青藏高原气溶胶时空分布特征

20165

年第期环保科技

Vol．22No．5

青藏高原气溶胶时空分布特征

陈舒慧傅帅庄犁

123，4

*

（1．，210044；2．，210044；

南京信息工程大学南京南京信息工程大学空间天气研究所南京

3．，210044；4．，210042）

南京信息工程大学环境科学与工程学院南京南京环境科学研究所南京

要采用提供的年气溶胶光学厚度数据利用线性回归法及经验摘

：MODIS2000－2015550nm，

25°N－40°N）、，（80°E－105°E、

气溶胶光学厚度的月际正交函数分解法分析高原区年际以及时空

高原区气溶胶的光学厚度呈逐年下降趋势下降速率为年分布特征结果表明研究时段内

，0．035/；。：，

3－5。EOF9，

月达到最高值第一模态表现出气溶胶光学厚气溶胶光学厚度在每年月达到最低值

2009，。2009，

年之前度在整个高原区呈全场一致型的特征以年为界高原区气溶胶光学厚度偏

高年之后高原区气溶胶光学厚度偏低

；2009，。

关键词高原气溶胶光学厚度时空分布

：；；；MODIS

中图分类号文献标志码

：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

大气气溶胶通常是指悬浮于大气层中的固体和液体微粒与气体载体共同组成的多相体系是大气

，

*：（2）

基金项目南京信息工程大学大学生实践创新训练计划项目资助

收稿日期修回

：2016－06－10；2016－07－11

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

年生作者简介陈舒慧女本科研究方向大气环境变化

通讯作者傅帅男博士

：，，。E－mail：fs_nuist@163．com

·26·

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年第期环保科技

Vol．22No．5

科学最早研究的大气化学对象之一信息各个光谱波段探测的光谱范围是不同的例

［1］

。

大气中含有

很少的气溶胶但其在大气辐射和光化学过程中都

，

起着举足轻重的作用在大气物理方面大气气溶胶

。

既可以作为云的凝结核通过影响云的形成间接影

，

响全球的气候又可以吸收和散射太阳辐射直接影

，，

响大气系统的热量平衡大气化学方面气溶胶对

。，

平流层和对流层内的化学过程有着重要的影响

［2］

。

一般情况下对流层内含有大量的气溶胶空间分布

，，

复杂随时间变化较快但是在极端条件或极端天

，。，

气发生时对流层内的气溶胶可以通过过程进

，STE

入到平流层进而影响平流层的辐射平衡和化学过

程特别是与臭氧损耗有关的物理化学过程

，

［3］

。

在

平流层内气溶胶的辐射作用能强烈地散射和反射

，

太阳辐射减少了入射的太阳短波辐射使地表温度

，，

降低平流层的气溶胶表面可以发生一系列的非均

。

相反应产生活性氯破坏平流层内的臭氧从而减

，，，

少臭氧对紫外辐射的吸收这样会导致下平流层辐

，

射加热的减少

［4］

。

青藏高原简称高原占我国陆地面积的四分

（）

之一平均海拔高度在四千米以上深入大气对流层

，，

的中部是全球海拔最高地形最为复杂的高原被

，、，

称为南极和北极之外的第三极

“”

