國AOD變化是同相位的，且在華北平原絕對值達到最大，并以此為中心絕對值逐漸縮小；從時間系數及其線性擬合可以看出氣溶膠的變化幅度是逐年下降的，由其11個月滑動平均可看出存在一個4～5年的周期，極大值年份為2002年、2004年、2009年，2013—2014年氣溶膠的減少量達到極大，極小值年份為2007—2008年，2012年氣溶膠的增加量達到極大。第二模態南方為正值，且緯度越低值越大，并在華南區域達到最大；北方為負值，在塔里木盆地絕對值達到最大，這表明南北AOD的變化是反相的，對應的時間系數的線性擬合呈略微上升趨勢，由其滑動平均可以看出第二模態隨時間的變化較平緩。

圖1 EOF分解的中國氣溶膠光學厚度的第一模態和第二模態

3 中國氣溶膠光學厚度與太平洋海表溫度之間的關系

SVD第一模態的方差貢獻率為34.39%、時間相關系數為0.497 6，第二模態的方差貢獻率為19.94%、時間相關系數為0.503 1，均達到0.001顯著性水平[18]。SVD前4個模態的方差貢獻率和時間相關性及蒙特卡洛檢驗標準(0.001顯著性水平)的結果如表1所示，可以看出，只有前3個模態通過顯著性檢驗，前兩個模態所占方差貢獻率遠大于其他模態，本研究只對前兩個模態進行討論。

表1 前4個模態的方差貢獻率、時間相關性和蒙特卡洛檢驗標準

太平洋SST與中國AOD的相關系數空間分布的第一模態及其時間系數如圖2所示，黑色虛線內的區域通過顯著性檢驗。圖2(a)為左場，呈“正—負—正”的分布，其中，中東太平洋為負相關區，且大部分的負相關性在0.3以上；在該相關區的南北兩側分別為兩正相關區，且這兩個區域相關性不高。圖2(b)為右場，基本上全為正相關，且相關性以華中為大值中心，向周圍逐漸減少。圖2(c)為時間系數，可以看出AOD震蕩較快，說明AOD的變化周期短，但其總體的變化趨勢與SST的時間系數相符。由第一模態可以看出中東太平洋SST與我國AOD變化成反比，中東太平洋南北兩側海域的SST與我國AOD變化成正比。

圖2 SVD第一模態

SVD分解的第二模態如圖3所示。圖3(a)為左場，中東太平洋為正相關區，太平洋西北、西南、東南海域為負相關，且部分區域通過顯著性檢驗。圖3(b)為右場，西北區域為負相關區，且在內蒙古、甘肅等地通過顯著性檢驗；東南區域為正相關區，相關性較小，只有華南小部分區域通過顯著性檢驗。圖3(c)為時間系數，仍可以看出AOD周期短的特點。由第二模態可以看出，西太平洋中緯度地區及太平洋西南部分區域SST與我國西北部AOD成正比、與東南部AOD成反比，太平洋中東部及西北部分區域SST則相反。

圖3 SVD第二模態

海洋和大氣是一個相互作用的系統。一方面，海-氣之間的能量交換可以影響低層大氣的熱量和水汽分布，改變大氣的穩定度，進而影響大氣的對流與環流；另一方面，又會改變海洋表層的溫度分布[19]。氣溶膠是大氣中一個重要的輻射強迫因子，改變達到海表及地面的輻射通量，進而使海溫和地面溫度發生變化。氣溶膠會影響當地地表(或海表)的溫度，但對遠處區域溫度的影響是未知的。雖然W.C.Hsieh等[20]的研究發現黑炭氣溶膠的輻射強迫不僅會對當地氣溫造成影響，還會對海溫造成影響，但除沿海區域，其他區域并未通過顯著性檢驗。所以在中國陸地氣溶膠與太平洋SST的相互作用中，氣溶膠對太平洋SST的作用是次要的。

相反，氣溶膠生命周期短，其主要清除機制是干沉降(從大氣中直接降落到地面)和濕沉降(在降水過程中與云滴一起落到地面)[21]，且隨風速、溫濕度的變化相當迅速。而海溫的變化對降雨、環流等具有重要的作用。

蔡榕碩等[22]發現中國東部海溫上升會使長江中下游、黃淮流域和華北區域降水減少，使華南區域降水增加，同時還會影響東亞地區夏季環流。楊金虎等[23]的研究表明，太平洋海表溫度異常同中國東部夏季極端降水事件的變化存在顯著的關系，赤道中東太平洋是影響中國華北極端降水事件的關鍵區。江志紅等[24]和魏鳳英等[25]的研究均指出，太平洋不同區域SST的變化會對中國降水造成不同程度的影響。太平洋海溫的變化會引起一系列氣候效應，而這些氣候效應又會對我國氣溶膠產生影響。

本文只是從統計的角度分析太平洋海表溫度和中國陸地氣溶膠光學厚度之間的相關性，并簡單分析其相互作用可能存在的機制，而二者之間詳細的物理機制，還需進一步的研究。

4 結論

本研究通過對2001—2014年中國陸地氣溶膠的經驗正交分解，及其與太平洋海表溫度的奇異值分解，分析中國氣溶膠光學厚度變化的時空特征，及其與太平洋海表溫度變化之間存在的時空聯系。

(1)EOF第一模態表明，中國陸地氣溶膠光學厚度變化基本呈同位相，并在華北平原變化達到最大，且AOD的變化存在4～5年的周期；第二模態表明，南北區域成反位相變化，在華南地區達到最大，在塔里木盆地達到最小。

(2)由SVD分析可以看出，中國陸地AOD的變化與太平洋SST的變化有密切的聯系，不同海域的SST對中國氣溶膠的影響不同。

(3)氣溶膠與海溫之間相互作用，氣溶膠通過改變輻射通量對海溫產生影響，海溫通過影響降水和環流對氣溶膠的分布和粒子譜產生影響。對于中國陸地氣溶膠與太平洋海表溫度，后者的作用大于前者。

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Correlation of Pacific Sea Surface Temperature with Aerosol Optical Depth over China

JIA Feng，YAN Fengqi，LI Sicong，MA Ling，WU Dong

(College of Information Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

The temporal and spatial variations of aerosol optical depth (AOD) over China were analyzed by empirical orthogonal function (EOF)，then the relationships between the AOD and sea surface temperature (SST) of the Pacific were analyzed by the singular value decomposition (SVD) using AOD of MODIS and SST of NOAA from 2001 to 2014.The results showed that:(1) There are two main modes in AOD over China，namely，the first mode and the second mode.The EOF1 shows that AOD variation over China is in-phase，and changes in the North China Plain reached the maximum，but this change has a trend of decreasing；the north and south China is anti-phase in EOF2； (2) SVD1 shows that AOD over China is negatively correlated with mid-eastern Pacific SST ，and has a positive correlation with SST of area on both sides of mid-eastern Pacific;SVD2 shows AOD over northwest China is highly positive correlated with the middle latitude ocean SST of western Pacific.

Aerosol Optical Depth (AOD)，Sea Surface Temperature (SST)，Empirical Orthogonal Function (EOF)，Singular Value Decomposition (SVD)，MODIS

2015-12-21；

2016-05-02

國家自然科學基金項目(41376180).

賈峰，碩士研究生，研究方向為海洋探測技術，電子信箱：990296649@qq.com

閻逢旗，講師，博士，研究方向為大氣光學及氣溶膠，電子信箱：fqyan@ouc.edu.cn

P404；P7

A

1005-9857(2016)06-0033-06