氣候?qū)Ρ本馊苣z的影響

1氣溶膠監(jiān)測(cè)的應(yīng)用由于氣體擴(kuò)散凝膠的光學(xué)厚度、顆粒大小和分散特性，其光學(xué)和物理特征對(duì)世界氣候和輻射的平衡有重要影響。然而，由于氣體凝膠的影響因素的復(fù)雜性，氣體凝膠的時(shí)空分布及其與環(huán)境的相互作用具有很大的不確定性。傳統(tǒng)地面測(cè)量的點(diǎn)數(shù)據(jù),雖然在某一特定地區(qū)的精度很高,卻無(wú)法反映大區(qū)域內(nèi)氣溶膠的時(shí)空分布,無(wú)法滿(mǎn)足大區(qū)域范圍內(nèi)氣溶膠監(jiān)測(cè)的需求。遙感技術(shù)能夠進(jìn)行大范圍的宏觀(guān)觀(guān)測(cè),獲取大區(qū)域的資料,在監(jiān)測(cè)氣溶膠的時(shí)空分布方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此,在過(guò)去20年中,世界各國(guó)采取了一些措施,建立了TOMS,MODIS,MISR,POLDER,SPOT,SCIMACHY等衛(wèi)星遙感觀(guān)測(cè)平臺(tái)。目前,衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已應(yīng)用于時(shí)空分布和粒子特征等氣溶膠特性監(jiān)測(cè),大氣氣溶膠氣候?qū)W與氣溶膠類(lèi)型區(qū)分等研究。利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)適宜于對(duì)氣溶膠的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),進(jìn)而分析其影響因素。大量研究表明,衛(wèi)星遙感氣溶膠產(chǎn)品如MODIS氣溶膠產(chǎn)品可以滿(mǎn)足氣溶膠監(jiān)測(cè)精度要求。目前,衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于城市可吸入顆粒物(PM)研究、大氣污染的遷移、城市空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)等方面。本文利用北京城區(qū)2001年1月到2007年9月間的MODIS氣溶膠產(chǎn)品(MOD04_L2)的光學(xué)厚度(AOT550)和細(xì)模式(FM)數(shù)據(jù),結(jié)合風(fēng)速、氣溫、降水等氣候資料,研究了北京氣溶膠類(lèi)型特性和變化趨勢(shì),并分析了其影響因素,為北京環(huán)境污染治理提供科學(xué)依據(jù)。2北京天溶膠數(shù)據(jù)的收集和分析2.1氣溶膠的地理環(huán)境影響因素氣溶膠是大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系,是指懸浮在地球大氣中的具有一定穩(wěn)定性的,沉降速度小的,尺度范圍在0.001μm到幾十μm之間的分子團(tuán)、液態(tài)或固態(tài)粒子所組成的混合物。其來(lái)源分為自然源與人為排放兩類(lèi)。自然源主要包括沙漠、干旱半干旱地區(qū)的裸地、海洋洋面、火山噴發(fā)口、植物燃燒和森林火災(zāi)等;人為排放主要來(lái)自石化燃料的燃燒。氣溶膠的地理環(huán)境影響因素主要指下墊面、地理位置以及降水、風(fēng)速條件等。