鄂南地區大氣氣溶膠光學厚度季節變化研究

王凱慧+袁飛龍+周霞+沈培+陳浩+劉彥文

摘 要：隨著社會工業化的大力發展以及自然環境逐漸惡化，大氣氣溶膠與氣候相互關系研究已然成為當前大氣科學及相關領域的熱點問題。該文基于2014—2015年MODIS氣溶膠反演產品，統計分析了鄂南地區氣溶膠光學厚度AOD季節變化特點，有助于研究該地區的污染程度。結果表明，鄂南地區AOD高值區主要出現在荊州、武漢江夏、咸寧北部和黃石東部等地區，低值區主要為荊州西部和咸寧南部的山區。鄂南地區AOD具有鮮明的季節變化，四季平均AOD除春季很高之外其他季節都呈平穩趨勢，春季是AOD值最大的一個季節，夏季次之，進入秋季顯著降低，冬季更低，冬季到來年春季跳躍性增高。

關鍵詞：MODIS；大氣氣溶膠厚度；反演；鄂南地區

中圖分類號 X513 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）20-0099-03

Study on Seasonal Variation of Atmospheric Aerosol Optical Depth in Southern Hubei

Wang Kaihui et al.

（School of Resources and Environment Science and Engineering， Hubei University of Science and Technology， Xianning 437100，China）

Abstract：With the vigorous development of social industrialization and the gradual deterioration of the natural environment， the research on atmospheric aerosols and climate relations has become a hot issue in current atmospheric science and related fields.Based on the MODIS 2014—2015 aerosol product research， this paper analyzes the seasonal variation characteristics of aerosol optical depth AOD， which is helpful to study the degree of pollution in the area.The results show that Southern region of Hubei high value area of AOD occurred mainly in Jingzhou， Wuhan， Jiangxia， northern Xianning and Eastern Huangshi， low value area is mainly in Western Jingzhou and southern Xianning mountain. In the southern region of Hubei Province， AOD has a distinct seasonal variation， with an average of AOD except for the high spring and other seasons，Spring is the largest AOD value of a season， the summer time， to enter the autumn significantly reduced， lower winter， winter to spring jumping increased.

Key words：MODIS；Aerosol optical depths；Inversion；South of Hubei Province

自20世紀90年代以來，氣溶膠對氣候和環境的影響得到了世界各國學者的高度重視，我國學者們也開展了大量研究，例如，羅云峰等利用全國1961—1990年46個站點資料反演了30年間各個站點的0.75um波段的大氣氣溶膠光學厚度[1]。李成才、毛節泰等利用實測氣溶膠數據檢驗同期NASA發布的MODIS氣溶膠產品數據，證實了氣溶膠光學厚度數據在城市空氣污染研究領域有很好的前景[2]。郝增周等利用SeaWiFS遙感資料分析了中國海域氣溶膠光學厚度的季節變化和分布特征[3]，劉桂青等證實了氣溶膠光學厚度從某種程度上可以反映地面大氣污染狀況[4]。李曉靜等建立了北京及其周邊地區上空氣溶膠光學厚度的遙感模型，證實氣溶膠光學厚度在經過垂直訂正和濕度訂正后，可用于進行地面PM10的監測[5]。石勇利用美國國家航空航天局提供的MODIS大氣二級產品數據，建立和同時段PM10日均值間的關系模型[6]。越來越多的學者致力于運用衛星遙感影像來研究大氣氣溶膠與空氣污染物濃度之間的關聯性，以期能夠實現利用衛星遙感影像實時動態監測空氣質量的目的[7]。本文將借鑒國內外學者的研究方法，對鄂南地區AOD的季節變化進行分析。

1 研究區概況與數據來源

本文中的鄂南地區是指咸寧市為核心，西望荊州市、東鄰鄂州黃石、北靠武漢江夏區、南接岳陽，這是位于我國長江中下游地區，這些地區主要在湖北南部，故被稱之為“鄂南”，經緯度范圍大致為111.240°～115.505°和29.033°～30.660°，海拔多在20～500m。鄂南地區位于湖北較濕潤潮濕的地區，年降水量較多，植被覆蓋率較多，特別在咸寧南部，以及荊州東南部植被豐富，分布均勻，裸露土壤較少，地表結構相對簡單，所以其地表反射率相對較低。本文采用Terra衛星2014年3月至2015年2月每日MODIS L1B數據為研究資料來估算氣溶膠光學厚度，數據空間分辨率為1°×1°。endprint

