新疆典型城市氣溶膠光學厚度變化特征

胡 俊,鐘 珂,亢燕銘,陳勇航,2*,楊鳳娟,劉 瓊,張 華

新疆典型城市氣溶膠光學厚度變化特征

胡 俊1,鐘 珂1,亢燕銘1,陳勇航1,2*,楊鳳娟1,劉 瓊1,張 華3

(1.東華大學環境科學與工程學院,上海 201620；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊 830002；3.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京 100081)

利用2006~2017年Aqua-MODIS C006氣溶膠日產品數據,選取新疆地區11個代表性城市進行分類,分析典型城市的AOD近12a變化趨勢及特征.結果表明:2006~2017年間,除烏魯木齊市AOD小幅度上升外,其余10個城市AOD均出現不同程度下降,北疆城市年均降幅較小,吐魯番市12a間AOD下降了0.13,為哈密、焉耆等同緯度城市群中的最大降幅,南疆城市AOD年均降幅最為顯著,阿克蘇、喀什、和田和若羌地區AOD分別下降了0.18、0.16、0.16和0.09;AOD空間分布上,南疆為AOD峰值中心,年均值達0.50以上,北疆和東疆地區AOD年均值維持在0.20~0.22;同時,AOD具有典型的季節變化特征,春季為AOD峰值季節,夏季次之,秋、冬季AOD較低;此外,12a間新疆全區AOD出現不同程度降低,其中南疆沙塵源區為AOD下降的典型區域,減少區域呈現出沿昆侖山脈自南向北的帶狀分布.

MODIS C006；氣溶膠光學厚度；新疆地區；城市分類；年際變化

新疆位于亞歐大陸腹地,是典型的干旱半干旱區域,且為全球沙塵氣溶膠主要排放源區之一[1].春季沙塵天氣爆發時,空氣質量顯著降低,沙塵氣溶膠伴隨著大氣環流輸運可達中國東部沿海地區乃至東亞海平面以上,造成了中國區域大范圍空氣質量下降[2-3].此外,沙塵氣溶膠因其強吸收性,對大氣存在明顯增溫效應,同時影響云的形成、發展和消亡,從而對區域氣候變化以及地氣輻射能量收支平衡產生重要影響[4-6].

氣溶膠光學厚度(AOD)是研究大氣氣溶膠的重要參數,也是評估大氣顆粒物污染程度、研究氣溶膠輻射效應的關鍵因素.目前有關氣溶膠光學厚度研究在中國中東部地區已開展諸多細化研究工作[7-10],而針對于西北干旱半干旱地區AOD研究多囊括在中國區大范圍AOD空間分布等研究中[11-13],此類研究結果從區域尺度上量化表明了中國西部地區AOD空間分布狀況.如He等[11]指出了中國東西部地區AOD分布的顯著差異性,且分布中心從東部逐漸向西北移動.趙仕偉等[12]基于西北地區AERONET地基觀測數據對MODIS AOD融合產品做出驗證,結果表明:MODIS AOD融合產品在西北地區的覆蓋度良好,數據精度高,可作為研究區域性氣溶膠光學特征變化的基礎數據.

此外,西北地區一次典型沙塵過程中氣溶膠時空分布特征、輸運特性和輻射效應是西北地區AOD研究的另一主要來源[14-16],如Wang等[14]基于Fu- Liou輻射傳輸模式在研究西北地區一次強沙塵暴過程中發現,沙塵氣溶膠輻射效應受到氣溶膠光學厚度、單次散射反照率和地表反照率的顯著影響.鄭有飛等[15]利用CALIPSO衛星觀測資料并結合氣溶膠模式模擬,針對西北春季典型沙塵過程,分析給出沙塵氣溶膠遠距離輸送過程中氣溶膠的時空分布特征.

以上研究為我國西北地區氣溶膠研究提供了主要的參考依據,而新疆地區下墊面復雜,兼具多樣的自然背景與人為污染的城市,是多因素共同作用下多種氣溶膠分布研究的代表性地區[17].目前針對于新疆廣大沙塵源區及周邊城市的區域尺度范圍AOD變化研究嚴重缺乏,使得我國新疆地區AOD近10年變化及大氣污染狀況缺乏最新的研究討論.

