大氣環(huán)境變化中大氣顆粒物PM1的重要作用
——關中平原MODIS氣溶膠產(chǎn)品的氣候分析

彭 玥,趙天良*,鄭小波,王 宏,銀 燕,廖 瑤,朱珊瑩(.南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠-云-降水重點實驗室,江蘇 南京 0044；.貴州山地環(huán)境氣候研究所,貴州 貴陽 55000；.中國氣象科學研究院大氣成分研究所,北京 0008)

大氣環(huán)境變化中大氣顆粒物PM1的重要作用
——關中平原MODIS氣溶膠產(chǎn)品的氣候分析

彭 玥1,趙天良1*,鄭小波2,王 宏3,銀 燕1,廖 瑤2,朱珊瑩1(1.南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠-云-降水重點實驗室,江蘇 南京 210044；2.貴州山地環(huán)境氣候研究所,貴州 貴陽 550002；3.中國氣象科學研究院大氣成分研究所,北京 100081)

利用MODIS 3km氣溶膠產(chǎn)品中的氣溶膠光學厚度(AOD)和細粒子比例(FMF),本文對關中平原氣溶膠近15a的時空變化進行了氣候分析,揭示了大氣環(huán)境變化中大氣顆粒物PM1的重要作用.結(jié)果表明,關中平原為AOD高值區(qū)和FMF低值區(qū).其中,最大值AOD出現(xiàn)在西安及周邊地區(qū)高達1.06,而FMF主要集中在0.3以下較低水平.伴隨關中平原近幾年大氣氣溶膠水平的降低,PM1比重卻逐年上升.關中平原AOD年際變化在2001～2011年間為顯著上升趨勢,2011～2015年間則呈下降趨勢;而2001～2015年之間FMF的年際變化呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢,反映了逐年加重的人為氣溶膠對大氣環(huán)境的影響.近15a關中地區(qū)AOD與FMF區(qū)域變化的相互關系表明,大氣氣溶膠低水平(AOD＜0.5)時,伴隨FMF上升,AOD顯著減小;氣溶膠較高水平(AOD＞0.5)時,AOD隨FMF上升而增大.這表明大氣顆粒物PM1對區(qū)域清潔和污染大氣環(huán)境變化均具有顯著作用.

MODIS；氣溶膠光學厚度；細粒子比例；關中平原；大氣環(huán)境變化

大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固態(tài)或液態(tài)粒子.雖然其質(zhì)量僅占整個大氣質(zhì)量的十億分之一,但它對大氣成分及其物理過程有著重要的影響,是大氣的重要組成部分.大氣氣溶膠可以通過吸收與散射太陽輻射,調(diào)節(jié)地氣系統(tǒng)的輻射收支,從而對氣候系統(tǒng)進行直接影響.同時,氣溶膠粒子又可以作為云凝結(jié)核(CCN)和冰核(IN)參與到云的微物理過程中,對局地和全球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生間接影響[1-2].此外,吸收性氣溶膠粒子通過吸收太陽輻射加熱大氣,改變大氣熱力結(jié)構(gòu),進而對云產(chǎn)生影響.氣溶膠的這種效應又稱作半直接效應[3-4].由此可看出,氣溶膠的輻射效應極其復雜.目前,氣溶膠輻射強迫的不確定性是造成氣候變化難以量化的最主要原因之一[5].

氣溶膠光學厚度(AOD),是表征大氣柱內(nèi)氣溶膠含量以及大氣渾濁度的重要物理量,也是決定氣溶膠輻射效應的重要因子.長期、全面、有效的氣溶膠觀測數(shù)據(jù)對氣溶膠氣候效應的深入研究尤為重要.與傳統(tǒng)地基氣溶膠觀測相比,氣溶膠衛(wèi)星遙感觀測具有空間覆蓋廣、時間序列連續(xù)性好等特點,能夠很好的彌補地面監(jiān)測基站不足所造成的空間斷層及信息缺口.同時,衛(wèi)星能夠?qū)諝赓|(zhì)量進行持續(xù)穩(wěn)定的監(jiān)測,從而便于對不同時期、不同地區(qū)之間的AOD進行比較. MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)數(shù)據(jù)具有寬波段覆蓋、高空間分辨率、高時間頻次3大典型特點.早在MODIS反演AOD之初, Chu等[6]利用AERONET觀測數(shù)據(jù)對其進行了全面驗證,結(jié)果表明 MODIS氣溶膠產(chǎn)品在陸地上的精度較高,并且在許多應用中可作為定量分析.隨著反演算法不斷優(yōu)化,產(chǎn)品精度也有所提高[7-9].與此同時,利用AERONET數(shù)據(jù)對MODIS氣溶膠產(chǎn)品在各地區(qū)的適用性進行檢驗[10-15],其中在中國大部分地區(qū),包括陜西省,MODIS AOD都有很好的適用性,可以應用于大氣環(huán)境研究.