下墊面決定了氣溶膠的自然來(lái)源,是氣溶膠類(lèi)型的主要影響因素,沙漠、干旱半干旱地區(qū)容易產(chǎn)生沙塵型氣溶膠,而近海地區(qū)則以海洋型氣溶膠為主;地理位置一方面決定了下墊面的類(lèi)型,另一方面由于氣溶膠的容易遷移,因而一個(gè)地區(qū)的氣溶膠往往受其周?chē)貐^(qū)環(huán)境的影響,中國(guó)北方地區(qū)的沙塵天氣是氣溶膠遷移的典型例子;降水對(duì)氣溶膠的影響主要是通過(guò)對(duì)下墊面的影響和對(duì)空氣的“清潔”來(lái)實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)有降水時(shí),下墊面不容易發(fā)生起沙行為;風(fēng)速是氣溶膠產(chǎn)生和擴(kuò)散的動(dòng)力之一,在中國(guó)北方地區(qū),風(fēng)速是形成沙塵氣溶膠以及其遷徙的主要原因。北京屬于工業(yè)城市,工業(yè)發(fā)達(dá),一方面工業(yè)生產(chǎn)造成大量的人為排放氣溶膠,另一方面,由于北京處于半濕潤(rùn)地區(qū),且靠近蒙古干旱半干旱地區(qū),容易產(chǎn)生本土沙塵氣溶膠,又容易受中國(guó)北方沙塵天氣的影響。2.2氣溶膠數(shù)據(jù)的收集和分析2.2.1氣溶膠模式面向非沙區(qū)利用衛(wèi)星遙感反演大氣氣溶膠的基本原理是:衛(wèi)星觀(guān)測(cè)到的表觀(guān)反射率R即是氣溶膠光學(xué)厚度和下墊面反射率的函數(shù),又與氣溶膠模式、太陽(yáng)以及衛(wèi)星的天頂距有關(guān)。通過(guò)計(jì)算衛(wèi)星以及太陽(yáng)的天頂距和地表反射率R,并假設(shè)一定的氣溶膠模式,就可以反演到氣溶膠光學(xué)厚度。MODIS氣溶膠產(chǎn)品是選取暗目標(biāo)在藍(lán)光和紅光的地表反射率作為10km×10km范圍內(nèi)的代表值。氣溶膠模式分為沙塵型氣溶膠和非沙塵型氣溶膠。對(duì)于非沙塵型氣溶膠采用按地域和季節(jié)來(lái)確定氣溶膠模式的方法,在中國(guó)大陸東部和南部,在非沙塵情況下,取為工業(yè)城市型氣溶膠,最后按照紅藍(lán)兩個(gè)通道的光學(xué)厚度進(jìn)一步確定550nm通道的光學(xué)厚度。本研究采用的主要數(shù)據(jù)是MODIS氣溶膠產(chǎn)品(MOD04_L2)中的兩個(gè)數(shù)據(jù)集:(1)550nm波段的光學(xué)厚度(AOT:theopticalthicknessat550nm);(2)細(xì)微粒模式對(duì)光學(xué)厚度的貢獻(xiàn)(theFMfraction:theratioofopticaldepthofsmallmodeversuseffectiveopticaldepth)。產(chǎn)品的空間分辨率為10km×10km,只覆蓋無(wú)云區(qū)域,處理級(jí)別為5(C005),已在全球尺度內(nèi)去除了傾斜誤差。氣溶膠光學(xué)厚度AOT是氣溶膠消光系數(shù)在垂直方向的積分,反映了氣溶膠總量,FM反映了細(xì)微粒模式(氣態(tài)核化過(guò)程為主的累積模式和云中凝結(jié)過(guò)程)對(duì)光學(xué)厚度的貢獻(xiàn)。2.2.2氣溶膠光學(xué)厚度的測(cè)定用多波段太陽(yáng)光度計(jì)遙感氣溶膠光學(xué)厚度是目前氣溶膠遙感手段中最準(zhǔn)確的方法,通常被用來(lái)校驗(yàn)衛(wèi)星遙感的結(jié)果,其基本原理是太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)得的電壓V(λ)正比于入射的太陽(yáng)輻射,在用Langley定標(biāo)方法確定儀器常數(shù)V0(λ)后,由朗伯-比爾定律,可求得整層大氣的光學(xué)厚度為τ(λ)=1m(θ)ln(αV0(λ)V(λ))=τaero(λ)+τr(λ)+τab(λ)τ(λ)=1m(θ)ln(αV0(λ)V(λ))=τaero(λ)+τr(λ)+τab(λ),其中m(θ)為大氣質(zhì)量數(shù),α為日地距離校正因子,V(λ)為太陽(yáng)光度計(jì)的實(shí)測(cè)數(shù)值,τaero(λ)為大氣氣溶膠光學(xué)厚度,τr(λ)為大氣分子瑞利散射光學(xué)厚度,τab(λ)為大氣中吸收氣體的光學(xué)厚度。