中國東部AOD等級變化及與東亞夏季風的聯系

馬奮華,管兆勇

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中國東部AOD等級變化及與東亞夏季風的聯系

馬奮華,管兆勇*

(南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室,氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044)

利用2000年3月～2017年1月Terra衛星反演的最新版本C06的MODIS氣溶膠光學厚度(AOD)、NCEP fnl全球業務分析數據、CMAP降水、CERES SYN1deg Ed4月平均資料、NCEP/NCAR再分析資料等,依據區域平均AOD距平的顯著年際變化特征,將歷年AOD劃分為5個不同的污染等級,并探討了不同污染等級的局地成因及其與季風環流的聯系.結果表明,夏季中國東部地區AOD異常偏大與地面風速小、中高層季風環流系統不利于氣溶膠擴散有關.氣溶膠污染最重(最輕)時,氣溶膠與到達地面的太陽短波輻射、地面氣溫、風速及降水存在密切聯系;在其他污染等級下,除了與到達地面的短波輻射有密切關系外,與其他量的聯系并不明顯.氣溶膠污染嚴重時,到達地面的太陽短波輻射相對減小,地面氣溫異常偏低,低層大氣冷卻,地面風速減小,地面降水呈現南多北少的變化特征;反之,氣溶膠污染較輕時,到達地面的太陽短波輻射相對增加,地面氣溫異常偏高,低層大氣加熱,地面風速增大,地面降水呈現南少北多的變化特征.

中國東部地區；AOD；東亞夏季風

近幾十年來,中國東部氣溶膠污染日趨嚴重[1-4],城市地區氣溶膠排放濃度最高達偏遠地區排放的2.5倍[5],東部站點AOD是西部站AOD的2倍[6]. PM2.5與PM10[7]、黑碳[8-9]、礦物沙塵[10]等污染物的濃度亦均呈現較高的態勢,嚴重影響了大氣環境.同時,中國東部受季風的影響,季風活動異常可造成嚴重的氣象災害,影響人們的生產活動和日常生活[11].因此,氣溶膠與季風被認為是影響中國東部氣候環境的兩大重要影響因子[12-14].

研究表明,氣溶膠可影響季風變動.氣溶膠通過對輻射強迫產生影響[15-18],致使海陸熱力差異改變,從而影響季風.20世紀70年代以來,東亞夏季風減弱,長江中下游地區降水偏多、華北地區降水偏少,出現南澇北旱的年代際變化現象[19-23].吸收性氣溶膠增加可能是導致中國中東部夏季氣候產生突變的原因[24-25],而散射性氣溶膠(硫酸鹽氣溶膠)的直接氣候效應顯著地減少了到達地面的太陽輻射,導致海陸溫差縮小,使東亞夏季風強度減弱[26],也可能是各種氣溶膠綜合作用的結果[27].數值模擬結果也表明,如果模式同時考慮散射性氣溶膠與吸收性氣溶膠,結果也顯示出氣溶膠增加可使東亞夏季風減弱[28-29].

氣溶膠時空變化也受季風影響.模式研究結果表明,夏季風能夠影響氣溶膠的濃度及空間分布[30-35].模式模擬結果表明,夏季風是氣溶膠濃度變化的主要影響因子[30],而不是氣溶膠的局地排放[31]. PM2.5的濃度在弱夏季風年要高于強夏季風年[32],對南亞夏季風而言,也有類似的結論[31].由季風環流變化引起的風場變化是氣溶膠遠距離輸送的主要氣象因子[35-36],而季風帶來的濕空氣也是氣溶膠濃度下降的主要原因[34],夏季風的季節進程對氣溶膠的再分布也產生影響[37].