大氣顆粒物是影響中國北方城市空氣質(zhì)量的首要污染物,其對居民健康、大氣能見度和氣候等方面都有著重要影響[16-18].已有研究指出,關中平原具有很高的AOD[11,19].并且發(fā)現(xiàn)造成關中地區(qū)氣溶膠增加的主要原因是沙塵以及人類活動產(chǎn)生的細粒子[15].近年來,城市大氣環(huán)境研究對PM10、PM2.5的關注較多.而與細顆粒物(PM2.5)相比,粒徑小于 1μm的亞微米顆粒物(PM1)所引發(fā)的低能見度的霾污染[20-21]及其健康效應更為嚴重[22].并且已有研究表明,PM1的化學組成較PM2.5和 PM10能夠更好地指示人為污染物的特征[23].因此,對關中平原 PM1的時空特征分析具有重要意義.本文利用MODIS 3km AOD產(chǎn)品對關中地區(qū)氣溶膠近 15a的變化特征進行研究,同時對FMF和AOD的相互關系進行分析,討論大氣環(huán)境變化中PM1的重要作用.

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

關中平原位于陜西省中部,黃土高原與秦嶺山脈之間,西起寶雞,東至潼關,平均海拔約500m,構(gòu)成三面環(huán)山向東敞開的河谷盆地[15].因此也將關中平原稱作關中盆地.為了便于研究分析,本文將關中平原定義為矩形區(qū)域(34.0°N～35.3°N, 106.8°N～110.5°E;圖1).

1.2 資料選取

采用NASA網(wǎng)站2014年發(fā)布的MODIS二級C006版本3km氣溶膠產(chǎn)品(MOD04_3k),該產(chǎn)品與之前MODIS C005等版本相比,具有更高的空間分辨率(3km).高分辨率的衛(wèi)星反演有助于更好地描述氣溶膠在該區(qū)域的空間分布[24].FMF表示在0.55μm處,直徑等于或小于1μm的粒子反演所得到的光學厚度與總光學厚度的比值.FMF與AOD相結(jié)合可以區(qū)分不同的氣溶膠類型[25].許秀玲[26]指出FMF在一定程度上可以反映我國陸地氣溶膠粗細粒子比例分布情況.鑒于MODIS FMF與 AERONET FMF存在較好的線性相關[27], MODIS FMF可以用于對大氣顆粒物PM1的光學厚度進行定量描述.Tan等[28]利用MODIS FMF分析了中國東部地區(qū) PM1的氣候變化特征.通過將MODIS 3km氣溶膠產(chǎn)品和觀測數(shù)據(jù)進行對比,驗證了MODIS 3km AOD在中國具有較好的適用性,在空氣質(zhì)量監(jiān)測和評估方面具有應用價值[29-30].本文收集了2001年1月～ 2015年12月550nm處的AOD以及細粒子比例FMF.

1.3 方法介紹

為了分析氣溶膠氣候態(tài)變化的空間分布,將收集的MODIS 3km氣溶膠產(chǎn)品進行了反距離權(quán)重插值,處理成水平分辨率為 5km×5km的數(shù)據(jù)集.在計算關中平原區(qū)域平均 AOD時,為了增加統(tǒng)計結(jié)果的代表性,考慮到衛(wèi)星觀測的不確定性以及缺值問題,將一天之中區(qū)域內(nèi)的有效格點數(shù)(格點值在-0.1～5之間)小于 200個的天數(shù)剔除,然后求取年均值進行分析.為保證數(shù)據(jù)一致性,對FMF(格點值在 0～1之間)也做相同的處理.與此同時,本文利用線性回歸分析分別對 AOD與FMF的長時期變化趨勢,以及AOD與FMF的相互關系進行了討論.值得注意的是,在 AOD很低(AOD＜0.2)的情況下,FMF極不穩(wěn)定,難以保證其準確性,所以將該情況下的 FMF值視為無效[8].本文對冷暖季節(jié)的劃分標準為:5～10月為暖季,11～4月為冷季.