如果已知波長(zhǎng)λ處大氣分子瑞利散射光學(xué)厚度和吸收氣體的光學(xué)厚度,便可求出該波段大氣氣溶膠的光學(xué)厚度。本文采用了2003年的地面實(shí)測(cè)氣溶膠AOT_1020,AOT_870,AOT_675,AOT_440數(shù)據(jù),以分析利用MODIS氣溶膠產(chǎn)品應(yīng)用的可行性。實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)主要采用北京市氣候中心提供的北京月平均風(fēng)速、降水量、溫度等數(shù)據(jù)(表1),旨在分析其對(duì)北京氣溶膠起沙活動(dòng)的重要影響。2.3aol和t400氣溶膠觀(guān)測(cè)圖1是實(shí)測(cè)2003年月平均數(shù)據(jù)與2003年MODIS月平均數(shù)據(jù)變化圖。其中AOT_1020,AOT_870,AOT_675,AOT_440為地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),AOT_550為MODIS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出,除在4月和11月的低谷外,AOT_550與實(shí)測(cè)觀(guān)測(cè)的氣溶膠變化相似。有研究表明,北京地區(qū)的MODIS氣溶膠產(chǎn)品與多波段太陽(yáng)光度計(jì)測(cè)得的氣溶膠光學(xué)厚度的相關(guān)性為0.72,李本綱等分析發(fā)現(xiàn)MODIS氣溶膠產(chǎn)品與AERONET監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.798,MODIS氣溶膠產(chǎn)品可用于氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空分布分析。3根據(jù)美國(guó)數(shù)據(jù)的北京氣溶膠特性與變化分析3.1氣溶膠類(lèi)型分類(lèi)結(jié)果本文采用的氣溶膠分類(lèi)方法,是Barnaba和Gobbi(2004年)提出來(lái)的。該方法主要是通過(guò)AOT與FM間的關(guān)系模型,來(lái)區(qū)分城市/工業(yè)型(UI)。干凈海洋型(CM),沙塵型(DD)和混合型(MT)四種類(lèi)型的氣溶膠。干凈海洋型(CM)表示在完全海洋環(huán)境下,沒(méi)有受到人為污染及陸地等因素影響的氣溶膠,城市/工業(yè)型(UI)表示由城市/工業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的氣溶膠,沙塵型(DD)主要由塵埃組成的大顆粒氣溶膠,混合型(MT)則是各類(lèi)型氣溶膠在大氣混合過(guò)程中,由凝結(jié)和液化等作用產(chǎn)生新的氣溶膠。由于FM值依賴(lài)于氣溶膠粒子的大小,AOT值反映的是氣溶膠垂直分布密度,因此,AOT-FM反映了氣溶膠的總量和粒子大小。該方法通過(guò)大量數(shù)據(jù)檢驗(yàn),Barnaba和Gobbi成功應(yīng)用該方法對(duì)MODIS氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi),Kaskaoutis等也于2007年成功應(yīng)用該方法對(duì)希臘雅典地區(qū)的MODIS氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi)。