盡管上述有關氣溶膠與季風的關系有了大量研究,但不同條件下氣溶膠污染的程度是不同的.如果將污染分成若干等級,這些不同等級與季風環流異常是什么關系,目前尚不是非常清楚.由于氣溶膠光學厚度表征了大氣柱中氣溶膠對光的消散作用,其量值在一定程度上反映出大氣中氣溶膠濃度的大小,且有研究表明,AOD的變化特征基本上與氣溶膠排放源的年(代)際變化相一致[38-41].因此,AOD被用來分析氣溶膠與季風變化的聯系是一較好的選擇.本文將對AOD進行分級,并分析其與季風環流異常的聯系,旨在認識氣溶膠與季風相互作用.

1 資料與方法

為了研究中國東部夏季AOD的分布特征及其與季風環流異常的聯系,本文選取2000年3月~2017年1月的數據資料.

AOD資料:搭載于Terra衛星上的中分辨率成像光譜儀(MODIS)是美國地球觀測系統(EOS)計劃中用于觀測全球生物和物理過程的重要儀器.它具有36個中等分辨率水平(0.25um~1um)的光譜波段,每1~2d對地球表面觀測一次.本文選取MODIS最新版本C06的大氣三級產品中的月平均資料,空間分辨率為1°×1°. C06資料較C05資料在地面反照率估計、氣溶膠模式選擇及云篩查方案等方面均有所改進[42-43],尤其是植被與非植被地表混合的地表反照率估計得到改進,使氣溶膠數據集的覆蓋范圍從干旱半干旱地區擴展到整個大陸地區,且與地表觀測網數據集(Aerosol Robotic Network,簡稱AERONET)比較,氣溶膠的反演誤差減小.本文基于其中的550nm波長范圍的深藍與暗目標算法相結合反演的AOD進行分析.

由于上午星MODIS/Terra與下午星MODIS/ Aqua過境時間不同,所測得的AOD可能不同.本文分別對MODIS/Terra與MODIS/Aqua夏季區域平均AOD的歷年變化分析時發現,兩星的年際變化一致,且兩者差異不大.由于Terra衛星觀測時間序列相對長了2a,因此本文分析時選用了Terra衛星的數據資料.

美國國家環境預報中心(NCEP)提供的業務全球分析資料:空間分辨率為1°×1°,為6h一次的逐時資料,垂直方向為21層,分析時將逐時資料處理為月平均數據資料.本文主要利用地面10m處的風速、地面2m處氣溫,等壓面風場等物理量進行分析.

云地球輻射能量系統(Clouds and the Earth’s Radiant Energy System,簡稱CERES)CERES SYN1deg Ed4月平均資料,空間分辨率為1°×1°.

CMAP降水資料[44],空間分辨率為2.5°×2.5°.

NCEP/NCAR再分析月平均資料[45],空間分辨率為2.5°×2.5°,垂直方向為17層,主要用于計算東亞夏季風指數.

本文所用主要方法包括距平分析、相關分析及檢驗等.夏季定義為6~8月,而夏季平均指6~8月平均.

2 結果與討論

2.1 夏季不同污染等級劃分與AOD分布特征

2.1.1 AOD變化與風速的關系 夏季中國東部處于污染物濃度高值區.從近17a夏季平均AOD分布可看出,中國東部包括山東、京津冀以南、山西、江蘇、安徽、河南、湖北、浙江以及江西與湖南北部,AOD值均在0.6以上,AOD呈西南-東北向帶狀分布,且一直延伸到山東沿海.此時,地面上10m處風速在1.5m/s以下,比周圍及東南沿海風速均偏小.對流層低層850hPa風場由冬季盛行的偏北風轉變為夏季盛行的南風,越赤道西南氣流從孟加拉灣流經南海時風速減小,同時由西南氣流轉變為南風氣流,從華南經江淮流域到達華北時風速逐漸減小,尤其是在AOD大值區,風速達到最小,在2m/s以下.同時低層印度西南季風攜帶水汽經南海輸送至華南,水汽通量減弱,在黃河流域以北水汽通量減小到2g/s,達到最小.