2 結(jié)果分析

利用2001年1月～2015年12月MODIS的AOD(550nm)以及FMF資料,本文主要氣候分析了關中平原AOD和FMF的區(qū)域空間分布,年際變化趨勢以及相互關系,以揭示區(qū)域大氣環(huán)境變化中大氣顆粒物PM1的重要作用.

2.1 區(qū)域空間分布

圖1給出了關中平原(紅色矩形內(nèi))和周邊地區(qū)的海拔以及近15a (2001～2015) AOD平均值的空間分布情況.可以看出,海拔高度與 AOD的分布呈現(xiàn)顯著的負相關關系.高海拔地區(qū) AOD普遍低,而低海拔地區(qū) AOD較高.關中平原為陜西省AOD高值區(qū),主要集中在以寶雞、咸陽、西安以及渭南為主的關中平原經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),多年平均AOD達0.6及以上.AOD衛(wèi)星遙感觀測與近地面大氣氣溶膠污染的關聯(lián)程度受到混合層高度變化的影響.有研究發(fā)現(xiàn)[31],關中地區(qū)AOD與數(shù)字高程模型(DEM)具有極其顯著的指數(shù)函數(shù)關系,并推導出關中氣溶膠標高為 867.7m.此外,近地面的盛行風向也表明,西安、渭南等地區(qū)的主要風向為偏東風,而平原西部的寶雞為偏西風[15].因此,關中盆地這種東寬西窄,三面環(huán)山的“喇叭口”地形非常不利于污染物的擴散.與此同時,中國其他一些地區(qū),例如四川盆地,長江三角洲以及珠江三角洲也是AOD高值區(qū),年平均AOD達0.7及以上[32].此外,關中平原AOD的最大值出現(xiàn)在西安市區(qū)附近區(qū)域為 1.06,明顯高于關中其他地區(qū).這說明除地形外,排放源的影響也是十分顯著的.特殊的地形以及全年較為嚴重的工業(yè)污染和交通排放造成西安及其附近區(qū)域AOD整體偏高[33].圖2為關中平原15a(2001～2015)AOD標準差分布,可以發(fā)現(xiàn)其分布形式與圖1中AOD的分布相似,即 AOD越高的地區(qū)其標準差越大,說明其具有較大的年際變化波動.關中平原高 AOD地區(qū)具有大的年際變化幅度.

圖1 關中平原和周邊地區(qū)地勢及AOD空間分布(其中,紅色矩形內(nèi)表示關中平原;三角形代表市區(qū);填色圖為2001～2015年AOD平均值;等值線為海拔高度(m))Fig.1 Spatial distribution of AOD averaged over 2001～2015 (shaded contours) over Guanzhong Plain surrouding areas, made in a red rectangular, the cities with black triangles and the terrain altitudes (m; contour lines)

圖2 關中平原15a(2001～2015)AOD標準差空間分布Fig.2 The distribution of AOD standard deviations of over Guanzhong Plain during 2001～2015

圖3為關中平原15a(2001～2015)FMF平均值的空間分布.對比圖 1可以看出,關中平原內(nèi)FMF的分布與AOD的分布有著明顯差異.在高AOD的關中平原經(jīng)濟發(fā)達區(qū),FMF較低,主要集中在0.3以下.與此同時,高AOD的長江三角洲地區(qū)也有較低的FMF,在0.2～0.3之間[28].而在關中平原經(jīng)濟發(fā)達區(qū)外圍,FMF普遍較高.究其原因,可能是在經(jīng)濟發(fā)達區(qū)外圍,海拔較高,人類活動少,并且粗粒子通過垂直輸送到達這一高度的幾率較小,因此其FMF普遍較高;而在經(jīng)濟發(fā)達區(qū)內(nèi),雖然人類活動是細粒子的重要來源之一,但由于這一區(qū)域地表植被覆蓋少,地面、建筑揚塵以及燃煤能夠產(chǎn)生大量的粗粒子,導致總粒子增加,從而造成城區(qū)的FMF低于周邊地區(qū).這一結(jié)論與董自鵬等[31]研究關中平原 Angstrom 波長指數(shù)(α)得到的結(jié)果是一致的.