但大多數(shù)研究都采用一年或者更短時(shí)間段的數(shù)據(jù),本文應(yīng)用該方法對(duì)2001年1月1日到2007年9月13日的MODIS氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi),分類(lèi)原則是(圖2):AOT>0.2且FM<0.8為城市/工業(yè)型(UI),AOT>0.3且FM<0.6為沙塵型(DD),AOT<0.2且FM<0.7為干凈海洋型(CM),其余為混合型(MT)。圖3是AOT(a)和FM(b)的頻率分布圖,從中可以看出AOT和FM都有較寬的取值,說(shuō)明北京氣溶膠中含有各種類(lèi)型的氣溶膠。AOT值成高斯分布,主要取值在0.2~0.4之間,占總數(shù)的46.3%。而FM則在0值和1值都有較高取值,FM值為0像元數(shù)占42.4%,FM值為1像元數(shù)占15%,中間值總數(shù)占41.7%,因此,北京氣溶膠包含了較多的大顆粒和細(xì)顆粒,且以大顆粒氣溶膠為主,分類(lèi)分析(圖2)發(fā)現(xiàn)大顆粒氣溶膠不僅僅包括沙塵型氣溶膠(DD),還有部分混合型氣溶膠(MT)和干凈海洋型氣溶膠(CM),而細(xì)顆粒氣溶膠則主要是城市工業(yè)型氣溶膠(UI)。在其有效數(shù)據(jù)中,UI、DD、CM和MT的數(shù)據(jù)量分別占百分比19.8%,31.1%,15.7%,33.4%。圖4是各類(lèi)氣溶膠月頻率分布圖,結(jié)合各類(lèi)型氣溶膠在總體氣溶膠所占的比重,我們可以發(fā)現(xiàn),DD型氣溶膠和MT型氣溶膠是北京的主要?dú)馊苣z類(lèi)型,分別各自占總體氣溶膠的31.1%和33.4%。各類(lèi)型氣溶膠的月均值曲線(xiàn)變換趨勢(shì)不同,DD型氣溶膠呈凹型,低值在11月取得,在季節(jié)上春季含量最高,夏季含量最低;UI型氣溶膠則正好相反,呈凸型,從3月到8月呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì),季節(jié)上在夏季取得最大,在春季取得最小值;CM型氣溶膠在春節(jié)含量較低,6月以后呈增長(zhǎng)趨勢(shì);MT型氣溶膠在30%附近波動(dòng)。將各類(lèi)型氣溶膠的月均值和其所占百分比相乘,我們可以得到各類(lèi)型氣溶膠在各季節(jié)的對(duì)總體氣溶膠的貢獻(xiàn)值(圖5)。從中我們可以發(fā)現(xiàn),DD型氣溶膠的貢獻(xiàn)值變化曲線(xiàn)在5月取得最高值,除6月、7月外均為北京地區(qū)第一類(lèi)型氣溶膠,因而DD型氣溶膠是北京主要?dú)馊苣z類(lèi)型。UI型氣溶膠的貢獻(xiàn)值曲線(xiàn)在夏季取得最大值,并且其貢獻(xiàn)值超過(guò)MT型氣溶膠接近DD型氣溶膠的貢獻(xiàn)值,成為夏季北京的主要?dú)馊苣z類(lèi)型。除UI型氣溶膠和DD型氣溶膠隨季節(jié)有明顯的變化之外,CM型氣溶膠和MT型氣溶膠各季節(jié)都有穩(wěn)定的貢獻(xiàn)值。且MT型氣溶膠的貢獻(xiàn)值在春季、夏季和冬季都是僅次于DD型氣溶膠,說(shuō)明DD型氣溶膠和MT型氣溶膠是北京的主要?dú)馊苣z類(lèi)型,但由于MT型氣溶膠的貢獻(xiàn)值相對(duì)穩(wěn)定,因此,影響北京氣溶膠光學(xué)厚度AOT的主要?dú)馊苣z類(lèi)型是DD型氣溶膠和UI型氣溶膠。3.2北京氣溶膠光學(xué)厚度與起沙天氣的關(guān)系圖6是AOT/FM的月均值曲線(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)差曲線(xiàn)圖。