基于MODIS 的我國大氣氣溶膠統計特征分析

劉向春

（江西信息應用職業技術學院，江西 南昌 330043）

東南地區AOD 值最高，月平均峰值出現在6 月，FAF 值較高，達到0.495，污染程度最為嚴重；四川盆地和西北干旱地區的AOD 次之，峰值分別出現在4 月和5 月，四川盆地FAF 值最高達0.631，這兩個地區的污染程度也相對較高；青海、甘肅及內蒙古中西部地區和東北及內蒙古東部地區的AOD 值最小，峰值出現在春季，后者的FAF 值也最小僅為0.363，該地區的環境狀況較為良好。

氣溶膠能作為水滴和冰晶的凝結核、太陽輻射的吸收體和散射體，直接影響地球大氣的輻射平衡，并通過成云作用及非均相化學反應參與大氣中的各種化學過程[1-2]。它能夠通過散射和吸收太陽輻射來直接影響地球輻射平衡，對太陽短波輻射的散射將提高地表反照率，使得地氣系統獲得的太陽短波輻射減少引起地氣系統降溫；對太陽短波輻射的吸收則會給大氣加熱，成為大氣熱源并導致大氣環流的變化[3]。

此外，氣溶膠還起到云凝結核的作用，大量的氣溶膠粒子使得云滴數量增加，平均半徑減小，云滴濃度增大，從而增大了云對太陽輻射的短波反射率，減少降水概率[4]。

由此可見，氣溶膠對全球能量平衡，大氣環流及氣候變化有深刻的影響，研究氣溶膠特性對我們了解這些問題有重大意義。

雖然氣溶膠的質量僅占整個大氣質量的十億分之一，它所起的重要作用也引起了人們的廣泛關注。作為世界上最大的發展中國家，我國的環境問題也日益嚴峻。

研究我國尤其是沙漠干旱地區的氣溶膠光學特性分布特征，能夠讓我們更深入、更直觀地了解我國的氣溶膠問題，并為解決這些問題提供便利。

本文擬利用2004 年至2008 年的MODIS 二級氣溶膠反演資料（MOD04、MYD04）和三級月平均格點資料（MOD08）監測我國不同地區的氣溶膠光學特征和濃度分布特點，對比不同地區間氣溶膠物理特性的異同，提取區域氣溶膠組成特點及其對環境效應的影響。

1 資料來源及儀器原理

1.1 資料來源

本文使用了Terra 和Aqua 衛星上的MODIS 二級氣溶膠反演資料（MOD04、MYD04）和三級月平均格點資料（MOD08）。

MODIS二級數據是在一級數據的基礎上開發出的、具有相同空間分辨率和覆蓋相同地理區域的數據，二級氣溶膠反演資料的空間分辨率為10km，覆蓋全球海洋和近乎全球陸地，本文分析了該資料內的氣溶膠光學厚度，細粒子比例以及粒子濃度等氣溶膠參數。

MODIS 三級月平均格點資料是由二級資料插值平均到1°分辨率的網格點上生成的，在本文中分析了該資料內的AOD（0.55μm）和FAF 等參數。

1.2 算法基本原理及背景介紹

本文采用MODIS 陸地氣溶膠V5.2 算法。在大氣層頂的表觀反照率是一個地氣耦合系統內輻射相互作用的連續函數，主要包括了來自地表和大氣以及兩者相互作用的貢獻，忽略周圍環境輻射對目標物的影響，可以將大氣層頂接收到的反射率近似為：

其中，等式右邊第一項為大氣路徑反射率，第二項為地表反射輻射貢獻項，Fλ(θ0)是下行透過率，Tλ(θ)是衛星觀測方向上的上行透過率，ρsλ(θ0,θ,φ)是地表反射率，Sλ是大氣后向散射比（半球反照率）。等式（1）右邊各項除了地表反射率，其余各項都是氣溶膠類型和氣溶膠光學厚度的函數。假設一小部分氣溶膠的類型和氣溶膠光學厚度可以描述全球范圍的氣溶膠，那么我們可以推導出一個包含這些氣溶膠條件的預先計算的查找表。該算法的目標是使用查找表來確定最能模仿MODIS 觀測到的光譜反射率ρmλ 的條件，并檢索相關的氣溶膠特性，包括氣溶膠光學厚度AOD 和權重（Fine aerosol Weighting，η，以下簡稱FW）。

