青藏高原氣溶膠時空分布特征

20165

年第期環保科技

Vol．22No．5

青藏高原氣溶膠時空分布特征

陳舒慧傅帥莊犁

123，4

*

（1．，210044；2．，210044；

南京信息工程大學南京南京信息工程大學空間天氣研究所南京

3．，210044；4．，210042）

南京信息工程大學環境科學與工程學院南京南京環境科學研究所南京

要采用提供的年氣溶膠光學厚度數據利用線性回歸法及經驗摘

：MODIS2000－2015550nm，

25°N－40°N）、，（80°E－105°E、

氣溶膠光學厚度的月際正交函數分解法分析高原區年際以及時空

高原區氣溶膠的光學厚度呈逐年下降趨勢下降速率為年分布特征結果表明研究時段內

，0．035/；。：，

3－5。EOF9，

月達到最高值第一模態表現出氣溶膠光學厚氣溶膠光學厚度在每年月達到最低值

2009，。2009，

年之前度在整個高原區呈全場一致型的特征以年為界高原區氣溶膠光學厚度偏

高年之后高原區氣溶膠光學厚度偏低

；2009，。

關鍵詞高原氣溶膠光學厚度時空分布

：；；；MODIS

中圖分類號文獻標志碼

：X823：A

Temporalandspatialdistributioncharacteristicsofatmospheric

aerosolsintheTibetanPlateau

ChenShuhui

123，4

，FuShuai，ZhuangLi

（1．NanjingUniversityofInformationScience＆Technology，Nanjing210044；

2．InstituteofSpaceWeather，NanjingUniversityofInformationScience＆Technology，Nanjing210044；

3．SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，NanjingUniversityofInformationScience＆

Technology，Nanjing210044；4．NanjingInstituteofEnvironmentalSciences，

MinistryofEnvironmentalProtection，Nanjing210042，China）

Abstract：BadonaerosolopticalthicknessdatatprovidedbyMODISsatellitedatafrom2000to

2015，usingthelinearregressionmethodandtheempiricalorthogonalfunctiondecompositionmeth-

od，themonthlyandyearlyaswellastemporalandspatialdistributioncharacteristicsofatmospheric

aerosolsovertheTibetPlateau（80°E－105°E，25°N－40°N）arediscusd．Ｒesultsshowthat：

aerosolopticalthicknessisdecliningatafastrate；AerosolopticalthicknessinSeptembereachyear

isthelowest，andinMarchtoMayarethehighest．ThefirstEOFdecompositionmodeindicatesthat

aerosolopticalthicknesshastheconsistentvariationcharacteristicsintheentireplateau．Andbefore

2009，theaerosolopticalthicknessovertheplateauwashigherthanthe16years＇averagevalue，but

after2009，itwaslowerthanthelong－timeaveragevalue．

Keywords：TibetPlateau；aerosolopticalthickness；spatialandtemporaldistribution；MODIS