從圖6a我們可以看出AOT均值曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯的單峰,在5月份取峰值0.49。從1-5月成增加狀態(tài),其中2-5月增加迅速,5月以后AOT值迅速下降,至11月達(dá)到最低值0.12。AOT標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線(xiàn)變化規(guī)律與AOT均值曲線(xiàn)變化規(guī)律類(lèi)似,成單峰分布,并在5月取得最高值0.62,但是AOT標(biāo)準(zhǔn)差曲線(xiàn)在2月份有明顯的下降,取得全年最低值0.1。圖6b是FM的月均值曲線(xiàn)和月標(biāo)準(zhǔn)差曲線(xiàn)。FM的月均值同樣成單峰分布,但其8月取得最大值0.47,均值曲線(xiàn)全年的變化都較為明顯,全年FM均值的標(biāo)準(zhǔn)差均值為0.39,均值曲線(xiàn)較陡。而標(biāo)準(zhǔn)差曲線(xiàn)雖也成單峰分布,但其在7月取得最大值0.44,而且全年的變化較均值曲線(xiàn)為緩和,FM標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)差為0.12。AOT均值曲線(xiàn)的單峰分布說(shuō)明,北京的氣候條件是影響北京總體氣溶膠光學(xué)厚度的主要原因。從2-5月期間,AOT月均值成增加狀態(tài)與北京2-5月常出現(xiàn)的沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵天氣有關(guān)。在2-5月期間,由于受北方冷空氣的影響,北京地區(qū)盛行西北風(fēng),且風(fēng)力較大,根據(jù)北京氣候中心公布的資料(表1),2-5月的月平均風(fēng)速分別為:2.7、3.0、3.3、2.8(m·s-1),是北京風(fēng)速大的幾個(gè)月份。研究表明,大風(fēng)天數(shù)與北京有起沙現(xiàn)象的天數(shù)的相關(guān)性為0.946,2-5月盛行的偏北方是造成北京沙塵暴、浮塵和揚(yáng)沙天氣的主要原因。同時(shí),由于偏北風(fēng)起源于亞洲大陸的干旱半干旱地區(qū),2-5月份的偏北方往往攜帶大量的沙塵,外源沙塵的輸入是引起北京沙塵天氣的主要原因。此外,在11月到次年5月期間,北京及中國(guó)北方地區(qū)降水稀少,氣候干燥,為起沙活動(dòng)提供了基礎(chǔ)。研究表明,起沙活動(dòng)與降水量成明顯的負(fù)相關(guān)。同時(shí),由于11月到次年5月期間北方的天氣氣溫較低,特別是12月、1月與2月,月平均氣溫低于零度,地面處于結(jié)凍狀態(tài),使得起沙活動(dòng)受到抑制,但到4月以后,氣溫開(kāi)始回暖,氣溫超過(guò)零度,地面解凍,使得起沙活動(dòng)更為容易,起沙活動(dòng)與月平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.628,與月最低氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.715。但由于在冬季氣溫較低地面結(jié)凍的影響使得冬季不容易出現(xiàn)沙塵天氣。而在春季,則由于氣溫回暖,風(fēng)速較大,降水較少等原因,使得北京春季常出現(xiàn)起沙活動(dòng),從而3-5月期間,北京AOT月均值迅速增加。5月以后,由于北京受北太平洋副熱帶高壓影響,盛行東南風(fēng),降水充沛,使得5月之后北京發(fā)生起沙天氣的情況迅速減少,同時(shí)由于降水的沖刷作用,使得AOT均值迅速降低。FM的月均值變化曲線(xiàn)同樣表明氣候是北京氣溶膠的光學(xué)厚度的主要影響因素。FM在冬季的較低取值與該季節(jié)的起沙天氣有關(guān)。