圖1 2000~2016年多年平均的夏季各變量分布

方框表示中國東部地區

較大的AOD可能使到達地表的太陽輻射減小,并減小海陸溫差,因而不利于夏季風增強(如孫家仁等[26,28]).而弱的地面風速亦不利于污染物的擴散,導致AOD增大(如Yan等[32]).進一步分析AOD與地面及850hPa風速的相關系數分布(圖2),發現中國東部地區AOD與地面及850hPa風速大小呈負相關關系.尤其是AOD與地面風速的負相關關系(圖2a)在江蘇大部分地區及山東西南與河南接壤處很強,相關系數達到-0.60(通過0.05置信水平檢驗).說明AOD異常偏高,地面風速小;AOD異常偏低,地面風速大;反之亦然.這從觀測資料分析的角度進一步說明風速越小,越不利于氣溶膠等污染物擴散.

圖2 2000~2016年夏季平均AOD異常與地面及850風速異常的相關系數分布

方框表示中國東部地區,黑點通過0.05置信水平檢驗

上述分析表明,AOD變化與地面和對流層低層風速變化關系密切.但在不同AOD大小的變化情況下風速及大氣環流則不能很好地刻畫.為此,首先依據AOD數值變化劃分污染程度等級.

2.1.2 污染程度的等級劃分 對中國東部地區[110~121°E,27.5~40°N]求AOD歷年夏季區域平均值(記為[AOD]),并給出歷年[AOD]的距平變化(圖3).從歷年AOD變化特征看,[AOD]距平分布總體呈現先增長后下降的趨勢,但年際變化也很明顯.有些年份如2007、2008、2010、2011、2014年,[AOD]值比平均值高出0.1以上,甚至個別年份高出平均值0.2以上;有些年份如2000、2013、2016年,[AOD]值比平均值低0.1,尤其是2016年夏季比平均值低0.2以上.這說明近17a,中國東部區域平均AOD值的年際差異比較大.

依據[AOD]距平值的不同大小范圍,將近17a氣溶膠的污染程度劃分為5級(表1),即污染嚴重、污染重、污染較重、污染輕、污染較輕,相應地定義污染等級為Level-Ⅴ、Level-Ⅳ、Level-Ⅲ、Level-Ⅱ、Level-Ⅰ,并對應相應的年份.本文從這5個等級出發,研究季風環流對氣溶膠的影響.

按照5個不同等級的年份,合成分析了不同污染等級下中國東部夏季AOD距平分布(圖4).由圖4可以明顯看出,隨著AOD從Levlel-Ⅰ變化到Level-Ⅴ,中國東部區域尤其是北京、天津、河北南部以及山東半島以西AOD距平從負值逐漸變為正值,且距平值越來越大,到Level-Ⅴ級時,整個中國東部及周邊地區均為正距平區,AOD北高南低,與Wang等[45]分析結果一致.Level-Ⅴ與Level-Ⅰ相比,AOD距平差達到0.6(均通過了0.10置信水平距平差值檢驗),說明中國東部AOD在不同分級之間不僅區域平均差異大,而且區域分布特征也明顯不同.