2 分析結果

2.1 氣溶膠光學厚度的對比

本文主要利用了MODIS 二級氣溶膠數據對我國五個地區：東北及內蒙古東部地區（40.0°-50.0°N，110.0°-130.0°E），東南地區（22.5°-35.0°N，110.0°-120.0°E），青海、甘肅及內蒙古中西部地區（35.0°-45.0°N，90.0°-110.0°E），四川盆地（20.0°-30.0°N，100.0°-110.0°E）和西北干旱地區（35.0°-45.0°N，75.0°-90.0°E）的AOD、MC、FAF 等參數進行反演對比。

根據五個地區2008 年四季（3、4、5 月為春季，6、7、8 月為夏季，9、10、11 月為秋季，12 月至來年1、2 月為冬季）典型個例的光學厚度圖像，以及五個地區的氣溶膠光學厚度統計特征圖像，可以得出：

在東北及內蒙古東部地區，AOD 值多集中在0-1.0范圍內，比例可達90%。該地區春季AOD 值最大，達到1.0 以上的氣溶膠比例最高，個別地區AOD 值高達3.0；至夏季AOD 值減小，基本低于1.5；而到秋季AOD 值均小于1.0；冬季達到最小。總體呈春夏兩季較高，秋冬兩季稍低的變化特征。

我國東南地區AOD 值普遍較高，AOD 值在0.5 以上的所占比例超過50%，該地區春季AOD 值最大，范圍最廣，最大可達3.5；到夏季，AOD 在0.5 以下所占比例減小，不足20%，出現最大值可達0.45；秋冬兩季，0.5 以下的比例又有增加，AOD 最大值不超過2.0。總體呈現春夏兩季最大，秋冬次之的變化特征。

青海、甘肅及內蒙古中西部地區的AOD 值基本集中在0-1.0 范圍內。AOD 值在0.5-1.0 范圍內為春季最高，約占10%；夏季稍減小，略低于10%，而到秋季，AOD 值基本在0-0.5 范圍內，直至冬季才又略有升高，總體變化趨勢不太明顯。

四川盆地地區的AOD值同樣集中在0-1.0范圍內，同樣在春季較高，夏秋次之，到冬季達到最小。

在西北干旱地區，AOD 值也普遍較高。在春季，AOD 值在0.5 以上所占比例約有50%，最大值可達到3.5；到夏季，AOD 值在0.5 以上的比例急劇減小，小于20%，AOD 最大值也小于2.5；秋季，這個比例進一步減小，AOD 最大值小于1.5；直至冬季，AOD 值又有增大，在0.5 以上的比例又增加，可達到40%。總體呈現春季最大，冬季次之，夏秋最低的變化特征。

綜上所述，這五個地區的AOD 值一般都在春季達到最大，東南地區和西北干旱地區的AOD 值明顯高于其他地區，其中，又以東南地區的AOD 值最大。

2.2 細粒子比例的對比

細粒子一般指半徑小于1μm 的氣溶膠粒子，它主要是由人類活動造成的，如工業污染、生物燃燒等。因此，細粒子所占比重的大小，可以從側面反映環境污染的程度。由于青海、甘肅及內蒙古中西部地區和西北干旱地區靠近沙漠，細粒子比例較低，我們主要研究另外三個區域的細粒子比例變化。結合這三個地區的細粒子比例分布圖像（圖略）和五個地區細粒子比例統計特征圖像，可以得出：

春季，東北及內蒙古東部地區各范圍的FAF 所占比例相差不大，多集中在5%-15%范圍內；到夏季，0.5以上的FAF 所占比例增加，0.5 以下的FAF 只占20%左右；至秋冬兩季，0.5 以上FAF 所占比例有所減小，到冬季達到最低。整體呈現夏季最高，春秋次之，冬季最低的變化趨勢。