大氣氣溶膠通常是指懸浮于大氣層中的固體和液體微粒與氣體載體共同組成的多相體系是大氣

，

*：（2）

基金項目南京信息工程大學大學生實踐創新訓練計劃項目資助

收稿日期修回

：2016－06－10；2016－07－11

1996，：，，，：。E－mail：chenshuhui@nuist．edu．cn

年生作者簡介陳舒慧女本科研究方向大氣環境變化

通訊作者傅帥男博士

：，，。E－mail：fs_nuist@163．com

·26·

20165

年第期環保科技

Vol．22No．5

科學最早研究的大氣化學對象之一信息各個光譜波段探測的光譜范圍是不同的例

［1］

。

大氣中含有

很少的氣溶膠但其在大氣輻射和光化學過程中都

，

起著舉足輕重的作用在大氣物理方面大氣氣溶膠

。

既可以作為云的凝結核通過影響云的形成間接影

，

響全球的氣候又可以吸收和散射太陽輻射直接影

，，

響大氣系統的熱量平衡大氣化學方面氣溶膠對

。，

平流層和對流層內的化學過程有著重要的影響

［2］

。

一般情況下對流層內含有大量的氣溶膠空間分布

，，

復雜隨時間變化較快但是在極端條件或極端天

，。，

氣發生時對流層內的氣溶膠可以通過過程進

，STE

入到平流層進而影響平流層的輻射平衡和化學過

程特別是與臭氧損耗有關的物理化學過程

，

［3］

。

在

平流層內氣溶膠的輻射作用能強烈地散射和反射

，

太陽輻射減少了入射的太陽短波輻射使地表溫度

，，

降低平流層的氣溶膠表面可以發生一系列的非均

。

相反應產生活性氯破壞平流層內的臭氧從而減

，，，

少臭氧對紫外輻射的吸收這樣會導致下平流層輻

，

射加熱的減少

［4］

。

青藏高原簡稱高原占我國陸地面積的四分

（）

之一平均海拔高度在四千米以上深入大氣對流層

，，

的中部是全球海拔最高地形最為復雜的高原被

，、，

稱為南極和北極之外的第三極

“”