圖3 2000~2016年中國東部夏季區域平均值距平的逐年變化

直線為線性趨勢,曲線為二次擬合分布,2稱為決定系數,表示二次曲線的擬合程度高低

表1 中國東部氣溶膠污染分級

圖4 不同污染等級下中國東部夏季AOD距平的分布

方框表示中國東部地區,黑點表示通過0.10置信水平檢驗

2.2 不同等級污染的局地成因及可能影響

中國東部污染不同等級與地面10m處風速距平大小有關.由圖5可見,污染較輕時(Level-Ⅰ),整個中國東部地面風速距平值為正,最大正距平達到0.3m/s.隨著污染的加重(Level-Ⅱ到Level-Ⅳ),風速距平分布變化明顯,但變化規律不明顯.到污染最重時(Level-Ⅴ),除津京冀一帶整個中國東部風速距平變化為負值,尤其是東部沿海地區風速距平變化最大,與歷年平均風速相比減小最明顯.對比Level-Ⅴ與Level-Ⅰ兩級地面風速距平分布可以說明,中國東部地區AOD異常偏高時,對應地面風速小,AOD異常偏低時,對應地面風速大.反之也說明,地面風速大,AOD小;地面風速小,AOD大.地面風速大小,是AOD異常分布的影響因子之一,風速大,氣溶膠容易擴散;風速小,氣溶膠容易積聚.但在津京冀一帶,污染較輕與污染較重的情況下,地面風速距平大小與其他區域表現出相反的變化特征,即污染較輕時,地面風速距平值為負,污染較重時,地面風速距平值為正,這說明尚有其他原因導致AOD的異常.

圖5 不同污染等級下中國東部夏季地面10m處地面風速距平的分布

方框表示中國東部地區,黑點表示通過0.10置信水平檢驗

圖6 不同污染等級下中國東部夏季晴空地面向下的短波輻射距平的分布

方框表示中國東部地區,黑點表示通過0.10置信水平檢驗

不考慮云的影響,氣溶膠污染明顯使得到達地面的太陽短波輻射通量減小.由圖6可見,污染較輕時(Level-Ⅰ),到達地面的太陽短波輻射通量距平值為正,正距平為8W/m2以上的區域幾乎覆蓋了整個中國東部地區,與AOD負距平分布區域范圍幾乎一致(圖4,Level-Ⅰ).隨著污染的逐步加劇(Level-Ⅱ~Level-Ⅳ),到達地面的太陽短波輻射通量距平分布發生明顯變化,這種變化特征基本上與AOD距平分布呈一致的反相變化關系,即在AOD負距平區,短波輻射通量為正距平,AOD正距平區,短波輻射通量為負距平區.達到污染最嚴重時(Level-Ⅴ),整個中國東部短波輻射通量為負距平區,污染最重的北京、天津、河北南部及河南北部,短波輻射通量負距平值達最大,為-6W/m2.這種AOD與輻射異常的反相分布的相關關系很好地反映了氣溶膠對到達地面的太陽短波輻射通量的影響.但反過來,因短波輻射的減少而導致大氣層結穩定度的改變進而影響AOD變化的過程仍需深入探討.

不同污染等級下的輻射變化可影響中國東部夏季地面2m氣溫的距平分布.由圖7可見,氣溶膠污染較輕時(Level-Ⅰ),地面氣溫距平值為正.污染逐步加劇時(Level-Ⅱ到Level-Ⅳ),地面氣溫距平分布發生變化,但與AOD距平分布(圖4,Level-Ⅱ到Level-Ⅳ)變化對應關系較差.當氣溶膠污染嚴重時(Level-Ⅴ),中國東部地區除京津冀南邊小范圍為正距平外,其他地區地面氣溫距平均為負值.對比Level-Ⅰ與Level-Ⅴ等級下AOD與地面氣溫的距平分布特征發現,AOD異常偏高時,地面氣溫相對下降;AOD異常偏低時,地面氣溫相對增高.這說明因氣溶膠污染,使到達地面的太陽短波輻射減小,造成地面氣溫降低.反過來也說明,當地面氣溫距平值較大,地面氣溫較高時,地面邊界層內對流容易發生,氣溶膠較易向高層擴散,可能使區域氣溶膠濃度降低;當地面氣溫距平值較小,地面氣溫較低時,地面邊界層內對流不易發生,氣溶膠不易向高層擴散,可能使區域氣溶濃度增加.同時從上述分析發現,氣溶膠對地面氣溫的影響,取決于氣溶膠污染的程度.

