2003—2019 年新疆氣溶膠光學(xué)厚度時(shí)空變化特征

于志翔， 李 霞， 于曉晶， 鄭 宇，

毛列尼·阿依提看1， 李淑婷1， 王 楠1

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊830011；3.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)與地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.中國(guó)氣象科學(xué)院大氣成分和環(huán)境氣象研究所，北京 100081）

氣溶膠是指懸浮在大氣中直徑在0.001～100 μm 之間的液態(tài)或固態(tài)的微小粒子［1］。氣溶膠的直接來(lái)源可分為自然源和人為源，影響氣溶膠變化的因素也可分為自然因素和社會(huì)因素。自然因素主要有自然排放（沙塵、海鹽、礦石灰、火山灰等）和氣象因素（氣溫、降水量、濕度等），社會(huì)因素則包括人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及汽車尾氣排放、化石燃料燃燒、垃圾和秸稈焚燒等人類活動(dòng)［2］。作為大氣的重要組成部分，氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射的多次吸收和散射改變了地面接收的太陽(yáng)輻射能量［3］，同時(shí)氣溶膠作為云的凝結(jié)核，改變了云的輻射特征和變化周期，進(jìn)一步間接地影響區(qū)域氣候［4］。開(kāi)展全球及區(qū)域尺度氣溶膠分布特征研究對(duì)深入理解氣溶膠在生態(tài)環(huán)境［5］、氣候變化［6］、空氣質(zhì)量和人體健康［7］、細(xì)顆粒物與能見(jiàn)度［8］等方面的作用都具有重要意義。氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol optical depth，AOD）是氣溶膠基本光學(xué)特征的基本參數(shù)之一，其為氣溶膠的消光系數(shù)在垂直方向上的積分。AOD可以計(jì)算氣溶膠含量、確定氣溶膠的尺度、評(píng)估氣溶膠氣候效應(yīng)，在一定程度上反映了區(qū)域大氣的污染程度和污染類型［9-11］。

AOD 是氣溶膠數(shù)據(jù)中覆蓋范圍最廣且較為準(zhǔn)確的一種數(shù)據(jù)，目前獲取AOD數(shù)據(jù)資料包括地基觀測(cè)和衛(wèi)星遙感2 種手段。地基觀測(cè)值精度較高，但在時(shí)間和空間上連續(xù)性較差。與地基觀測(cè)相比，衛(wèi)星遙感具有連續(xù)性好、觀測(cè)覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，關(guān)于研究AOD 時(shí)空分布方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量研究。

從全國(guó)范圍來(lái)看，AOD分布具有明顯的地區(qū)差異，總體是東部>西部，北部>南部；全國(guó)絕大部分地區(qū)春季AOD值最大、最小值則各地不同［12］。1979—1990年青藏高原、四川盆地西部、貴州北部、長(zhǎng)江中下游大部分地區(qū)、山東半島和南疆盆地西部等AOD呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。而東北地區(qū)、西北地區(qū)大部、云貴高原和廣西西部以及華東沿海等地AOD呈減小勢(shì)態(tài)［13］。2000—2015年除南疆盆地外，中國(guó)AOD高值中心主要在胡煥庸線的東南一側(cè)，其中高值中心主要位于四川盆地、華中地區(qū)、長(zhǎng)江三角洲、華北平原、關(guān)中平原，珠江三角洲地區(qū)也有小范圍的高值區(qū)；全國(guó)春、夏兩季AOD 的均值明顯高于秋、冬兩季［14］。2007—2017 年全國(guó)氣溶膠空間變化呈現(xiàn)出減少的特征，沒(méi)有AOD顯著增加的區(qū)域，AOD顯著減少的區(qū)域主要分布在長(zhǎng)江以南的地區(qū)。這可能與上述地區(qū)在近10 a內(nèi)節(jié)能減排工作推行較好有關(guān)［15］。