東南地區，春季的FAF 在各范圍所占比例較平均，在10%左右，只0.7-0.8 范圍內較高，達到20%；到夏季，該范圍內的FAF 減少，0.5 以上的FAF 所占比例增加，達到60%；秋季，0.5 以下的FAF 又有增加，約占30%；冬季開始減小，有最低值。整體呈夏秋最高，冬春次之的變化特征。

四川盆地，春季的FAF 在0.7-0.9 范圍內占的比例最高，可達50%，其他范圍內較均等，都在5%-10%以內；到夏季，0.8-0.9 范圍內占的比例減小，其他范圍都各有增加；秋季，0.7 以上的FAF 比例再次增加，可達到80%；到冬天，又稍有減少。總體上，夏秋兩季稍高，冬春次之，變化幅度不大。

2.3 光學厚度及細粒子比例逐月變化

MODIS 三級數據是以統一的時間-空間柵格表達的變量，通常具有一定的完整性和一致性。在統計分析中，本文運用2008 年的L3 月平均資料（MOD08_M3）對我國五個地區：東北及內蒙古東部地區（40.0°-50.0°N，110.0°-130.0°E），東南地區（22.5°-35.0°N，110.0°-120.0°E），青海、甘肅及內蒙古中西部地區（35.0°-45.0°N，90.0°-110.0°E），四 川 盆 地（20.0°-30.0°N，100.0°-110.0°E）和西北干旱地區（35.0°-45.0°N，75.0°-90.0°E）各自區域內的氣溶膠光學厚度和細粒子比例求平均值，作出各區域的平均氣溶膠光學厚度和平均細粒子比例的逐月變化圖，可以看出，這五個地區的氣溶膠光學厚度存在明顯的季節變化。

其中，東北及內蒙古東部地區的月平均氣溶膠光學厚度值在春季達到最大，從夏季開始減小，冬季最小。計算該地區2008 年全年平均氣溶膠光學厚度值為0.221。

東南地區的氣溶膠光學厚度在春季最高，夏秋次之，冬季最低，計算該地區2008 年全年平均氣溶膠光學厚度值為0.552。

青海、甘肅及內蒙古中西部地區氣溶膠光學厚度最高值也在春季，最低值在冬季，但該地區的氣溶膠光學厚度值變化不大，2008 年全年平均氣溶膠光學厚度值為0.291。

四川盆地的氣溶膠光學厚度最大值出現在春季，在秋季9 月也有一個較大的值，最低值仍在冬季出現，該地區2008 年全年平均氣溶膠光學厚度值為0.395。

西北干旱地區在春季有光學厚度最大值，秋季最低，該地區2008 年全年平均氣溶膠光學厚度值為0.388。

由此可見，東南地區的氣溶膠光學厚度值最大，環境污染程度較為嚴重，其次為四川盆地，西北干旱地區和青海、甘肅及內蒙古中西部地區，東北及內蒙古東部地區的平均氣溶膠光學厚度值最小，大氣清潔程度最高。

由氣溶膠細粒子比例月變化可知，除青海、甘肅及內蒙古中西部地區和西北干旱地區，另三個區域的細粒子比例都在夏季達到最高，到秋季開始下降，在冬季達到最低值，直到來年春季又開始上升。計算三個區域的年平均細粒子比例，得出，東北及內蒙古東部地區為0.363，東南地區為0.495，而四川盆地為0.631，細粒子比例越大，表明人為污染環境越嚴重，大氣環境問題越嚴峻。

3 結語

綜上所述，細粒子產生的消光作用可以超過沙塵粒子，人為氣溶膠的影響值得重視。東南地區的AOD值最高，FAF 值也較高，污染程度最為嚴重；四川盆地和西北干旱地區的AOD 次之，四川盆地的FAF 值最高，這兩個地區的污染程度也相對較高；青海、甘肅及內蒙古中西部地區和東北及內蒙古東部地區的AOD值最小，后者的FAF 值也最小，該地區的環境狀況較為良好。