［5］

。

高原大部分

地區沒有人為因素的破壞保持了原有的氣候特征

，

和背景因此可以認為高原地區的氣溶膠濃度及

。，

成分基本可以代表北半球大氣成分的本底狀況

［6］

。

對高原地區大氣可吸入顆粒物的監測研究是認識

，

大氣環境本底污染物排放以及傳播和在大氣中的

，

反應的重要方法也為研究氣候變化原因提供科學

，

數據

［7－8］

。NASA－MODIS

本文利用網站提供的氣

溶膠數據分析青藏高原地區氣溶膠光學特性

，。

1

資料與方法

1．1

資料

NASA－MODIS（moderateresolutionimaging

spectroradiometer）

全稱為中分辨率成像光譜儀

［9］

，

是

搭載在和衛星上的一個重要的傳感

TEＲＲAAQUA

器共包含個探測器分布在個光譜波段從

，490，36，

0．4m（）～14．4m（）

μ可見光μ熱紅外全光譜覆

蓋

［10］

。x

該儀器可將實時觀測的數據通過波段進

行全球廣播用戶可免費接收數據并無償使用這

，。

36，2250m，5

個離散光譜波段有個波段分辨率是

個波段是其余個波段是

500m，291000m

［11］

。

MODIS250m、500m

儀器的地面分辨率分為和

1000m，2330km。，

掃描寬度在對地觀測過程中每

秒可同時獲得的來自大氣海洋和陸地表面

6．1Mb、

。，

如波段探測的光譜范圍是波段

，1620～670nm，2

探測的光譜本文采用的是

841～876nm。MODIS

提供的氣溶膠光學厚度值

550nm（AerosolOptical

Depth，AOD）。

數據集

1．2

方法

1．2．1

線性回歸法

一元線性回歸可以反應一個應變量和一個自變

量之間的線性關系即

，y

^

=a+bx。a、b

通過計算可

得到兩組數據的回歸關系其中

。a=y，b=

－－

－bx

L/L。，

xyxx

式中

{{

nn

x=xL=－x－y

－－－

1

n

∑∑

ixyii

i－1i=1

（x）（y）

，

y=yL=－x－x

－－－

nn

1

n

∑∑

ixxii

（x）（x）

i－1i=1

1．2．2

經驗正交函數分解

經驗正交函數分析方法

（EmpiricalOrthogonal

Function，EOF），（Eigen-

縮寫為也稱特征向量分析

vectorAnalysis），（PrincipalCompo-

或者主成分分析

nentAnalysis，PCA），

縮寫是一種分析矩陣數據中的

結構特征提取主要數據特征量的一種方法該方

，。

法早在年就已經提出到年代才被引

1902，1950

［12］

入到大氣科學領域進行相關的研究

［13－14］

。

2

結果分析

2．1

氣溶膠光學厚度氣候態特征

根據中年月到年月近

MODIS20004201512

16189

年共個月的月平均大氣氣溶膠光學厚度數

據分析了高原區年來的氣溶膠光學厚度的平均

，16

氣候空間分布圖其中橫坐標為經度縱坐標為

（1，，

緯度色標代表光學厚度黑紅色代表光學厚度較

，，

大白黃色代表光學厚度較小近年來氣溶膠

，）。16，

光學厚度在高原呈西北高東南低的走向分界線

－，

明顯西北部整個光學厚度較大都超過了尤

，，0．2，

圖年高原區大氣氣溶膠光學厚度氣候態

12000－2015

·27·

20165

年第期環保科技

Vol．22No．5

其高原北部光學厚度超過了東南部的氣溶膠年際波動出氣溶膠光學厚度在年中

，0．6；：2000－2015，

光學厚度整個低于東部靠近省界的部分地區較大但整體上呈顯著的下降趨勢下降速率為

0．2，，，

光學厚度整個低于

0．1。

2．2、

氣溶膠光學厚度的月際年際變化特征

圖是年高原區大氣氣溶膠光年為歷年低谷年大值

2（a）2000－20152012（～0.24）。（～0．34）；2005、

學厚度的逐月變化曲線每個點附近的豎線為誤差

（

棒可以看出高原區氣溶膠光學厚度在春季

）。：（3

－5）（～0．30），（6－8）

月達到最大在夏季月開始

下降在月達到年內的最低值之后又從而便于對要素場進行時空變化特征的個模態上

，9（～0．10），，

開始回升其中在最低值月時數據誤差最小代規律研究因此本文對年高原區氣溶

。9，。，2000－2015

表該月份的年共年中光學厚度數據膠光學厚度也進行了分解需要注意的是在

2000－201516EOF，，

值較為集中都在附近進行之前已將原始場數據處理為距平場

，0．10。EOF，，

0.035/（Ｒ=0．345，95%

年統計檢驗值通過了信度

2

200016）。，

年為近年中的最檢驗從歷年觀測值來看

2．3

氣溶膠光學厚度的時空分布特征

EOF，

方法是氣候研究中的常用的一種方法該

方法通過將原始氣象要素場的變化信息濃縮在前幾

EOF3。

分解結果見圖氣溶膠光學厚度第一模態

（3（a））38．5%。

圖的解釋方差為從第一模態的空

可以看出高原區基本位于負值區很小部分間分布

，，

為正值區絕大部分地區有相同的變化趨勢呈全場

，，

一致型變化特征結合第一空間模態與第一模態對

。

應的時間系數圖可以得出如下規律

（3（c））：2009

年左右與近年的高原區氣候態最為接近

16；2000－

2009，

年光學厚度整體高于氣候態但是逐漸接近于

平衡態換言之該時間段內氣溶膠在逐年減少在

，，，；

2009，，

年后氣溶膠光學厚度整體低于氣候態并且

在年達到近年中的最低值因此氣溶膠

201416。，

圖年高原區大氣氣溶膠光學

22000－2015

厚度月變化年際變化

（a）、（b）

25°N－40°N）（80°E－105°E、

的光學對高原區

厚度的年際變化趨勢進行分析圖其中點虛

（2（b），

線為歷年觀測值實線為線性擬合結果可以看

，）。

光學厚度整體是隨著年份增加而減少的趨勢這與