圖7 不同污染等級下中國東部夏季地面2m處氣溫距平的分布

方框表示中國東部地區,黑點表示通過0.10置信水平檢驗

圖8 不同污染等級下中國東部夏季地面降水距平的分布

方框表示中國東部地區,黑點表示通過0.10置信水平檢驗

不同污染等級與地面降水距平分布亦存在一定聯系.由圖8可見,在污染較輕時(Level-Ⅰ),中國東部江淮流域為降水負距平區,江淮流域以北至京津冀陜一帶為降水正距平區,降水呈現“南少北多”的分布特征.而污染嚴重時(Level-Ⅴ),中國東部長江流域為降水正距平區,淮河流域及以北地區為降水負距平區,降水呈現南多北少的分布特征,這種分布特征與Menon等[25]數值試驗結果一致,說明異常氣溶膠變化與降水異常存在著可能的聯系.但在其他污染等級下(Level-Ⅱ~Level-Ⅳ),AOD距平分布與降水距平分布關系不是很明顯.

綜合以上分析可見,AOD異常偏高時(北高南低),氣溶膠污染使得到達地面的太陽短波輻射減小,地面氣溫下降,大氣冷卻,地面風速減小,地面降水呈現南多北少的變化特征;AOD異常偏低時(北低南高),到達地面的太陽短波輻射增加,地面氣溫相對增高,大氣加熱,地面風速增加,地面降水呈現南少北多的變化特征.這些結論從年際變化和觀測證據角度,進一步說明氣溶膠直接效應造成中國東部氣候變化的事實.

2.3 氣溶膠不同污染等級與季風環流的聯系

2.3.1 夏季風強度與氣溶膠的聯系 為探討東亞夏季風強度與氣溶膠的聯系,計算了2000~2016年夏季反映東西海陸熱力差對照指數(施能等[47];趙平等[48]),緯向風距平差指數(張慶云等[49];Wang等[50]),經向風距平指數(Wu等[51];Wang等[52]),既考慮海陸熱力對照又考慮緯向風切變的指數(祝叢文等[53])以及風速大小指數(Wang等[54]),并求歷年各指數標準化距平與歷年中國東部區域平均[AOD]標準化距平的相關系數(表2).由表2可見,這8種夏季風指數與AOD的相關,有4種為負相關關系,分別為SNZQYWB及WYF指數,有4種為正相關關系,分別為ZPWAMZCW及WHJ指數,且各指數與AOD的相關系性都不是很大,均沒有通過0.10置性水平檢驗.說明各指數在表征東亞夏季風強度方面雖然都有各自的優勢,且能分析判斷東亞夏季風的強弱,但在判斷大氣環流場對AOD的影響方面卻不是最好的表征量.這也從另一方面說明,大氣環流對AOD的影響是多方面綜合作用的結果,影響比較復雜.

表2 各類夏季風指數與AOD的相關系數

2.3.2 季風環流與氣溶膠AOD變化的聯系 不同污染等級下850hPa與200hPa旋轉風與輻散風的距平分布呈現較為復雜的特征.由圖9可見,污染較輕時(Level-Ⅰ),中國東部低層850hPa受異常反氣旋式環流西側的異常東南氣流所控制,高層200hPa上受平直的異常西風氣流控制,這樣低層利于暖濕氣流而高層利于干冷氣流存在,利于造成對流層中上層對流活動;污染嚴重時(Level-Ⅴ),對流層低層受氣旋式異常環流控制,高層受異常西南-南風氣流控制,再加上地面風速減小,氣溫降低,抑制了季風區對流的發生,利于對流層低層污染的積聚.

注意到在Level-Ⅴ等級和Level-Ⅰ等級上環流異常的分布型并未明顯相反,這說明氣溶膠污染與季風環流的關系并不是一種線性的變化關系,這也是為什么表2中各季風指數與AOD相關系數較小的原因.

黑色(細灰)代表U,V風場均沒通過(均通過)0.1置信水平檢驗,粗灰代表U,V其中一個量通過0.1置信水平檢驗

2.4 討論

由于重污染與輕污染發生時季風環流異常型并不完全相反,說明AOD變化與季風環流變化并無顯著的線性關系,這也說明了雖然東亞夏季風指數在表征東亞夏季風強度方面都有各自的優勢,但在判斷環流異常對AOD影響方面卻不是最好的表征量.如何提取AOD年際變化和季風環流變化密切聯系的相關信息仍是一個有待解決的問題.