從不同區(qū)域來(lái)看，中國(guó)東部地區(qū)氣溶膠主要來(lái)源與人類活動(dòng)密切相關(guān)，AOD高值分布區(qū)都集中于工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集、經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的地區(qū)［16-17］。京津冀地區(qū)AOD空間分布大體上呈南高北低的格局；AOD月平均值從2月逐漸增長(zhǎng)，到6月達(dá)到最高，然后逐漸降低。春季受北方沙塵天氣外來(lái)輸送的影響最大，夏季則主要受本地人為排放源的制約［18］。2006—2017年四川盆地AOD四季中春季最大，夏季次之，秋季最小的特征；春季主要受北方沙塵天氣外來(lái)輸送的影響，夏季與氣溫有關(guān)，秋、冬季主要受人為排放源的影響，還與降水因素有關(guān)。同時(shí)盆地靜風(fēng)率高，氣溶膠水平擴(kuò)散條件差；空間上表現(xiàn)為中部低海拔城市AOD值較高，盆地中部向四周高山區(qū)域遞減。多年來(lái)盆地中部AOD 呈“倒N 型”曲線下降，盆地四周無(wú)明顯時(shí)序變化［15,19］。廣東地區(qū)春季AOD值最高，夏季、秋季次之，冬季最低。冬季是生產(chǎn)淡季，人類活動(dòng)排放減少，且冷空氣南下利于污染物擴(kuò)散；2003—2016年廣東省年均AOD呈現(xiàn)波動(dòng)式下降趨勢(shì)［20］。由此可見(jiàn)，中國(guó)幅員遼闊，各地自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異很大，不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同階段AOD 的時(shí)空分布特征會(huì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣象要素、地形因素、污染治理等而發(fā)生變化。

新疆地處干旱半干旱地區(qū)，地形和下墊面復(fù)雜，降水稀少，天山南北分別分布著塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠，廣袤的沙漠、戈壁是天然的沙塵排放源區(qū)，因此顆粒物污染嚴(yán)重［21-22］。同時(shí)，“三山夾兩盆”地形導(dǎo)致冬季容易形成逆溫，阻礙了中高層大氣與盆地邊低層氣流的交換，嚴(yán)重阻礙了污染物的擴(kuò)散［23-25］，致使冬季人為活動(dòng)排放的顆粒物濃度嚴(yán)重超標(biāo)，北疆城市尤為突出［21-22］。2018 年環(huán)境狀況公報(bào)［26］顯示，若不扣除沙塵影響，全國(guó)338個(gè)城市中，環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)城市比例為33.7%，超標(biāo)城市比例為66.3%；PM2.5和PM10平均濃度分別為41 μg·m-3和78 μg·m-3；新疆有9座城市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)排名在301～338之間。2018年新疆環(huán)境狀況公報(bào)［27］則顯示：全疆19個(gè)城市中只有4座城市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，占比21.1%，超標(biāo)城市比例為78.9%；全疆PM2.5和PM10平均濃度分別為54 μg·m-3和147 μg·m-3，可見(jiàn)無(wú)論是顆粒物濃度還是超標(biāo)率新疆都遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平。

