中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布特征研究

周俊浩，周永波，劉吉軍，彭 洋（.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，0；.解放軍985部隊(duì)，5000；.解放軍95455部隊(duì)氣象臺(tái)，56000）

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中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布特征研究

周俊浩1，周永波1，劉吉軍2，彭 洋3
（1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，211101；2.解放軍92853部隊(duì)，125000；3.解放軍95455部隊(duì)氣象臺(tái)，563000）

摘要：本文基于星載激光雷達(dá)（CALIPSO）數(shù)據(jù)，反演得到氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）。將中國地區(qū)劃分為東北、華北等7個(gè)區(qū)域，對各區(qū)域不同季節(jié)的氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果顯示，各區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度差異較大，其大小與沙塵氣溶膠和污染氣溶膠的發(fā)生頻率有較大的相關(guān)性；不同季節(jié)的氣溶膠光學(xué)厚度差異較大，其中秋季最大，夏季最小。

關(guān)鍵詞：氣溶膠； AOD；CALIPSO；分布特征

0 引言

氣溶膠是指懸浮在大氣中的固體和液體顆粒，如塵埃、煙粒、花粉等。IPCC報(bào)告指出，氣溶膠和云是影響氣候的兩個(gè)最大不確定因素。氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）是氣溶膠消光系數(shù)在垂直方向上的積分，表示整層大氣中氣溶膠的消光能力，是氣溶膠的一個(gè)重要光學(xué)特性參量，能夠在一定程度上表征大氣污染程度。氣溶膠分為沙塵型、污染型、海洋型等不同類型，各類型氣溶膠的光學(xué)特性相差很大，研究氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空分布，對于天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境治理、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著重要的意義。

中國地區(qū)幅員廣闊，各區(qū)域氣候、地形、人口分布有很大的差異，這些都導(dǎo)致了氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布特征不同。同時(shí)不同季節(jié)的氣溶膠光學(xué)厚度分布也有不同的特征，所以分區(qū)域、分季節(jié)對中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行研究，能更加準(zhǔn)確地了解中國地區(qū)氣溶膠分布情況，為天氣預(yù)報(bào)、污染治理等提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

CALIPSO（The Cloud-Aerosol LIDAR Infrared Pathfinder Satellite Observation）是一顆于2006年4月28日由美國國家航天局（NASA）聯(lián)合Fibertek公司、CNES成功發(fā)射的太陽同步極軌衛(wèi)星。該衛(wèi)星軌道高度為705km，衛(wèi)星傾角98.2度，圖1為該衛(wèi)星在太空中運(yùn)行情況。該衛(wèi)星每繞地球一圈96min，每16天獲取一次全球氣溶膠和云層的三維信息。CALIPSO衛(wèi)星的發(fā)射是建立在1994年美國航天飛機(jī)激光雷達(dá)試驗(yàn)LITE的基礎(chǔ)上的，其搭載的主動(dòng)遙感儀器：雙偏振激光雷達(dá)CALIOP、被動(dòng)遙感儀器WFC以及IIR分別在可見光和紅外區(qū)域增加了目前的測量手段。

圖1 運(yùn)行中的CALIPSO衛(wèi)星

作為第一個(gè)能夠連續(xù)觀測并提供全球觀測數(shù)據(jù)的星載激光雷達(dá)，CALIOP能夠得到氣溶膠和云垂直分布信息、消光系數(shù)的垂直分布信息并能以高分辨率區(qū)分出不同類型的云和氣溶膠。不同于目前其他主要的衛(wèi)星被動(dòng)遙感儀器，CALIOP能夠在亮地表以及有云的情況下獲得良好的觀測結(jié)果；同時(shí)在與CALIPSO搭載的其他的載荷共同工作的條件下，CALIOP得到的云數(shù)據(jù)能夠極大的減小云粒子尺度和反射率反演中的不確定度。本文利用CALIOP反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

為了更好的對不同地區(qū)不同季節(jié)的氣溶膠進(jìn)行分析比較，將中國地區(qū)劃分為7個(gè)區(qū)域。表1為7個(gè)區(qū)域的經(jīng)緯度劃分情況和所包含的主要地形，可以看出東北、華北、華東區(qū)域主要以平原地區(qū)為主，而其他區(qū)域地形則相對復(fù)雜。