還需要說明,由于MODIS氣溶膠光學厚度資料時間序列長度不足,且在AOD反演過程中可能存在一定誤差,文中結果尚需用模式或更長的時間序列進一步驗證.

3 結論

3.1 通過對AOD距平年際變化不同等級的劃分,將中國東部污染劃分為5個由輕至重的不同等級,并分析了AOD與環流異常的聯系.當中國東部AOD值較高時,地面風速比周邊地區小,對流層低層流場比周邊地區弱,這種負相關關系的變化特征在AOD與地面風速的相關分布上表現最明顯.

3.2 氣溶膠污染最重與最輕時(Level-Ⅴ與Level-Ⅰ級),氣溶膠與到達地面的太陽短波輻射、地面氣溫、風速及降水存在密切的聯系,其他污染等級下(Level-Ⅱ到Level-Ⅳ級),除了與到達地面的短波輻射有聯系外,與其他變量的關系并不十分密切.

3.3 AOD異常偏高時(北高南低),到達地面的太陽短波輻射相對偏小,地面氣溫相對偏低,地面風速減小,地面降水呈現南多北少的變化特征;相反,AOD異常偏低時(北低南高),到達地面的太陽短波輻射相對偏大,地面氣溫相對偏高,地面風速加大,地面降水呈現“南少北多”的變化特征.

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致謝：所用MODIS氣溶膠光學厚度資料由MODIS大氣資料中心提供(https://modis-atmosphere.gsfc.nasa.gov/);NCEPfnl資料、CMAP降水資料及NCEP/NCAR資料由NOAA的地球系統研究實驗室提供(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/tables/monthly.html);所用輻射資料為云地球輻射能量系統資料(https://ceres.larc.nasa.gov/ products- info.php?product=SYN1deg),利用Grads軟件軟件繪制了本文插圖.

Features of graded AOD in East China in association with East Asian summer monsoon anomalies.

MA Fen-hua, GUAN Zhao-yong*

(Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change, Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)., 2018,38(9)：3201~3210

Using the data of the latest-released aerosol optical thickness (AOD) (Collection 6) as derived from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on the Terra spacecraft, the Final Operational Global Analysis data (NCEP FNL) from National Centers for Environmental Prediction, Climate Prediction Center (CPC) Merged Analysis of Precipitation (CMAP), CERES syn1deg Ed4monthly average data, NCEP/National Center for Atmospheric Research (NCAR) reanalysis data from March 2000 to February 2017, we have investigated the features of variations of graded AOD and their related circulation anomalies. As per the interannual variations of AOD averaged over the eastern part of China, the AOD is divided into 5 different levels, which corresponds to 5pollution grades. The results show that the anomalies of AOD in East China are larger when the surface wind speed is weaker together with the unfavorable aerosol diffusion condition of the anomalous monsoon circulation in the middle and high troposphere. When the aerosol pollution is strongest (weakest), variations of AOD is strongly related to the variations of the solar radiation at the earth surface, surface temperature, wind speed, and precipitation. At other AOD levels, the air pollution is significantly related to the surface solar radiation rather than other variables. When the air pollution is severe, the solar radiation at the earth surface is relatively lower, along with the lower surface temperature. The atmosphere in lower troposphere is cooling, and the wind speed is weakening. Meanwhile, the more precipitation occurs in the southern and less in the northern part of the eastern China. On the other hand, when the air pollution is very light, the solar radiation that reaches the earth surface will increase, and the surface air temperature gets higher. At this time, the surface wind will get stronger, and less precipitation will be received in the southern and more in the northern part of East China.

East China；aerosol optical depth (AOD)；East Asian summer monsoon

X16

A

1000-6923(2018)09-3201-10

馬奮華(1974-),女,山西忻州人,副編審,碩士,研究方向為區域氣候變化.發表論文3篇.

2018-01-14

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2011CB403406);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

* 責任作者, 教授, guanzy@nuist.edu.cn