2 研究方法

本文在利用MODIS資料反演鄂南地區氣溶膠光學厚度的研究中，運用的是暗像元方法。暗像元算法是由Kaufman等人根據陸地上氣溶膠光學厚度遙感建立的，就目前方法來看，暗像元算法在陸地上氣溶膠遙感應用最為廣泛和較為有效的算法。由于地表物體的多樣性會造成反射率復雜多變，這就使得從遙感圖像的輻射值中分離出路徑輻射項很困難，如果想用輻射項來獲得氣溶膠信息，就必須使地表輻射值可以忽略或者有輻射但很小，并且能夠較精確的確定，這樣可以盡量消除地表反射率的不確定性對光學厚度的影響。對于濃密植被，它們的反射率都很低（約0.01～0.02），因此許多具有森林或大范圍濃密植被的地方可以用此方法獲得氣溶膠信息，再經過大氣校正這種方法就是暗像元法。

3 鄂南地區AOD不同季節分布特征

3.1 春季分布特征 鄂南地區春季的AOD的空間分布呈明顯的西高東低分布特征。一個高值區位于荊州地區，另外一個明顯高值區位于黃石西部地區。這2個高值區氣溶膠光學厚度在1.7～1.95，極大值中心分別位于荊州中心區和臨近安徽邊界，氣溶膠光學厚度達到了1.9以上。從圖1中可以看出，上述各個分散的高值中心與盆地內行政區市的分布基本一致。另在春季，整個鄂南地區AOD較高，鄂南地區除了咸寧的九宮山山脈地區以外的大部分區域，其他地方基本都被AOD高于1.2的高值所覆蓋，荊州大部分地區至黃石等高值中心AOD可達1.50以上，荊州地區西部與咸寧南部山地AOD基本低于0.50。在鄂南地區，春季是全年AOD值最大的季節，平均值為1.52，1.70以上的高值區幾乎占據整個荊州地區，中心最高值可達1.85以上。在武漢江夏去到黃石的大部分地區也分布著1.42以上的較高值。

從春季的反演的結果表明，氣溶膠光學厚度空間分布變化較大，反演的氣溶膠光學厚度最大值一般位于荊州工業區。春季由于采暖期未完全結束，加上工業生產大氣污染物的排放和沙塵粒子的影響，空氣污染仍然比較嚴重。鄂南地區開始春播耕種，秸稈燃燒，鞭炮隨意亂放和森林火險事件等，其產生的氣溶膠使鄂南地區的AOD增加明顯。

3.2 夏季分布特征 鄂南地區夏季氣溶膠光學厚度明顯減小，高值區面積縮小，低值區面積增多。雖然如此，我們仍可發現有西高東低的分布特點。圖2表明比較明顯的高值區為由西部荊州到武漢江夏區，其中荊州高值區中心值在0.9～1.0，而在咸寧中心高值區的中心值僅在0.4～0.6，在荊州東南部有一塊AOD值較小的區域，那是由于有山脈的影響，通過與春季相比AOD大大下降。在其他高值區由于變得過于分散而基本消失，同時數值也減小到0.6～0.8。從圖2中還可以看出，在夏季時位于鄂州到黃石的地區，氣溶膠光學厚度AOD甚至小于0.1。

對出現這種情況的原因進行分析，在6—8月這段時間里，鄂南地區大氣層處于春夏交替的不穩定狀態，鄂南地區出現大范圍降雨天氣，降水量大大增多。此時懸浮在大氣中的氣溶膠粒子可以通過云和降水過程清除相當大的一部分，這有利于氣溶膠快速擴散與稀釋，夏季的降水是導致整個鄂南地區氣溶膠光學厚度變小的重要原因。