表1 中國地區(qū)7個(gè)區(qū)域的經(jīng)緯度劃分和主要地形

2 中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空分布特征

2.1 總體分布特征

圖2為2012年中國地區(qū)1ο×1ο水平分辨率的氣溶膠光學(xué)厚度平均值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在華北-東北地區(qū)（30～50οN，115～125οE）、華南地區(qū)（20～25οN，100～110οE）、西北地區(qū)（36～45οN，76～91οE）、西南地區(qū)（22～28οN，85～95οE）四個(gè)區(qū)域的氣溶膠光學(xué)厚度較大。其中，華北-東北和西南地區(qū)光學(xué)厚度最大，最大可達(dá)到0.7以上，西北地區(qū)次之，在0.4～0.6之間，華南地區(qū)部分區(qū)域達(dá)到0.5。初步分析氣溶膠光學(xué)厚度分布原因：華北-東北地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)，人口密集，人類活動(dòng)頻繁，有時(shí)還受到來自西北的沙塵影響，所以氣溶膠光學(xué)厚度較大；西南地區(qū)人口密集，且多山地、盆地地形，不利于氣溶膠的擴(kuò)散；西北地區(qū)沙漠覆蓋面積廣，同時(shí)屬于典型的大陸性氣候，由自然因素產(chǎn)生的氣溶膠導(dǎo)致光學(xué)厚度較大；華南地區(qū)同華北地區(qū)類似，屬于工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集地區(qū)。

為了揭示造成不同地區(qū)光學(xué)厚度不同的原因，本文對不同類型氣溶膠的發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)生頻率是指一定大小網(wǎng)格中CALIPSO探測到該類型氣溶膠的頻數(shù)與該網(wǎng)格中探測廓線數(shù)的比值。在所有氣溶膠類型中，沙塵型和污染型的氣溶膠對光學(xué)厚度的影響較大，其中污染型氣溶膠是由污染大陸型以及污染沙塵型氣溶膠組成。圖3為2012年中國地區(qū)沙塵型和污染型氣溶膠發(fā)生頻率。

由圖3可知，對于沙塵型氣溶膠，在（35～44οN，75～95οE）的區(qū)域發(fā)生頻率非常大，很多都在0.7以上，我國最大兩個(gè)沙漠——塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠就位于該區(qū)域中，所以沙塵型氣溶膠發(fā)生頻率很大；而在（35～43οN，98～120οE）區(qū)域也存在一個(gè)沙塵氣溶膠發(fā)生頻率較大的區(qū)域，具體涵蓋了黃土高原、華北平原等地，這些地區(qū)一方面由于地面揚(yáng)沙，另一方面由于冬季風(fēng)從西北地區(qū)帶來大量沙塵氣溶膠，所以導(dǎo)致該地區(qū)的沙塵型氣溶膠發(fā)生頻率也較大。對于污染型氣溶膠，在（30～45οN，105～130οE）、（322～28οN，85～95οE）和（20～25οN，107～120οE）的區(qū)域發(fā)生頻率較大，其中華北-東北地區(qū)和西南地區(qū)發(fā)生頻率普遍在0.6以上，華南地區(qū)部分區(qū)域在0.4～0.6。這三個(gè)區(qū)域內(nèi)工業(yè)發(fā)達(dá)，人口密集，導(dǎo)致人為產(chǎn)生的污染型氣溶膠發(fā)生頻率較大。由以上分析可以得出結(jié)論：西北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度較大主要是由于沙漠產(chǎn)生大量的沙塵氣溶膠；華北-東北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度偏大是由于人為的污染型氣溶膠和來自西北方向的沙塵型氣溶膠共同作用的結(jié)果；西南、華南地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度偏大主要是人為的污染型氣溶膠造成的。

圖2 2012年中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度分布（1ο×1ο分辨率）

2.2 時(shí)空分布特征

圖4為各區(qū)域月平均光學(xué)厚度變化情況，圖5為對應(yīng)的區(qū)域平均標(biāo)準(zhǔn)差。從圖4中可知，各地區(qū)的月平均光學(xué)厚度隨月份變化較明顯，光學(xué)厚度最大的9月份達(dá)到0.12，最小的6月份僅為0.07。光學(xué)厚度隨月份的分布總體呈現(xiàn)一個(gè)“V”字形，即1～6月平均光學(xué)厚度逐漸減小，6～9月平均光學(xué)厚度逐漸增大，9～12月平均光學(xué)厚度變化不明顯?？紤]不同地區(qū)間的差別，光學(xué)厚度最大的地區(qū)為東北地區(qū)，全年平均光學(xué)厚度達(dá)到0.11，而最小的西南地區(qū)僅為0.06。光學(xué)厚度由大到小的地區(qū)依次為東北＞華北＞華東＞華中＞西北＞華南＞西南?？梢钥闯?，光學(xué)厚度的排序與圖2中的總體分布特征差別較大，如華南、西南地區(qū)，在總體特征描述中存在光學(xué)厚度較大的區(qū)域。分析其原因，是由于華南、西南地區(qū)雖然有部分區(qū)域光學(xué)厚度較大，但本地區(qū)其他區(qū)域的光學(xué)厚度較小，所以地區(qū)的均值會(huì)偏小。而華東、華中地區(qū)雖然沒有光學(xué)厚度特別大的區(qū)域，但地區(qū)總體光學(xué)厚度較大。結(jié)合分析圖3，東北、華北、華東、華中4個(gè)地區(qū)沙塵型和污染型氣溶膠發(fā)生頻率均較大；西北地區(qū)沙塵型氣溶膠發(fā)生頻率較大，而受污染型氣溶膠影響較小；華南、西南地區(qū)受污染型氣溶膠影響較大，而幾乎不受沙塵型氣溶膠的影響。對各地區(qū)月平均光學(xué)厚度變化的分析可得出結(jié)論：當(dāng)某地區(qū)受到沙塵型氣溶膠和污染型氣溶膠雙重影響時(shí)，總氣溶膠光學(xué)厚度較大。