目前新疆僅有19個(gè)國(guó)控級(jí)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)站，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法全面揭示新疆大氣污染物分布特征的全貌。針對(duì)新疆區(qū)域尺度范圍AOD 變化研究嚴(yán)重缺乏，在實(shí)施《新疆“三線一單”生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控方案》的過(guò)程中，編制大氣環(huán)境未來(lái)管控方案時(shí)遭遇到了瓶頸問(wèn)題。與此同時(shí)，基于西北地區(qū)的全球自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)（AErosol RObotic NETwork，AERONET）地基觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)MODIS AOD 融合產(chǎn)品的驗(yàn)證結(jié)果表明：MODIS AOD 融合產(chǎn)品在西北地區(qū)的覆蓋度良好，數(shù)據(jù)精度高，可作為研究區(qū)域性氣溶膠光學(xué)特征變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［28-29］；最新一代的MODIS C6.1 AOD 在全球范圍內(nèi)都優(yōu)于C6 AOD 數(shù)據(jù)［30-31］。此外，研究揭示在干旱、半干旱區(qū)AOD 與地面監(jiān)測(cè)站PM2.5濃度、PM10濃度或空氣質(zhì)量指數(shù)的相關(guān)性良好［32-34］。因此，本文將采用2003—2019 年MODIS C6.1 AOD 融合數(shù)據(jù)開(kāi)展新疆氣溶膠長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)空分布特征研究。這不僅有助于提高對(duì)新疆大氣環(huán)境的全面了解，且對(duì)于大氣環(huán)境的變遷和未來(lái)污染防治對(duì)策都可以提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆位于亞歐大陸中部，地處我國(guó)西北邊陲，是中國(guó)陸地面積最大的省級(jí)行政區(qū)，面積166×104km2，占中國(guó)陸地國(guó)土總面積的1/6。新疆的地形地貌可簡(jiǎn)單概括為“三山夾兩盆”的地理特征（圖1）：最北端是阿爾泰山，南端昆侖山，中部天山山脈橫貫新疆，將新疆分為南疆、北疆兩大區(qū)域。位于北疆的準(zhǔn)噶爾盆地面積約為38×104km2，是中國(guó)第二大盆地，盆地中部是古爾班通古特沙漠；位于南疆的塔里木盆地面積約52.34×104km2，是中國(guó)最大的內(nèi)陸盆地，盆地中部是中國(guó)最大、世界第二大流動(dòng)沙漠——塔克拉瑪干沙漠。沙塵就成為南疆的主導(dǎo)氣溶膠類型，對(duì)區(qū)域氣候變化和人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生重要影響［35］。新疆綠洲主要分布于盆地邊緣和干旱河谷平原區(qū)，綠洲總面積為14.3×104km2，占新疆國(guó)土總面積的8.7%。全疆降水少且分布不均勻，北疆在150～200 mm以上，南疆不足100 mm，屬典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候。降水北疆多于南疆，西部多于東部，山地多于平原，盆地邊緣多于盆地中心，迎風(fēng)坡多于背風(fēng)坡。

圖1 新疆地形和行政區(qū)劃分布Fig.1 Distributions of topography and administrative regions in Xinjiang

新疆全區(qū)轄有14 個(gè)地級(jí)行政單位，其中包括5個(gè)自治州（伊犁哈薩克自治州、博爾塔拉蒙古自治州、昌吉回族自治州、巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃荩?個(gè)地區(qū)（阿勒泰地區(qū)、塔城地區(qū)、阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)、和田地區(qū)）和4個(gè)地級(jí)市（烏魯木齊市、克拉瑪依市、吐魯番市、哈密市）。國(guó)家在新疆重點(diǎn)打造的區(qū)域性城市群——烏昌石城市群（具體包括烏魯木齊市、昌吉市、石河子市、阜康市、五家渠市及呼圖壁縣、瑪納斯縣和沙灣縣5市3 縣）位于天山北坡、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，是新疆經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)。該區(qū)域面積僅為6.38×104km2，占新疆總面積的3.8%，卻聚集了新疆40%以上的城鎮(zhèn)人口，創(chuàng)造了約占全疆2/5 的生產(chǎn)總值。由于人為活動(dòng)密度大，因此氣溶膠分布較其他地區(qū)更為復(fù)雜多樣［36］。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)布的MODIS Aqua Aerosol 5-Min L2 Swath 產(chǎn)品反演精度較高，被廣泛應(yīng)用于研究中。趙仕偉等［28］利用MODIS AOD 產(chǎn)品與AERONET 太陽(yáng)光度計(jì)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確認(rèn)了MODIS AOD融合產(chǎn)品在西北地區(qū)的實(shí)用性；吳序鵬等［37］基于塔克拉瑪干沙漠地區(qū)地基太陽(yáng)光度計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了MODIS 產(chǎn)品在我國(guó)沙漠地區(qū)的AOD反演精度最高。L2產(chǎn)品為每日氣溶膠數(shù)據(jù)集，該產(chǎn)品提供了深藍(lán)算法（Deep blue，DB）、暗像元算法（Dark target，DT）和融合算法（Combined）3種數(shù)據(jù)。