因此,本文以新疆地區為研究區域,選取分布于全疆的11個代表性城市,分析新疆代表性城市和全疆AOD近12a時空分布特征,從區域尺度范圍監測和分析大氣污染狀況,以期為我國西北大范圍干旱半干旱氣候背景區的大氣環境監測、管理及氣候變化研究提供詳實的科學數據和事實依據.

1 資料與方法

1.1 研究區概況

新疆地區地緣遼闊,地形特征復雜多樣(圖1),主要以溫帶大陸型氣候為主,具有典型的干旱、半干旱氣候背景特征,根據常規的地形特征劃分原則主要可分為3類:以天山山脈為界,天山以北至阿爾泰山為北疆地區,以南至昆侖山脈為南疆地區,而吐魯番和哈密地處東天山,為東疆地區.南疆地區有著我國最大的沙塵源區塔克拉瑪干沙漠,沙塵氣溶膠作為該地區的主導氣溶膠類型,對區域氣候變化和人類生產生活產生重要影響,北疆、東疆地區多山谷、盆地地形,植被覆蓋率較高,城市區相對集中,人為活動密度大,氣溶膠分布復雜,即新疆地區獨特的地形特征使得氣溶膠分布較其它地區更為多樣.

圖1 新疆地區典型城市站點位置

考慮到新疆地區復雜的氣候背景條件和“三山夾兩盆”的獨特地形特征,南疆地區大范圍的沙漠、戈壁灘,北疆、東疆的高山與盆地地形,導致了新疆地區主要人口集中于沙漠邊緣的綠洲城市以及高山山麓、盆地等優質居住環境.因此,研究中選取了11個典型城市站點,以城市氣象站點坐標為中心,1°×1°矩形區域為城市研究區,站點的基本信息如表1所示,城市研究區域包括了主要的城市中心和近郊人口密集區,集中了該地區主要的農業、工業和科技發展的核心所在.因此,針對于新疆地區主要城市站點開展大氣環境研究,對該地區城市氣候變化和經濟發展具有極大地促進作用.

表1 新疆典型城市站點基本信息

1.2 數值及其計算方法

Aqua-MODIS C006氣溶膠日產品數據發布于2014年初,提供了暗像元法(DT)、深藍算法(DB)和融合算法(Combined) 3種AOD產品[18-19].DT AOD數據具有高植被覆蓋率的暗背景反演效果好、而亮背景AOD缺失多的特點;DB AOD數據相對更適用于地表類型為沙漠、戈壁等反演亮背景表面; Combined AOD基于歸一化植被覆蓋指數(NDVI)數據將地表類型分為三類:NDVI<0.2、0.2￡NDVI￡0.3和NDVI>0.3,可最大限度地提高復雜地表類型情況的AOD數據覆蓋率[20-21],具體融合方案如下:當NDVI<0.2時,Combined AOD = DB AOD;當NDVI> 0.3時,Combined AOD = DT AOD;當0.2￡NDVI￡0.3時,參照MODIS C006產品質量控制(QA)等級(詳見表2),若QA_DB32或QA_DT=3,Combined AOD取DB和DT AOD中最優值,若QA_DB=3和QA_DT= 3,取DB和DT AOD平均值,若QA_DB<2且QA_ DT<3, Combined AOD則被定義為無效值.

表2 MODIS C006產品質量控制(QA)標志

研究中選取的MYD04L2C006Combined AOD產品,名稱為:“AOD_550_Dark_Target_Deep_Blue_ Combined”,提取可見光波長為0.55mm處產品質量控制為2和3的優質AOD觀測數據,保證了研究結果的可靠性.時間跨度為2006年01月01~2017年12月31日,衛星在1d內過境新疆全部地區的時間為北京時間13:00~17:00,空間分辨率為10km.