圖4 2012年各地區(qū)月平均光學(xué)厚度

圖5 2012年各地區(qū)光學(xué)厚度平均標(biāo)準(zhǔn)差

圖5顯示，各區(qū)域光學(xué)厚度平均標(biāo)準(zhǔn)差隨月份的變化沒有圖4中的變化明顯，總體分布呈現(xiàn)“W”形。而地區(qū)間的差異較明顯，標(biāo)準(zhǔn)差最大的地區(qū)為華東地區(qū)，全年平均為0.054，最小的西北地區(qū)為0.035。標(biāo)準(zhǔn)差由大到小依次為華東＞華中＞華北＞東北＞華南＞西南＞西北。這可能是由于華中、華東等地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度受其他影響因素較多，如受到天氣形勢、季風(fēng)氣候的影響，所以光學(xué)厚度變化幅度較大，而西北地區(qū)全年干燥少雨，天氣形勢較穩(wěn)定，所以氣溶膠光學(xué)厚度變化幅度較小。

圖6為各地區(qū)季節(jié)平均光學(xué)厚度變化情況，光學(xué)厚度由大到小的季節(jié)依次為秋季＞冬季＞春季＞夏季。因?yàn)榍?、冬、?個(gè)季節(jié)中國大部分地區(qū)受到冬季風(fēng)帶來的沙塵氣溶膠的影響，所以氣溶膠較大，而夏季受到從海洋來的夏季風(fēng)影響，氣溶膠光學(xué)厚度相對較小，這與李成才等利用MODIS資料研究中國東部地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的季節(jié)變化結(jié)果相一致。此外，中國大部分地區(qū)夏季降水較多，在一定程度上減小了氣溶膠光學(xué)厚度。

3 結(jié)果

通過對中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度分布進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）氣溶膠光學(xué)厚度存在局部較大區(qū)域與沙塵氣溶膠和污染氣溶膠的發(fā)生頻率有關(guān)，兩種類型氣溶膠發(fā)生頻率越大，氣溶膠光學(xué)厚度越大；

（2）各地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度差異較大，光學(xué)厚度由大到小的地區(qū)依次為東北＞華北＞華東＞華中＞西北＞華南＞西南，這與各區(qū)域的氣候、地形等因素有關(guān)；

（3）各季節(jié)氣溶膠光學(xué)厚度差異較大，光學(xué)厚度由大到小的季節(jié)依次為秋季＞冬季＞春季＞夏季，這可能是受季風(fēng)的影響較大。

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圖6 2012年各地區(qū)季節(jié)平均光學(xué)厚度

Study on the Time-space Distribution Characteristics of AOD in China

Zhou Junhao1，Zhou Yongbo1，Liu Jijun2，Peng Yang2
（1.College of Meteorology and Oceangraphy，PLA Univ.of Sci.& Tech.，Nanjing Jiangsu，211101，China 2. PLA unit 92853，Huludao Liaoning 125000，China 3.PLA unit 95455，Meteorological Observatory，Zunyi Guizhou，563000，China）

Abstract：The aerosol optical depth （AOD） was inverted based on the data of space-borne lidar（CALIPSO）in the paper.The China region was divided into seven areas，like Northeast，North China and so on.And the statistical analysis on the AOD of different seasons in these areas showed that the AOD of these areas was quite different which was quite influenced by the frequency of occurrence of dust aerosols and pollution aerosols，and the AOD was quite different in seasons，in which the greatest was in autumn and least was in summer.

Keywords：Aerosol；AOD；CALIPSO；Distribution characteristic