圖3 關中平原15a(2001～2015)FMF平均值的空間分布Fig.3 Distribution of FMF over Guanzhong Plain averaged during 2001～2015

2.2 年際變化趨勢

圖4為2001～2015年期間關中平原整個區(qū)域平均AOD距平的年際變化趨勢.如圖4所示,關中地區(qū) AOD呈現(xiàn)出階段性變化的特征.總體上,關中平原AOD 在2001～2011年間是波動上升的,而在2011年后開始逐漸降低.為了進一步研究關中平原不同區(qū)域AOD的氣候變化,根據(jù)圖4中AOD 距平的年際變化特征,也將其分為2001～2011和 2011～2015兩個階段,分別討論這兩個時間段內(nèi)關中平原不同地區(qū)AOD的變化趨勢(圖5).可以看出,2001～2011年關中平原大部分地區(qū) AOD為上升趨勢,其最大值出現(xiàn)在西安市,并且很多地區(qū)都通過了置信度為 95%的顯著性檢驗(圖5a);而2011～2015年關中平原AOD變化趨勢發(fā)生逆轉(zhuǎn),平原內(nèi)幾乎所有地區(qū)均為下降趨勢,并且趨勢顯著,最大值達到-0.156a-1(圖5b).

圖4 關中平原區(qū)域平均AOD距平的年際變化(2001～2015年,實線為2001～2011年線性趨勢;虛線為2011～2015年線性趨勢)Fig.4 Interannual variations of AOD anomalies over Guanzhong Plain with the trends in AOD (solid line) during 2001～2011 and (dash line) 2011～2015 respectively)

圖5 關中平原2001～2011年(a),2011～2015年(b)AOD變化趨勢,單位:a-1(打點區(qū)域表示通過置信度為95%的顯著性檢驗)Fig.5 Variation trends of AOD over Guanzhong Plain during (a) 2001～2011,(b) 2011～2015 (black dots indicate the trends passing the significant level of 95%)

圖 6為 2001～2015年關中平原不同地區(qū)FMF變化趨勢.可以看出,關中平原大部分地區(qū)FMF均為上升趨勢.其中,包括寶雞中部、咸陽、西安北部、以及渭南北部在內(nèi)的關中核心區(qū)域趨勢顯著,且大多通過了置信度為 95%的顯著性檢驗.其可能原因是在關中經(jīng)濟發(fā)達的城市及地區(qū),工業(yè)生產(chǎn)以及汽車尾氣等直接排放的大量細粒子及二次氣溶膠過程都使得細粒子占總大氣氣溶膠的比例增大[34-35].

2.3 AOD與FMF的相互關系

根據(jù)關中平原AOD與FMF 15a平均值的空間分布,圖7給出了二者之間的相關性特征.AOD與FMF的相關性可依據(jù)AOD的高低分為2個部分,圖7中以0.5為界限.可以看到,在AOD低值區(qū)(AOD＜0.5),FMF與AOD顯著負相關,相關系數(shù)達到-0.48;相反,在 AOD高值區(qū)(AOD＞0.5),FMF與AOD正相關,相關系數(shù)為0.17,并且兩種情況均通過了 99%的顯著性檢驗.在氣溶膠水平較低(AOD＜0.5)的清潔大氣環(huán)境中,FMF越高,AOD越低,即氣溶膠水平越低,大氣環(huán)境越清潔.這表明了在關中平原地區(qū)清潔大氣環(huán)境下PM1的重要性;而在氣溶膠濃度較高(AOD＞0.5)的污染大氣環(huán)境中,伴隨FMF的升高,AOD增大,大氣污染加重.這說明PM1在污染大氣環(huán)境變化中同樣有重要貢獻.由此可見,關中平原大氣顆粒物 PM1對區(qū)域清潔和污染大氣環(huán)境變化均具有重要作用.

圖6 關中平原FMF 15a(2001～2015)變化趨勢(打點區(qū)域表示通過了置信度為95%的顯著性檢驗)Fig.6 Variation trends of FMF over Guanzhong Plain during 2001～2015(black dots indicate the trends passing the significant level of 95%)

圖7 關中平原15a(2001～2015)平均AOD與FMF空間分布的關系Fig.7 The relationship between the annual averages of AOD and FMF over Guanzhong Plain during 2001～2015

圖8 關中平原15a(2001～2015)季節(jié)平均AOD與FMF空間分布的關系 (a)暖季,(b)冷季Fig.8 The relationship between AOD and FMF in (a)warm and (b) cold seasons over Guanzhong Plain during 2001～2015