DT 算法是Kaufman 等［38］在利用大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出的AOD反演算法，該算法是建立在濃密植被像元、暗目標(biāo)紅藍(lán)波段發(fā)射率較低，并與紅外波段反射率之間存在相關(guān)關(guān)系的理論基礎(chǔ)上，將中紅外通道表觀反射率近似看做此通道的地表反射率，進(jìn)而得到紅藍(lán)波段的地表反射率，根據(jù)選擇氣溶膠模型的查找表反演AOD。該算法對(duì)植被覆蓋率高地表反照率較低地區(qū)的AOD數(shù)據(jù)反演效果好，但無(wú)法獲取沙漠、戈壁等地表反照率較高地區(qū)的AOD數(shù)據(jù)。

DB 算法是假設(shè)藍(lán)波段在亮目標(biāo)地區(qū)地表反射率遠(yuǎn)低于其他波段地表反射率，根據(jù)歷史的地表反射率產(chǎn)品建立藍(lán)波段地表反射率庫(kù)，進(jìn)而反演亮目標(biāo)地區(qū)AOD，DB 算法解決了DT 算法的不足，可以很好的反演地表反照率較高地區(qū)的AOD數(shù)據(jù)，且可以反演暗地表的AOD數(shù)據(jù)［39］。

與DB 和DT 相比，融合算法基于歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI）數(shù)據(jù)，結(jié)合DB 與DT 算法的優(yōu)點(diǎn)，將地表類型分為3類，對(duì)于每個(gè)像元，當(dāng)NDVI<0.2 時(shí)，采用DB 算法所得結(jié)果；當(dāng)NDVI>0.3 時(shí)，采用DT 算法所得結(jié)果；當(dāng)0.2≤NDVI≤0.3時(shí)，采用質(zhì)量保證（Quality assurance，QA）值大的反演算法所得結(jié)果，當(dāng)二者的QA值一樣大時(shí)，采用DB、DT算法所得結(jié)果的均值［40］。融合算法可最大限度的提高復(fù)雜地表類型情況的AOD 數(shù)據(jù)覆蓋率和準(zhǔn)確度［41-42］。因此，本文選取MODIS 融合算法的AOD數(shù)據(jù)，版本為C6.1，波段為550 nm，時(shí)間序列為2003年1月—2019年12月，空間分辨率為0.1°×0.1°。對(duì)L2 產(chǎn)品進(jìn)行幾何校正、拼接、裁剪等批量處理，得到AOD 日均格點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算分析。四季劃分如下：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

2.2 研究方法

2.2.1Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法 本文使用Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法進(jìn)行時(shí)間序列變化趨勢(shì)分析及其顯著性檢驗(yàn)，Spearman 秩次相關(guān)檢驗(yàn)法，是將AOD序列x1,x2,...,xn，按由大到小的順序排列，將xi用其秩次Ri表示，則秩次相關(guān)系數(shù)（r）如公式（1）所示：

式中：n為樣本容量，n=17；di為秩次之差，di=Ri-i。根據(jù)Spearman秩次相關(guān)系數(shù)界值表查閱可知，當(dāng)n=17 時(shí)，在顯著性水平α=0.05 情況下，界值rs0.05=0.485，當(dāng)|r|>rs0.05時(shí)，呈顯著性趨勢(shì)變化，反之則為不顯著性趨勢(shì)變化；當(dāng)r>0，呈上升趨勢(shì)，當(dāng)r<0，呈減少趨勢(shì)。

2.2.2AOD 產(chǎn)品精度驗(yàn)證 為了進(jìn)一步確認(rèn)MODIS AOD 融合產(chǎn)品在新疆的實(shí)用性，選取中國(guó)氣象局大氣氣溶膠光學(xué)特性觀測(cè)網(wǎng)（Chinese aerosol optical property network，CAOPNET）烏魯木齊站點(diǎn)CE-318 太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)與MODIS AOD 產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。CE-318 太陽(yáng)光度計(jì)波段包括340 nm、380 nm、440 nm、500 nm、670 nm、870 nm、936 nm 和1020 nm 數(shù)據(jù)，通過(guò)相鄰2 個(gè)波段500 nm 和670 nm 的Angstrom 指數(shù)內(nèi)插獲取550 nm Angstrom指數(shù)，進(jìn)而求得550 nm 的AOD 地面觀測(cè)數(shù)據(jù)［39］，其計(jì)算公式如下：