因獲取的全疆12a AOD數據信息超過千萬條,研究中選取0.5°×0.5°經緯度范圍為一個格點,將新疆地區劃分為1632個格點,并對格點內的AOD數據取平均值.在此基礎上,插值獲取全疆AOD空間分布與季節分布特征;并根據每個格點各年份AOD大小的差異性,研究中劃分各時間階段,對不同年份時的同一格點AOD值作差,獲得了新疆地區AOD距平分布與各時間階段的差值分布.本文采取的四季劃分原則是:春季為3~5月,夏季為6~8月,秋季為9~11月,冬季為12月~次年2月.在此基礎上,計算研究新疆地區AOD季節變化及空間分布特征.

2 結果與分析

2.1 AOD空間分布特征

從新疆地區2006~2017年AOD多年平均分布來看(圖2),南疆塔克拉瑪干沙漠及周邊地區為全疆AOD空間分布的主要高值區域,該區域是我國最大的沙塵源區[1,6].自2006年MODIS觀測以來,南疆地區AOD年平均值達0.50以上,其中在沙漠北部的阿克蘇與東南部的若羌及周邊地區存在AOD峰值,年平均值大于0.55,AOD極值形成主要與區域氣候和地形特征密切相關,塔里木盆地南、西、北三面環山,東部狹長地形入口,氣流從東北部天山南麓進入盆地內,在沙漠下墊面熱力作用和開口地形的共同影響下,易形成AOD高值區.此外,AOD分布呈現出以城市為中心向四周輻射逐漸降低的趨勢,可見城市人為活動對南疆地區AOD增長存在一定的促進作用[22].沙漠西南部的喀什地區AOD為南疆的小峰值,而和田地區及盆地腹地AOD較沙漠周邊偏低,在盆地中心區AOD呈現出從沙漠東北到西南的低值帶分布,此研究結果與趙仕偉等[12]研究結論高度一致.

圖2 新疆地區2006 ~ 2017年AOD多年平均空間分布

北疆和東疆地區AOD整體分布較南疆地區大幅度降低,AOD整體年平均值維持在0.20~0.22左右,與全球陸地AOD平均值(0.19)相近[23],但是,AOD空間分布呈現出顯著的城市峰值分布特征,北疆地區以烏魯木齊為中心的天山北區城市經濟帶,主要城市中心及周邊地區AOD年平均值達到0.25以上,其中在烏魯木齊市西部地區尤為明顯,AOD年平均值達0.35以上,形成了北疆地區典型的AOD峰值區[24];東疆地區的吐魯番和哈密地區具有同樣的AOD分布特征,吐魯番和哈密城市中心區存在AOD小峰值,表明了北疆地區城市群為AOD的主要高值中心.

從新疆地區2006~2017年AOD季節空間分布來看(圖3),春季AOD較12a平均值有顯著增長,其中南疆地區增長尤為突出,塔克拉瑪干沙漠腹地AOD低值帶的AOD均值超過0.70,若羌和阿克蘇地區為代表的沙漠東部和西北部地區春季AOD更是達到1.10以上,此外,北疆和東疆地區在春季AOD均出現小幅增長,其中以烏魯木齊市、昌吉地區為代表的天山北區城市經濟帶AOD增幅明顯,這是因為春季是新疆塔克拉瑪干沙漠沙塵天氣高發期,這些地區的空氣質量均受到沙塵氣溶膠傳輸影響.

夏季新疆整體AOD較春季有大幅下降,而北疆地區AOD仍處于全年高值水平,因北疆地區夏季植被覆蓋率高,且降水多于其他季節,雨水清洗、沉降作用有效降低了沙塵氣溶膠含量[25-26],但此時大氣中水汽含量大幅提高,大氣細粒子吸濕增長促進了夏季AOD的增長;南疆地區AOD空間分布較春季全區域峰值分布特征出現顯著變化,南疆西部的阿克蘇與喀什地區AOD顯著下降,AOD在空間上表現為從沙漠西北到東南的梯度增大過程,在沙漠東部和南部的若羌、和田等周邊地區達到AOD峰值.