為了進一步說明這一特點,圖8a和圖8b分別為關中平原15a暖季(5～10月)和冷季(11～4月)平均AOD與FMF的關系特征.從圖8可以看出,冷、暖兩季的AOD與FMF的關系均表現(xiàn)出與圖7相似的相關關系,其中以冷季更為顯著.在暖季,PM1在氣溶膠濃度偏低和偏高時所占比重均較大[圖 8(a)].其中,AOD 在 0.9左右較高值時,FMF平均值增加到近 0.5,說明盡管關中平原FMF相對偏低(圖3),但是PM1對于較高氣溶膠水平具有顯著的貢獻.其原因可能為暖季地表植被密集,充足的水汽加上強的太陽輻射等因素為PM1的生成提供了有利條件.有研究指出[36-38],夏季太陽輻射強烈,溫度高,有利于光化學過程導致細粒子的生成.相對于暖季而言,冷季的 FMF較低 (圖 8),可能因為在早春沙塵天氣與冬季北方供暖的共同作用下,加上冷季的低植被覆蓋率,使得粗粒子比重增加.在關中地區(qū)霧霾頻發(fā)的冷季,伴隨FMF上升,AOD增加趨勢顯著[圖8(b)],表明PM1對大氣霧霾污染具有重要作用.

3 結(jié)論

3.1 近15a關中平原的高濃度氣溶膠中細粒子比例(FMF)偏低.關中平原是AOD高值區(qū)和FMF低值區(qū).最大值 AOD出現(xiàn)在西安及周邊地區(qū)高達1.06;關中平原經(jīng)濟發(fā)達區(qū)FMF集中在0.3以下較低水平.

3.2 伴隨近年來關中平原大氣氣溶膠水平的下降,PM1的貢獻卻逐年上升.關中平原 AOD在2001～2011年間波動上升,隨后從 2011～2015年轉(zhuǎn)為下降趨勢,而2001～2015年之間FMF的年際變化呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢.

3.3 PM1對關中區(qū)域清潔和污染大氣環(huán)境變化均具有顯著貢獻作用.清潔大氣環(huán)境(AOD＜0.5)中,伴隨FMF上升,AOD顯著減小;而污染大氣環(huán)境(AOD＞0.5)中,AOD隨FMF上升而增大.

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The important role of PM1in changes of atmospheric environment: climatic analysis of MODIS aerosol products in Guanzhong Plain.

PENG Yue1, ZHAO Tian-liang1*, ZHENG Xiao-bo2, WANG Hong3, YIN Yan1, LIAO Yao2, ZHU Shan-ying1(1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Guizhou Institute of Mountainous Climate and Environment, Guiyang 550002, China；3.Institute of Atmospheric Composition, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2443～2449

The temporal and spatial changes of aerosols over Guanzhong Plain in 15 years were climatologically analyzed in this paper, by using MODIS 3km aerosol products including AOD (aerosol optical depth) and FMF (fine mode fraction). The results showed that Guanzhong Plain was an area with high AOD and low FMF. The highest value of AOD existed in Xi’an and the surrounding areas up to 1.06 while FMF was under 0.3 there. With the decreases in atmospheric aerosol levels over Guanzhong Plain in recent years, the proportion of the PM1increased year by year. During 2001～2011, AOD values increased significantly and then became decreasing in most areas of Guanzhong Plain over recent 5 years. Meanwhile, FMF values showed a sustaining upward trend from 2001 to 2015, reflecting the influence of increasing anthropogenic aerosols on atmospheric environment. The relationship between 15-year averages of AOD and FMF over Guanzhong Plain presented that when atmospheric aerosol level was low (AOD＜0.5), AOD decreased with the increasing FMF, and when atmospheric aerosol level was high (AOD＞0.5), AOD increased with the increasing FMF, indicating that atmospheric particles PM1contributed greatly to atmospheric environment changes both in clean and polluted regions.

MODIS；AOD；FMF；Guanzhong Plain；atmospheric environmental change

X513/X87

A

1000-6923(2017)07-2443-07

彭 玥(1989-),女,陜西寶雞人,碩士研究生,主要研究大氣環(huán)境數(shù)值模擬.

2016-12-02

國家重點研發(fā)計劃“大氣污染成因與控制技術(shù)研究”試點專項項目(2016YFC0203304);國家自然科學基金培育項目(91544109);科技部973項目(2014CB441201)

* 責任作者, 教授, tlzhao@nuist.edu.cn