式中：τ500和τ670分別為波長(zhǎng)500 nm和670 nm的AOD值；α500～670為500～670 nm 的Angstrom 指數(shù)；τ550為內(nèi)插所得550 nm的AOD值。

通過(guò)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)直接匹配，瞬時(shí)窗口選擇±30 min，空間窗口選擇50 km×50 km［39］，篩選出與地面觀測(cè)站點(diǎn)時(shí)間和空間一致的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算共篩選出57 對(duì)有效數(shù)據(jù)用于對(duì)比分析評(píng)估衛(wèi)星數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，結(jié)果如圖2所示。相關(guān)系數(shù)（r）是結(jié)果評(píng)價(jià)的首選統(tǒng)計(jì)量，同時(shí)期望誤差（EE）內(nèi)樣本點(diǎn)的多少也可以反應(yīng)MODIS AOD 數(shù)據(jù)質(zhì)量。當(dāng)MODIS AOD 滿足τ-|EE|≤τMODIS≤τ+|EE|時(shí)，認(rèn)為衛(wèi)星反演效果較好；其中τ為CAOPNET AOD 數(shù)據(jù)，τMODIS為MODIS AOD 數(shù)據(jù)，EE 為期望誤差，即±（0.05+0.15τ）。從圖2 可以看出，MODIS AOD 與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性（r=0.6381），符合EE的數(shù)據(jù)占65%，大于EE 的數(shù)據(jù)占28%，小于EE 的數(shù)據(jù)占7%。由此說(shuō)明MODIS AOD融合數(shù)據(jù)在新疆具有較高的精度和適用性。

圖2 2013—2017年MODIS AOD與CAOPNET AOD對(duì)比Fig.2 Comparison between MODIS AOD and CAOPNET AOD from 2013 to 2017

3 結(jié)果與分析

3.1 新疆AOD年均值空間分布特征

2003—2019 年新疆AOD 年均值空間分布特征地域差異明顯（圖3），受下墊面狀況影響顯著。北疆AOD年均值為0.15，從西到東高值區(qū)依次為伊寧市（AOD 年均值0.25）、博樂(lè)市（AOD 年均值0.27）、獨(dú)奎烏地區(qū)（AOD 年均值0.31）、石河子市（AOD 年均值0.35）、烏昌地區(qū)（AOD年均值0.29）以及吐魯番盆地（AOD年均值0.29）?？梢?jiàn)，北疆AOD高值區(qū)集中在經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，人口密集度高，特別是天山北坡經(jīng)濟(jì)帶集中了新疆83%的重工業(yè)和62%的輕工業(yè)［34］，城市化發(fā)展水平和人類活動(dòng)對(duì)氣溶膠的分布有著明顯的影響［14,18］。已有研究表明PM2.5和PM10濃度與AOD具有較高的正相關(guān)［32-34,43］。吐魯番盆地受地形影響，空氣污染物不易擴(kuò)散，導(dǎo)致AOD 常年居高。南疆AOD 年均值為0.33，明顯高于北疆地區(qū)。從空間分布上看，南疆環(huán)塔里木盆地邊緣地帶出現(xiàn)了均值大于0.6 的弧形高值區(qū)，與近年來(lái)國(guó)內(nèi)的一些研究學(xué)者對(duì)該區(qū)域AOD 的時(shí)空分布研究結(jié)論相同［14-15,28,44］。從盆地東部順時(shí)針來(lái)看，分別為若羌地區(qū)（AOD 年均值0.52）、民豐地區(qū)（AOD 年均值0.50）、和田市（AOD 年均值0.47）、葉爾羌河流域（AOD 年均值0.46）、喀什市（AOD 年均值0.48）、阿克蘇市（AOD 年均值0.53）、庫(kù)沙新地區(qū)（AOD 年均值0.48）、焉耆盆地（AOD 年均值0.36），AOD 年均值高的地區(qū)發(fā)生沙塵天氣的日數(shù)較多［45］。塔里木盆地南、北分別受昆侖山和天山阻擋，西接帕米爾高原，北方和西北方南下的氣流，經(jīng)東天山山口進(jìn)入塔里木盆地，在沙漠下墊面熱力作用和沙漠東側(cè)狹窄地形的共同作用下，形成沙塵天氣，加之該區(qū)域植被覆蓋率低、降水稀少，降水對(duì)氣溶膠的清除和植被對(duì)沙塵的阻礙作用非常微弱，進(jìn)而形成高值區(qū)。