秋季新疆地區AOD達全年最低水平,全疆空間分布較均勻,南北疆地區AOD整體差異較小,平均差值小于0.15,整層大氣較為潔凈;冬季全疆AOD空間上較秋季呈繼續下降態勢,而阿克蘇、若羌地區出現AOD聚集現象,AOD極大值達0.35以上,而北疆城市地區AOD較秋季出現小幅上漲,因北疆地區近12a處于降雪低溫環境,城市供暖周期長,城市區居民燃煤采暖產生的人為源氣溶膠排放對AOD增長起一定的貢獻作用[16].

2.2 典型城市AOD變化特征

從新疆地區11個典型城市的AOD季節變化特征來看(圖4):11個城市AOD季節變化呈現出高度的規律性,本文結合新疆地區城市地理位置常規劃分原則與研究中獲取的各城市AOD季節變化規律,在研究中定義:北疆地區的阿勒泰、塔城、伊寧和烏魯木齊為城市站點AOD研究的Ⅰ類城市;東疆地區的吐魯番市和哈密市為Ⅱ類城市,而焉耆地處天山山麓以南、盆地中心,常規地理位置上劃分為南疆地區城市,但是研究中表明,焉耆市AOD季節變化特征和東疆的吐魯番和哈密市保持著高度的一致性,且與南疆其他城市有著較大出入,因此,本文將焉耆地區劃分為Ⅱ類城市;而南疆地區的其余4個城市:阿克蘇、喀什、和田和若羌地區AOD四季均處于高值水平,即劃分為Ⅲ類城市區.

研究中發現,春季為三類城市的AOD主要峰值季節,其中在Ⅱ、Ⅲ類城市中表現尤為突出,春季AOD數值上大幅超過其他三季,因春季新疆地區沙塵天氣頻發,沙塵氣溶膠達四季峰值,氣溶膠經輸運至全疆地區,主要城市均受到不同程度的影響,整層大氣污染較為嚴重.對三類城市細分研究可以看出,Ⅰ類城市中阿勒泰市春、夏和秋三季AOD均處于低值水平,而冬季無AOD觀測值,因阿勒泰市地處緯度最高,冬季降雪周期長,下墊面長期由降雪覆蓋,地表反照率大幅提高,增大了MODIS的AOD反演難度,導致該市冬季MODIS遙感觀測數據缺失[27].而烏魯木齊市是全疆中心城市,城市工業化加速發展與居民生產生活等人為活動產生的氣溶膠一定程度上加劇了該市的大氣環境問題,4個季節的AOD均高于北疆其他城市,這與已有研究結論是高度一致的[28].

圖4 新疆典型城市AOD季節變化

研究中以吐魯番、哈密和焉耆代表的Ⅱ類城市AOD季節變化呈現出高度的相似性,春季、夏季是AOD的峰值季節,而秋季最低,冬季較秋季有小幅上升,三地的氣候背景特征相同,同處天山南麓的各自盆地中心,地理緯度十分相近,且地形地貌特征相似,多方面綜合原因造成了同緯度城市區的MODIS觀測AOD空間分布相近.Ⅲ類城市主要為南疆地區塔克拉瑪干沙漠周邊綠洲城市,可以看出,Ⅲ類城市觀測AOD季節變化顯著高于北疆Ⅰ類城市,阿克蘇和若羌地區是全疆AOD的四季高值中心,值得注意的是:喀什地區冬季AOD較其他季節出現大幅度下降過程,而和田地區秋、冬季AOD整體較低,這與全疆AOD的空間分布特征保持一致.

在新疆11個城市站點分類研究的基礎上,進一步給出了3類城市的12a AOD年際變化特征,如圖5所示.3類城市中除烏魯木齊市外,其余10個城市站點從2006~2017年間AOD均出現不同程度的下降,部分城市存在12a間AOD顯著降低過程,且AOD呈現出階段性變化規律.

北疆Ⅰ類城市的阿勒泰、塔城、伊寧地區12a間AOD整體出現小幅降低(圖5(a)),在2006~2014年間下降幅度稍明顯,后3a均出現同等幅度的上升過程,因北疆地區大氣環境狀況較好,三城市的AOD小幅波動對城區生活影響較小.烏魯木齊市是北疆人為源氣溶膠排放的典型城市,AOD年際變化整體處上升趨勢,在2006~2011年上升幅度明顯,而2012年后烏魯木齊市開始實行“煤改氣”工程,AOD也隨之呈現下降趨勢[29].