，

圖反映的特征一致但是高原的小部分區域

2（b）。，

（3（a），），

指的是圖中的正值區如高原西部變化趨

光學厚度呈先偏少后偏多的變化勢與上述規律相反

，

特征整個高原區變化最明顯的區域是高原東南部

。。

圖年高原區大氣氣溶膠光學厚度前兩個模態及時間系數

32000－2015EOF

（a，；b，；c，；d，）

第一模態第二模態第一模態時間系數第二模態時間系數

注模態場中橫坐標為經度縱坐標為緯度圖中黑色實線為線

：，，0

·28·

20165

年第期環保科技

Vol．22No．5

EOF（3（b））

第二模態圖解釋方差近為

11.0%。3

空間模態中高原區有個明顯的正值中心

分別位于高原區東部中部以及西部時間模態在

、。

2004，；2005－2012

年之前較為多變逐年波動較大

年基本為正年均為負值與第一模態

，2013－2015。

相比第二模態反映的特征較為雜亂這是由

，，EOF

的分解原理決定的因此對于第二模態不再贅述

。，。

3

結論

利用提供的年氣溶

MODIS2000－2015550nm

膠光學厚度數據根據線性回歸法及經驗正交函數

，

分解等方法分析了青藏高原

，（80°E－105°E、25°N

－40°N）16

近年的大氣氣溶膠光學厚度的時空變

化情況結果表明

。：

（1）－

氣溶膠光學厚度在高原呈西北高東南低

的走向分界線明顯西北部整個光學厚度較大都

，，，

超過了尤其高原北部光學厚度超過了東

0．2，，0．6；

南部的氣溶膠光學厚度整個低于東部靠近省

0．2，

界的部分地區光學厚度整個低于

0．1。

（2）3－5（～

氣溶膠光學厚度在月達到最大值

0．30），9（～0．10）。

在月達到年內的最低值氣溶

膠光學厚度年際波動較大但整體呈顯著的下降趨

，

勢下降速率為年

，0．035/。

（3）

氣溶膠光學厚度第一模態基本呈全場一致

變化特征結合第一模態對應的時間系數發現

，，：

2000－2009，

年光學厚度整體高于氣候態但是逐漸

接近于平衡態年后氣溶膠光學厚度整體低

；2009，

于氣候態并在年達到近年中的最低值

，201416。

參考文獻

［1］HuM，JiaL，WangJ，etal．Spatialandtemporalchar-

acteristicsofparticulatematterinBeijing，Chinausing

theEmpiricalModeDecompositionmethod［J］．Science

oftheTotalEnvironment，2013，458：70－80．

［2］BuckPＲ，POsfaiM．Airbornemineralsandrelated

aerosolparticles：Effectsonclimateandtheenvironment

［J］．ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences，

1999，96（7）：3372－3379．

［3］ChuersuwanN，NimratS，LekphetS，etal．Levelsand

majorsourcesofPM2．5andPM10inBangkokMetro-

politanＲegion［J］．Environmentinternational，2008，34

（5）：671－677．

［4］，，．［J］．

唐信英羅磊金之川高原大氣氣溶膠研究進展

高原山地氣象研究

，2012，32（2）：95－99．

［5］CongZ，KangS，LiuX，etal．Elementalcompositionof

aerosolintheNamCoregion，TibetanPlateau，during

summermonsoonason［J］．AtmosphericEnvironment，

1985，34（2）：176－181．

［6］，，．［J］．

劉煜李維亮周秀驥高原臭氧變化趨勢的預測

中國科學輯增刊

（D），2001，31（）：308－311．

［7］，，．

李潮流康世昌叢志遠高原念青唐古拉峰冰川區

夏季風期間大氣氣溶膠元素特征科學通報

［J］．，

2007，52（17）：2057－2063．

［8］，，．1984～2000

王開存李維亮白立杰年印度洋與中

國地區上空對流層中上層及平流層氣溶膠變化和輸

送特征應用氣象學報

［J］．，2004，15（1）：32－40．

［9］FensholtＲ，ＲasmusnK，NielnTT，etal．Evalua-

tionofearthobrvationbadlongtermvegetation

trends—IntercomparingNDVItimeriestrendanalysis

consistencyofSahelfromAVHＲＲGIMMS，TerraMODIS

andSPOTVGTdata［J］．ＲemoteSensingofEnviron-

ment，2009，113（9）：1886－1898．

［10］，，，．MODISND-

杜加強舒儉民王躍輝等青藏高原

VIGIMMSNDVI［J］．，

與的對比應用生態學報

2014，25（2）：533－544．

［11］，，，．10MODIS

王釗彭艷車慧正等近年關中盆地

氣溶膠的時空變化特征高原氣象

［J］．，2013（1）：

234－242．

［12］PersonK．OnLinesandPlanesofClostFittoSystem

ofPointsinSpace［J］．PhiliosophicalMagazine，1901，2

（2）：559－572．

［13］，，．

章基嘉孫照渤陳松軍對自然正交函數穩定性條

件的討論氣象學報

［J］．，1981，39（1）：82－88

［14］，，．EOF

龐軼舒祝從文劉凱中國夏季降水異常模態

的時間穩定性分析大氣科學

［J］．，2014，38（6）：

1137－1146．

·29·