圖3 2003—2019年新疆AOD年均值空間分布Fig.3 Spatial distribution of the annual mean AOD in Xinjiang from 2003 to 2019

3.2 新疆AOD四季分布特征

2003—2019 年新疆AOD 四季均值分布差異非常顯著（圖4），總體表現(xiàn)為春季（0.45）>夏季（0.25）>冬季（0.18）>秋季（0.15）。南疆地區(qū)由于受沙塵天氣發(fā)生頻率的影響，AOD四季均值波動(dòng)較大［15,42］；北疆大部分地區(qū)AOD四季均值變化不明顯。

春季是新疆沙塵天氣頻發(fā)的季節(jié)，受沙塵源區(qū)的影響，塔克拉瑪干沙漠和庫(kù)姆塔格沙漠地區(qū)，AOD 均值普遍偏高，南疆大部分地區(qū)AOD 均值在0.6 以上（圖4a）。北疆地區(qū)沿天山北坡一帶大風(fēng)天氣居多，降水偏少，氣候干燥，易引發(fā)沙塵天氣，且由于供暖期還未結(jié)束，大氣擴(kuò)散條件差［9］，AOD均值也較高，其中伊寧市、獨(dú)奎烏地區(qū)、石河子市還出現(xiàn)了大于0.4的高值區(qū)；準(zhǔn)噶爾盆地、吐魯番盆地中央地勢(shì)較低，氣溶膠粒子不易向盆地外輸送，堆積形成高值區(qū)。

圖4 2003—2019年新疆AOD四季均值空間分布Fig.4 Spatial distributions of the average AOD in four seasons in Xinjiang from 2003 to 2019

夏季新疆整體AOD均值較春季有大幅下降，南疆環(huán)塔里木盆地中部地區(qū)大面積的高值區(qū)基本消失，在盆地東部—東南邊緣地帶出現(xiàn)弧形高值區(qū)（圖4b）。北疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)AOD 均值仍處于較高值，雖然北疆夏季降水增多，植被覆蓋率較好，大氣擴(kuò)散條件好，但是干旱、半干旱地表仍然是天然的顆粒物排放源［42］。

秋季新疆大部分地區(qū)AOD 均值保持在全年最低水平，空間分布較均勻（圖4c）。塔里木盆地邊緣的弧形高值區(qū)基本消失，南北疆地區(qū)AOD均值整體差異較小，這與秋季沙塵天氣發(fā)生頻率的減少有很大關(guān)系［28］。

冬季新疆大部分地區(qū)AOD 均值較秋季無(wú)明顯變化，南疆若羌地區(qū)出現(xiàn)AOD 聚集現(xiàn)象，AOD 均值較秋季顯著上升，AOD 極大值達(dá)0.7 以上（圖4d）。北疆地區(qū)由于冬季被積雪覆蓋，導(dǎo)致地表反照率增加，在一定程度上影響了AOD 的反演，因此大部分區(qū)域無(wú)法獲取AOD 數(shù)據(jù)。個(gè)別有AOD 數(shù)據(jù)的區(qū)域，由于冬季供暖，排放的氣溶膠數(shù)量增多，AOD較秋季增長(zhǎng)［42］。由此可見(jiàn)，冬季北疆的AOD數(shù)據(jù)不能夠真實(shí)地反映大氣實(shí)際的污染狀況，與地面環(huán)境監(jiān)測(cè)比較差別很大［22］。