吐魯番、哈密和焉耆為代表的Ⅱ類城市的AOD年均值下降明顯(圖5(b)),且吐魯番市12a間AOD下降了0.13,為Ⅱ類城市中最大降幅.在2014~2017年間,Ⅱ類城市AOD出現陡坡式下降,并在2017年達到了近10a來的最低值,因吐魯番市、哈密市分別在2015年和2016年獲國務院批復同意撤銷地區,成立地級市,而2013年國務院印發的《大氣污染防治行動計劃》[30]目標規定:“全國地級及以上城市吸入顆粒物濃度比2012年下降10%以上,優良天數逐年提高”,由此可見,吐魯番與哈密市在設立地級市工作中,大氣污染防治工作效果顯著[31].

圖5(c)中發現,南疆Ⅲ類城市的AOD年均降幅最為顯著,2006~2017年間,阿克蘇、喀什、和田和若羌地區AOD分別下降了0.18、0.16、0.16和0.09,其中在研究的后6a中,喀什與和田地區AOD年際變化趨勢高度相近,阿克蘇和若羌地區AOD年均值均維持高值水平,Ⅲ 類城市均在2017年出現AOD較大幅度下降過程,研究表明了10多年來塔克拉瑪干沙漠周邊主要城市AOD逐年下降.

2.3 AOD空間變化分析

新疆3類城市在2006~2017年出現AOD逐年下降現象,且主要城市站點降幅差異性較大,其中南疆Ⅲ類城市AOD減少現象較為顯著,同時發現AOD具有3a內相近、每3a為一個階段的變化規律.因此,本文針對全疆區域,以3a為一個階段,共分4個時間階段,分析研究全疆的AOD年變化規律,并給出2006~2017年4個階段的AOD距平值分布.

如圖6所示,2006~2008年全疆AOD距平值大于0,超出12a間的年平均分布,其中南疆沙漠西部和南部地區為全疆AOD峰值區,喀什、和田地區AOD最大距平值為0.16;2009~2011年中,南疆大部地區距平值跌破0,對比2006~2008年可以發現,在這一階段南疆地區AOD存在逐漸減少現象. 2012~2014年AOD距平分布變化平穩,全疆AOD分布無明顯增減;而2015~2017年新疆全區的AOD距平值分布均小于0,表明這一時間段內新疆地區AOD全區域明顯減小,最大距平值同樣出現在喀什地區,達-0.11.

12a MODIS觀測發現新疆地區AOD逐漸降低,表明全疆氣溶膠總量逐漸減少,其中以南疆沙塵源區尤為明顯,這將對我國西北區域天氣、氣候、太陽輻射以及氣溶膠輸運產生重要影響[32].為進一步研究2006~2017年間新疆地區AOD空間分布整體減少現象,圖7給出了新疆地區4個時間段的AOD年平均差值分布.圖7(a)可以看出,2009~2011年較2006~2008年新疆全區AOD年平均值出現大范圍減少,主要減少區域為沙漠西部周邊地區,其中以南疆喀什地區AOD減少量最為顯著,達0.25,而圖5(c)中喀什、阿克蘇地區在2009年AOD大幅降低證實了這一結果.

2012~2014年全疆大部區域AOD平均值與2009~2011年無明顯增減(圖7(b)),而若羌地區以東小范圍區域內AOD年均值出現集中上升現象.而圖7(c)所示在2015~2017年間,南疆地區大部區域AOD年均值下降明顯,AOD減少區域呈現出沿昆侖山脈自南向北逐漸減少的帶狀分布,AOD最大減少區域同樣為喀什地區,為0.12.有研究表明[33],2000~2017年間我國地表綠地覆蓋率持續增加,植樹造林等人為活動對西北土地沙漠化治理效果明顯,印證了本文研究中2006~2017年間新疆地區AOD空間變化逐漸減少的原因,由土地沙漠化導致的進入大氣中的氣溶膠總量減少,大氣污染狀況逐漸改善,為我國繼續加強大氣污染治理與控制增加信心.