3.3 秋季分布特征 鄂南地區秋季AOD與夏季差別明顯，各個地區還是都會有明顯增加，而在咸寧東部地區強度明顯減弱，但是西高東低的分布特征還是十分顯著。由圖3可見，高值中心荊州AOD在0.8左右，低值中心咸寧東南部在0.2左右。荊州南部和東部山區的氣溶膠光學厚度數值比夏季偏小，而在靠近咸寧東部則繼續減小，這與秋季降水多和溫度高有關。在秋季整個鄂南地區AOD大范圍平均有小許上升，但是紅色高值區徹底消失。

秋季整個鄂南地區都屬于收獲的季節，特別是靠近長江一帶的地區，各類收獲后的秸稈接踵堆積，但是在秸稈的處理上一直都是政府和居民頭疼的問題。由于天然氣的普及以及更加方便干凈的燃料進入廣大的居民家中，所以居民就不會太注重秸桿的處理，大部分秸稈被農民直接在田地里燃燒，導致出現AOD的值會有一段時間的提升。從圖中我們可以看到咸寧部分盆地地區有較大的提升，所以我們應該注意對農作物秸稈合理的處理。

3.4 冬季分布特征 鄂南地區冬季AOD均值與秋季有了較大降低，但與秋季不同的是鄂南地區的高值區范圍有所擴大，但強度有所降低。秋冬兩季和春夏兩季相比較強度明顯下降，由圖4可知，其基本維持在0.4左右，咸寧地區的低值區范圍擴大。荊州到黃石AOD高值中心強度冬季比夏季進一步降低，由于來自北方的冬季風的作用下，水平動力擴散能力較強，這非常有利于氣溶膠的擴散和輸送。

從圖4中還可見，與春季相比，原來分散的高值區已連接成片，這很可能是冬季地面風速較小、濕度較大、白天混合層的發展經常受逆溫的限制等原因造成的。在冬季鄂南地區溫度普遍很低，隨著人們生活水平的提高，已經從木材取暖轉變到空調以及火爐取暖，這樣大大減少了污染氣體的排放，大大降低了AOD值。再加上冬季風的因素，污染物大大擴散，冬季空氣相對較好，這使得大氣溶膠厚度降低。

4 結論

本文基于2014—2015年MODIS數據統計分析了鄂南地區氣溶膠光學厚度AOD季節變化特點，研究表明鄂南地區大氣氣溶膠光學厚度四季都呈明顯西高東低的地理分布特征。鄂南地區AOD高值區主要出現在荊州、武漢江夏、咸寧北部和黃石東部等地區，低值區主要為荊州西部和咸寧南部山區。鄂南地區AOD具有鮮明的季節變化，四季平均AOD除春季很高之外其他季節都呈平穩趨勢，春季是AOD值最大的一個季節，夏季次之，進入秋季顯著降低，冬季更低，冬季到來年春季跳躍性增高。

參考文獻

[1]羅云峰，呂達仁，周秀驥，等.30年來我國大氣氣溶膠光學厚度平均分布特征分析[J].大氣科學，2002，26（6）：721-730.

[2]李成才，毛節泰，劉窟漢，等.利用MODIS研究中國東部地區氣溶膠光學厚度的分布特征[J].科學通報，2003，48（19）：2094-2100.

[3]郝增周，潘德爐，白雁.SeaWiFS遙感資料分析中國海域氣溶膠光學厚度的季節變化和分布特征[J].海洋學研究，2007，25（1）：80-87.

[4]朱愛華，李成才，劉桂青，等.北京地區MODIS衛星遙感氣溶膠資料的檢驗與應用[J].環境科學學報，2004（01）：86-90.

[5]何秀，鄧兆澤，李成才.MODIS 氣溶膠光學厚度產品在地面PM10監測方面的應用研究[J].北京大學學報，2010，46（2）：178-184.

[6]石勇.武漢市 MODIS 氣溶膠光學厚度與空氣PM10濃度的關系研究[D].武漢：華中農業大學，2012.

[7]林海峰，辛金元，張文煜，等.北京市近地層顆粒物濃度與氣溶膠光學厚度相關性分析研究[J].環境科學，2013，34（03）：826-834.

（責編：張宏民）endprint