根據(jù)新疆AOD總體分布特征，參照?qǐng)D3中14個(gè)AOD 年均值較高的重點(diǎn)區(qū)域，計(jì)算了AOD 四季均值/方差以及年均值/方差（表1）。從年均值來(lái)看，阿克蘇市的AOD 年均值最大，為0.53。從季節(jié)均值看，春季受沙塵氣溶膠主導(dǎo)若羌地區(qū)AOD 均值最大，高達(dá)0.93；夏季民豐地區(qū)AOD 均值最大，為0.69；秋季阿克蘇市和喀什市AOD 均值最大，為0.31；冬季受人為氣溶膠影響?yīng)毧鼮醯貐^(qū)AOD 均值最大，為0.28。

表1 新疆重點(diǎn)區(qū)域AOD四季均值統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of the mean AOD in four seasons in typical regions of Xinjiang

3.3 新疆AOD月分布特征

2003—2019 年新疆AOD 隨月份變化顯著（圖5），AOD 月均值介于0.11～0.51，且南北疆AOD 月均值差異顯著。全疆AOD 呈現(xiàn)1—4月逐月增加，5—12月逐月下降的“單峰型”變化特征，4月AOD月均值達(dá)到峰值（0.51），12 月AOD 月均值最小（0.11）。北疆1、2、12月大量地區(qū)缺少AOD反演數(shù)據(jù)，從3—11月，天山北坡從西到東AOD月均值都比其他地區(qū)高，其中5—6 月獨(dú)奎烏、石河子市和烏魯木齊地區(qū)AOD 月均值達(dá)到0.5 左右，這期間沙塵天氣對(duì)大氣柱AOD 的貢獻(xiàn)不可忽視［9］。對(duì)于南疆地區(qū)來(lái)說(shuō)，1—2 月除盆地東南緣若羌地區(qū)一帶個(gè)別地區(qū)AOD月均值大于0.5，南疆AOD月均值在0.25以下；3—5月受沙塵天氣影響，形成以塔克拉瑪干沙漠為中心的AOD高值區(qū)，AOD月均值大于0.4；6—9月隨著塔里木盆地沙塵天氣頻數(shù)的減少而降低［46-47］，AOD 高值區(qū)面積逐漸減小，形成以環(huán)塔里木盆地邊緣為主的弧形高值區(qū)，AOD月均值在0.18～0.29之間。10—12 月，南疆AOD 分布均勻，高值區(qū)消失，AOD 月均值在0.13以下。

圖5 2003—2019年新疆AOD逐月空間分布Fig.5 Spatial distributions of the monthly mean AOD in Xinjiang from 2003 to 2019

3.4 新疆氣溶膠變化情況監(jiān)測(cè)

3.4.1新疆AOD 年均值變化監(jiān)測(cè) 從2003—2019年新疆AOD 逐年年均值分布圖（圖6）可見(jiàn)，近17 a新疆AOD 年均值范圍為0.19～0.31，最大值出現(xiàn)在2006年（0.31），最小值出現(xiàn)在2017年（0.19），整體呈曲線下降。2003—2005 年AOD 值逐年減小，AOD年均值范圍為0.21～0.24，AOD高值中心分布于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶和南疆塔克拉瑪干沙漠東南地帶。2006 年南疆AOD 高值區(qū)明顯增大，新疆AOD 達(dá)到17 a的峰值。2007—2016年AOD年均值呈下降、上升交替變化趨勢(shì)但整體變化不明顯，AOD年均值范圍為0.24～0.28。2017 年南疆AOD 高值區(qū)較之前明顯減小，新疆AOD達(dá)到17 a的最小值。2018—2019年AOD 年均值又上升到0.25。從整個(gè)17 a 的時(shí)間序列看，新疆AOD高值區(qū)除了集中出現(xiàn)在南疆環(huán)塔里木盆地弧形區(qū)域外，北疆經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)的AOD也開(kāi)始增加，尤其是天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的獨(dú)奎烏地區(qū)、石河子市、烏昌地區(qū)等，這些地區(qū)AOD值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，逐漸成為新增的高值中心。