［5］

。

高原大部分

地区没有人为因素的破坏保持了原有的气候特征

，

和背景因此可以认为高原地区的气溶胶浓度及

。，

成分基本可以代表北半球大气成分的本底状况

［6］

。

对高原地区大气可吸入颗粒物的监测研究是认识

，

大气环境本底污染物排放以及传播和在大气中的

，

反应的重要方法也为研究气候变化原因提供科学

，

数据

［7－8］

。NASA－MODIS

本文利用网站提供的气

溶胶数据分析青藏高原地区气溶胶光学特性

，。

1

资料与方法

1．1

资料

NASA－MODIS（moderateresolutionimaging

spectroradiometer）

全称为中分辨率成像光谱仪

［9］

，

是

搭载在和卫星上的一个重要的传感

TEＲＲAAQUA

器共包含个探测器分布在个光谱波段从

，490，36，

0．4m（）～14．4m（）

μ可见光μ热红外全光谱覆

盖

［10］

。x

该仪器可将实时观测的数据通过波段进

行全球广播用户可免费接收数据并无偿使用这

，。

36，2250m，5

个离散光谱波段有个波段分辨率是

个波段是其余个波段是

500m，291000m

［11］

。

MODIS250m、500m

仪器的地面分辨率分为和

1000m，2330km。，

扫描宽度在对地观测过程中每

秒可同时获得的来自大气海洋和陆地表面

6．1Mb、

。，

如波段探测的光谱范围是波段

，1620～670nm，2

探测的光谱本文采用的是

841～876nm。MODIS

提供的气溶胶光学厚度值

550nm（AerosolOptical

Depth，AOD）。

数据集

1．2

方法

1．2．1

线性回归法

一元线性回归可以反应一个应变量和一个自变

量之间的线性关系即

，y

^

=a+bx。a、b

通过计算可

得到两组数据的回归关系其中

。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

经验正交函数分解

经验正交函数分析方法

（EmpiricalOrthogonal

Function，EOF），（Eigen-

缩写为也称特征向量分析

vectorAnalysis），（PrincipalCompo-

或者主成分分析

nentAnalysis，PCA），

缩写是一种分析矩阵数据中的

结构特征提取主要数据特征量的一种方法该方

，。

法早在年就已经提出到年代才被引

1902，1950

［12］

入到大气科学领域进行相关的研究

［13－14］

。

2

结果分析

2．1

气溶胶光学厚度气候态特征

根据中年月到年月近

MODIS20004201512

16189

年共个月的月平均大气气溶胶光学厚度数

据分析了高原区年来的气溶胶光学厚度的平均

，16

气候空间分布图其中横坐标为经度纵坐标为

（1，，

纬度色标代表光学厚度黑红色代表光学厚度较

，，

大白黄色代表光学厚度较小近年来气溶胶

，）。16，

光学厚度在高原呈西北高东南低的走向分界线

－，

明显西北部整个光学厚度较大都超过了尤

，，0．2，

图年高原区大气气溶胶光学厚度气候态

12000－2015

·27·

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Vol．22No．5

其高原北部光学厚度超过了东南部的气溶胶年际波动出气溶胶光学厚度在年中

，0．6；：2000－2015，

光学厚度整个低于东部靠近省界的部分地区较大但整体上呈显著的下降趋势下降速率为

0．2，，，

光学厚度整个低于

0．1。

2．2、

气溶胶光学厚度的月际年际变化特征

图是年高原区大气气溶胶光年为历年低谷年大值

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

学厚度的逐月变化曲线每个点附近的竖线为误差

（

棒可以看出高原区气溶胶光学厚度在春季

）。：（3

－5）（～0．30），（6－8）

月达到最大在夏季月开始

下降在月达到年内的最低值之后又从而便于对要素场进行时空变化特征的个模态上

，9（～0．10），，

开始回升其中在最低值月时数据误差最小代规律研究因此本文对年高原区气溶

。9，。，2000－2015

表该月份的年共年中光学厚度数据胶光学厚度也进行了分解需要注意的是在

2000－201516EOF，，

值较为集中都在附近进行之前已将原始场数据处理为距平场

，0．10。EOF，，

0.035/（Ｒ=0．345，95%

年统计检验值通过了信度

2

200016）。，

年为近年中的最检验从历年观测值来看

2．3

气溶胶光学厚度的时空分布特征

EOF，

方法是气候研究中的常用的一种方法该

方法通过将原始气象要素场的变化信息浓缩在前几

EOF3。

分解结果见图气溶胶光学厚度第一模态

（3（a））38．5%。

图的解释方差为从第一模态的空

可以看出高原区基本位于负值区很小部分间分布

，，

为正值区绝大部分地区有相同的变化趋势呈全场

，，

一致型变化特征结合第一空间模态与第一模态对

。

应的时间系数图可以得出如下规律

（3（c））：2009

年左右与近年的高原区气候态最为接近

16；2000－

2009，

年光学厚度整体高于气候态但是逐渐接近于

平衡态换言之该时间段内气溶胶在逐年减少在

，，，；

2009，，

年后气溶胶光学厚度整体低于气候态并且

在年达到近年中的最低值因此气溶胶

201416。，

图年高原区大气气溶胶光学

22000－2015

厚度月变化年际变化

（a）、（b）

25°N－40°N）（80°E－105°E、

的光学对高原区

厚度的年际变化趋势进行分析图其中点虚

（2（b），

线为历年观测值实线为线性拟合结果可以看

，）。

光学厚度整体是随着年份增加而减少的趋势这与

，

图反映的特征一致但是高原的小部分区域

2（b）。，

（3（a），），

指的是图中的正值区如高原西部变化趋

光学厚度呈先偏少后偏多的变化势与上述规律相反

，

特征整个高原区变化最明显的区域是高原东南部

。。

图年高原区大气气溶胶光学厚度前两个模态及时间系数

32000－2015EOF

（a，；b，；c，；d，）

第一模态第二模态第一模态时间系数第二模态时间系数

注模态场中横坐标为经度纵坐标为纬度图中黑色实线为线

：，，0

·28·

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EOF（3（b））

第二模态图解释方差近为

11.0%。3

空间模态中高原区有个明显的正值中心

分别位于高原区东部中部以及西部时间模态在

、。

2004，；2005－2012

年之前较为多变逐年波动较大

年基本为正年均为负值与第一模态

，2013－2015。

相比第二模态反映的特征较为杂乱这是由

，，EOF

的分解原理决定的因此对于第二模态不再赘述

。，。

3

结论

利用提供的年气溶

MODIS2000－2015550nm

胶光学厚度数据根据线性回归法及经验正交函数

，

分解等方法分析了青藏高原

，（80°E－105°E、25°N

－40°N）16

近年的大气气溶胶光学厚度的时空变

化情况结果表明

。：

（1）－

气溶胶光学厚度在高原呈西北高东南低

的走向分界线明显西北部整个光学厚度较大都

，，，

超过了尤其高原北部光学厚度超过了东

0．2，，0．6；

南部的气溶胶光学厚度整个低于东部靠近省

0．2，

界的部分地区光学厚度整个低于

0．1。

（2）3－5（～

气溶胶光学厚度在月达到最大值

0．30），9（～0．10）。

在月达到年内的最低值气溶

胶光学厚度年际波动较大但整体呈显著的下降趋

，

势下降速率为年

，0．035/。

（3）

气溶胶光学厚度第一模态基本呈全场一致

变化特征结合第一模态对应的时间系数发现

，，：

2000－2009，

年光学厚度整体高于气候态但是逐渐

接近于平衡态年后气溶胶光学厚度整体低

；2009，

于气候态并在年达到近年中的最低值

，201416。

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·29·