而在6-8月的高值則與在這些月份幾乎無(wú)起沙天氣的情況相符。從圖6a圖我們可以看到AOT月均值標(biāo)準(zhǔn)差呈AOT均值類(lèi)似的分布,同時(shí),從圖3b圖FM的頻率分析看出,北京氣溶膠主要為大顆粒與細(xì)顆粒兩種類(lèi)型。從4-5月取得較高的AOT均值的同時(shí),也取得較高的AOT標(biāo)準(zhǔn)差,說(shuō)明4-5月北京氣溶膠光學(xué)厚度變化較明顯,這與北京4-5月間的沙塵天氣相符,起沙天氣的高AOT值與無(wú)起沙天氣的低AOT值必然導(dǎo)致較高的AOT月均值標(biāo)準(zhǔn)差,這與車(chē)慧正等分析的春季北京氣溶膠結(jié)果相符合。而5月后較高的AOT月均值標(biāo)準(zhǔn)差,則反映了降水對(duì)AOT的影響。由于降雨(雪)過(guò)程對(duì)氣溶膠有明顯的滯后清除作用,而北京6-8月集中了全年75%的降水量,且降水常以暴雨形式出現(xiàn),其對(duì)AOT的沖洗作用必然十分明顯,從而導(dǎo)致AOT值在降水后的明顯降低。圖7是UI型氣溶膠AOT/FM季均值曲線(xiàn)。從圖7a可以發(fā)現(xiàn),UI型氣溶膠AOT值隨季節(jié)成明顯的下降趨勢(shì),但從UI型氣溶膠的月均值圖來(lái)看,春季的高值是由于UI氣溶膠在1月、2月的缺值造成的,而UI氣溶膠在1月、2月和12月缺值,這與采用的有效數(shù)據(jù)量較少有關(guān),但從FM的季節(jié)頻率分析我們可以發(fā)現(xiàn),FM大于0.8的出現(xiàn)概率較小是最主要的原因,在冬季和春季FM大于0.8的概率分別為20.8%和3.4%,說(shuō)明這些季節(jié)本身的UI水平較低,因此UI氣溶膠的季節(jié)均值實(shí)際分布曲線(xiàn)應(yīng)該是夏季與秋季取值較高,而春季與冬季取值較小。DD型氣溶膠呈與總體氣溶膠類(lèi)似的變化規(guī)律,在春季取得最高值,在冬季取得最低值,并從夏季到冬季呈下降趨勢(shì)。DD型氣溶膠的這一變化規(guī)律與氣候有明顯的關(guān)系,在春季的4-5月份,是北京沙塵暴的集中發(fā)生期,特別是4月份,發(fā)生次數(shù)占全年的50%,而其他季節(jié)則基本上無(wú)沙塵暴天氣,但是,從圖中我們可以發(fā)現(xiàn),DD型氣溶膠在全年都有較高的取值,說(shuō)明DD型氣溶膠不僅僅受外地輸入影響,北京本地的揚(yáng)塵的影響也較明顯。而CM型氣溶膠和MT型氣溶膠各季節(jié)變化不明顯,各季節(jié)基本處于同一水平,CM型氣溶膠則在夏季有一個(gè)較高的值,這與夏季盛行的偏南風(fēng)有關(guān),偏南風(fēng)的盛行從海洋輸入CM型氣溶膠。圖7b是FM的季均值曲線(xiàn)。我們可以發(fā)現(xiàn)UI型氣溶膠的FM值基本處于大于0.9的水平,說(shuō)明UI氣溶膠主要來(lái)自同種類(lèi)型。而DD型氣溶膠則在夏季取得FM最高值,夏季與秋季的值高于春季和冬季的值,FM值越高反映氣溶膠顆粒越小,DD型氣溶膠在夏季與秋季的高值與實(shí)際中這些季節(jié)北京沙塵天氣少的情況相符。CM型氣溶膠的FM值變化比較明顯,在春季有明顯的低值,幾乎全部為大顆粒物,夏季則達(dá)到最高值,秋季與冬季水平相當(dāng)。MT型氣溶膠的FM值受季節(jié)的影響也十分明顯,從春季到冬季處于增長(zhǎng)狀態(tài),雖然主要以大顆粒類(lèi)型為主,但是,在秋季和冬季細(xì)顆粒物增加明顯,使得FM均值向細(xì)顆粒增長(zhǎng)。圖8是總體氣溶膠和各類(lèi)型氣溶膠的年變化曲線(xiàn)圖。首先,從總體氣溶膠的年變化曲線(xiàn)可以看出,北京近年氣溶膠光學(xué)厚度AOT值處于同一水平,其最低值在2004年取得,最高值在2003年取得,UI型氣溶膠的年