3 結論

3.1 南疆地區AOD年平均值達0.50以上,阿克蘇和若羌地區為南疆AOD高值中心,年平均值大于0.55;北疆和東疆地區AOD整體年平均值維持在0.20~0.22左右,天山北區主要城市中心AOD年平均值達到0.25以上;新疆AOD空間分布具有顯著的季節變化特征,春季南疆沙漠腹地AOD均值超過0.70,夏季全疆AOD在空間上表現為從沙漠西北到東南的梯度增大過程,秋冬季全疆AOD整體分布低值、均勻.

3.2 全疆11個城市AOD季節變化呈現出高度規律性,北疆地區城市4季AOD均處于低值水平;吐魯番、哈密和焉耆地區春夏季為AOD峰值季節,秋冬季AOD較低;南疆地區城市AOD季節變化顯著高于北疆城市,阿克蘇和若羌地區是全疆AOD的4季高值中心.2006~2017年間,除烏魯木齊市AOD小幅度上升外,其余10個城市AOD均出現不同程度的下降,以南疆城市的AOD年均降幅最為顯著.

3.3 2006~2017年間,全疆AOD逐漸下降,南疆喀什地區AOD下降最為顯著.2006~2008年南疆沙漠西部和南部地區為全疆AOD峰值區;2009~2011年間,南疆大部地區距平值跌破0,區域AOD逐漸下降,喀什地區較前3a AOD最大減少量達0.25.2012~2014年全疆AOD分布無明顯增減;而2015~2017年新疆全區的AOD持續下降,AOD減少區域呈現出沿昆侖山脈自南向北逐漸減少的帶狀分布.

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Variation in aerosol optical depth over the typical cities in the Xinjiang region.

HU Jun1, ZHONG Ke1, KANG Yan-ming1, CHEN Yong-hang1,2*, YANG Feng-juan1, LIU Qiong1, ZHANG Hua3

(1.College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China；2.Institute of Desert Meteorology, China Meteorological Administration, Xinjiang Urumqi 830002, China；3.State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological, Beijing 100081, China)., 2019,39(10)：4074~4081

Eleven representative urban areas in the Xinjiang region were selected for classification based on Aqua-MODIS C006 aerosol daily product data from 2006 to 2017, and the variations in AOD were studied for the 11cities in Xinjiang. The results showed that the AOD decreased in different degrees except in Urumqi during 2006 to 2017. On the contrary, AOD for the Urumqi area varied in a small increase during the same period. The average annual decline of AOD in the northern Xinjiang cities was relatively small, the AOD for Turpan decreased by 0.13 during the 12 years, which was the largest decline in the Hami and Yanqi urban agglomerations at the same latitude. The average annual decline of AOD in the southern Xinjiang cities was the most significant, the AODs decreased by 0.18, 0.16, 0.16 and 0.09 in Aksu, Kashgar, Hotan and Ruoqiang, respectively. The peak of the spatial distribution of AOD was in the southern Xinjiang, with an annual average higher than 0.50, and the annual average values of AOD in the northern and eastern Xinjiang were maintained at about 0.20 to 0.22. Meanwhile, AOD had seasonal variation characteristics, with a peak in spring, followed by summer, autumn and winter. In addition, the AOD decreased in different degrees in the Xinjiang region in the past 12 years, the source area of dust aerosols in the southern Xinjiang was the main area of AOD decline, and the reduction area showed a belt shape along the Kunlun Mountains from south to north.

MODIS C006；aerosol optical depth；Xinjiang region；city classification；interannual variation

X513

A

1000-6923(2019)10-4074-08

胡 俊(1994-),男,安徽合肥人,東華大學博士研究生,主要從事城市大氣環境與氣溶膠輻射效應研究.發表論文1篇.

2019-04-08

國家自然科學基金資助項目(41675026,91644211,41375021);中國博士后科學基金資助項目(2019M651322)

* 責任作者, 教授, yonghangchen@126.com