圖6 2003—2019年新疆AOD年均值空間分布Fig.6 Spatial distributions of the annual mean AOD in Xinjiang from 2003 to 2019

3.4.2新疆AOD 年均值變化趨勢(shì)分析 為了定量地評(píng)價(jià)新疆AOD 變化趨勢(shì)及其顯著性，使用Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法進(jìn)行時(shí)間序列變化趨勢(shì)分析及其顯著性檢驗(yàn)，對(duì)時(shí)間序列的17 幅影像，分別計(jì)算每個(gè)像元點(diǎn)的r值，得到整景變化趨勢(shì)圖（圖7a）。為了直觀的觀察AOD 值的變化情況，對(duì)AOD 年均值Spearman 秩次相關(guān)系數(shù)圖進(jìn)行了密度分割（圖7b），-1.000

圖7 2003—2019年新疆氣溶膠光學(xué)厚度年均值變化趨勢(shì)分析Fig.7 Significance of the change trend of the annual average AOD in Xinjiang from 2003 to 2019

針對(duì)14 個(gè)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)一步分析了其時(shí)間序列變化趨勢(shì)及其顯著性。如圖8 所示，可以看出伊寧市、博樂(lè)市、獨(dú)奎烏地區(qū)、石河子市、烏昌地區(qū)、焉耆盆地、民豐地區(qū)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；吐魯番盆地、庫(kù)沙新地區(qū)、阿克蘇市、喀什市、葉爾羌河流域、若羌地區(qū)為下降趨勢(shì)。14 個(gè)重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的r值如表2 所示，上述地區(qū)中只有石河子市、烏昌地區(qū)的秩次相關(guān)系數(shù)分別是0.662、0.503，即|r|>0.485，呈現(xiàn)顯著性上升趨勢(shì)，其他地區(qū)變化不顯著。

圖8 2003—2019年新疆重點(diǎn)區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度年均值線性趨勢(shì)Fig.8 Linear change trends of the annual mean AOD in typical regions of Xinjiang from 2003 to 2019

表2 2003—2019年新疆重點(diǎn)區(qū)域AOD年變化趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Significance test of AOD annual change trend in typical regions of Xinjiang from 2003 to 2019

4 結(jié)論

（1）烏魯木齊地區(qū)MODIS AOD 產(chǎn)品與太陽(yáng)光度計(jì)AOD值的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.6381，符合期望誤差的數(shù)據(jù)占比65%，表明MODIS AOD融合數(shù)據(jù)在新疆達(dá)到了一定精度。

（2）新疆AOD 分布地域差異明顯，南疆地區(qū)均值明顯高于北疆地區(qū)。第一高值區(qū)位于南疆塔里木盆地，其邊緣地帶均值超過(guò)0.6，主要由于該地區(qū)沙塵天氣頻繁；第二高值區(qū)位于北疆沿天山北坡經(jīng)濟(jì)帶，其均值超過(guò)0.3，該地區(qū)主要受人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和自然源的雙重影響。

（3）2003—2019 年新疆四季的AOD 差異非常顯著，總體表現(xiàn)為春季（0.45）>夏季（0.25）>冬季（0.18）>秋季（0.15）。南疆地區(qū)由于受沙塵天氣發(fā)生頻率的影響，AOD四季均值變幅比北疆地區(qū)大。

（4）新疆AOD月均值介于0.11～0.51，整體呈現(xiàn)為1—4 月逐月增加，5—12 月逐月下降的“單峰型”變化特征。4 月AOD 月均值達(dá)到峰值（0.51），12 月AOD月均值最小（0.11）。

（5）2003—2019 年新疆大部分地區(qū)AOD 變化趨勢(shì)不明顯。AOD 高值區(qū)除了傳統(tǒng)的南疆環(huán)塔里木盆地弧形區(qū)域外，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的獨(dú)奎烏地區(qū)、石河子市、烏昌地區(qū)等，逐漸成為新增的AOD高值中心。14 個(gè)重點(diǎn)區(qū)域只有石河子市和烏昌地區(qū)AOD為顯著上升，其他區(qū)域變化趨勢(shì)不顯著。