刘 贞，郑有飞，刘建军，解孟其（.秦皇岛市气象台，河北 秦皇岛 066000；.南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室，江苏 南京 0044；.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 70048）

基于A-train卫星对中国北方地区气溶胶分布的研究

刘 贞1，郑有飞2*，刘建军2，解孟其3（1.秦皇岛市气象台，河北 秦皇岛 066000；2.南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室，江苏 南京 210044；3.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048）

利用A-train（CALIPSO和MODIS-Aqua）卫星的数据资料，对比分析了中国北方地区（分为3个部分西部-W区，中部-M区和东部-E区）2007年1月～2010年10月AOD的年平均和季节平均分布特征，结果发现：MODIS-Aqua的卫星资料在我国北方地区区域基本具有适用性；MODIS和CALIPSO卫星反演的AOD年平均分布特征基本一致，AOD的高值区分布在南疆盆地（主要受沙尘气溶胶的影响）和地势较低的华北平原地区；MODIS和CALIPSO卫星反演的北方地区AOD季节平均分布的结果基本一致：W区AOD的高值区在季节上分布特征是：春季最高，夏季次之，秋季最小，冬季又慢慢增大；E区AOD的高值区的分布特征是：夏季最大，春季次之，秋冬季最小.

星载激光雷达；MODIS；气溶胶光学厚度；AERONET

目前，主要有2种方法来探测大气气溶胶的含量与分布：一种是地基直接观测和遥感观测，另一种是利用卫星遥感观测［1-2］.气溶胶光学厚度分布地基遥感反演的方法主要包括利用太阳直接辐射的宽带分光辐射、全波段太阳直接辐射、多波段太阳光度计以及地基激光雷达遥感［3］.美国国家宇航局（NASA）发起支持的气溶胶自动监测网络（AERONET-Aerosol Robotic NETWork）其统一利用法国CIMEL公司所生产的CE-318太阳光度计，采用统一的气溶胶特性的反演方法［4-8］，为全球气溶胶的特性研究提供了大量的气溶胶资料.我国加入AERONET观测网的站点也在不断增加，但是大都观测时期比较短，仅有香河、北京和太湖等站点有相对较长的观测记录.基于CE-318观测，我国的学者们在全国的很多个站点研究了气溶胶的光学特性，评估了不同地区气溶胶光学厚度的分布特征，分析了气溶胶光学特性的季节变化特征，为我国不同地区的气溶胶光学特性研究作出了大量贡献［9-14］.卫星遥感一定程度上克服了地基观测方法只能获取某一站点上数据，无法获得大范围内气溶胶的时空分布的困难，因此卫星遥感气溶胶得到了推广.李成才等［15-16］利用多年MODIS气溶胶光学厚度的数据资料，分析对比了我国华北，长江三角洲，珠江三角洲和四川盆地4个地区AOD的季节分布及变化特征.王毅等［17］利用地面观测资料和MODIS对我国的东南沿海地区及附近海域的大气气溶胶光学特性进行了分析；胡蝶［18］利用AERONET地面观测网15个站点的数据资料，对Terra和Aqua-MODIS AOD的产品资料在中国地区的适用性进行比较全面的对比验证，为卫星资料在中国西北半干旱典型地表条件下反演大气光学厚度的适用性提供了依据.

尽管中国地区气溶胶分布情况的研究已经取得了很多有价值的研究成果，但限于观测资料的原因，目前对气溶胶的研究多集中在中国中东部、西南部、长三角以及北京、上海等地区［19-21］，对中国整个北方地区气溶胶分布情况的研究工作偏少.另外，以往研究多为单点分析，或者是以个别站点的资料代表一个区域的情况，对气溶胶光学厚度（AOD）长期变化的研究在空间上多为单站点、小尺度，而空间上的大尺度研究往往时间尺度较小，长期变化不明显.邱金桓等［22］指出，利用卫星遥感与地基网络探测相结合，研究气溶胶光学特性的时空分布是一个有待研究和突破的问题.本文利用A-train卫星编队在较大时空尺度上的观测优越性，从较大空间尺度分析整个中国北方地区的AOD在较长时期内的分布特征，试图找到不同地区气溶胶光学厚度变化的规律性和差异，及其关键的影响因素，以便对中国北方地区气溶胶的时空分布有更全面和深入的了解.

1 数据资料介绍和研究区域

EOS系统中极轨卫星有6颗，组成“A序列”（A- Train，“A”表示“下午”）卫星编队.这个编队是由Aqua，Cloudsat，CALIPSO，PARASOL，Aura和OCO卫星组成［23］.自2000年以来，为了大范围的进行大气气溶胶遥感监测，美国EOS（Earth Observing System）系列卫星（Terra和Aqua）上搭载的中分辨率成像光谱仪（MODIS）开始对大气气溶胶光学厚度（AOD）探测反演.国内外已经开展了大量的研究工作，来验证MODIS气溶胶产品区域的适用性.通过与地面观测网AERONET的资料进行对比分析，得出MODIS探测气溶胶光学厚度仪器的系统误差为±0.05、反演算法引起的误差约为15%，均是符合仪器设计目标的.另外还有很多的学者对MODIS的C005版本监测的中国地区AOD的数据资料与AERONET监测的AOD数据资料进行对比研究后，认为MODIS的该版本陆地大气气溶胶光学厚度产品在中国大部分站点的反演精度要比C004版本的产品有了很大程度的提高，能够反演满足暗目标算法条件下中国地区的气溶胶光学厚度时空分布和变化特征文章利用2007～2011年AERONET提供的中国北方地区3个站点Level 2.0级的AOD数据资料对Aqua-MODIS L2的AOD产品资料进行了对比验证，分别是北京（39.977°N，116.381°E）、香河（39.754°N，116.962°E）和兴隆（40.396°N，117.58°E）.由于AERONET北方其他站点的观测时间较短，因此只选用了观测时间较长的站点来验证.

卫星资料与AERONET站点资料匹配方法为：以卫星过境前后30min内AERONET太阳光度计观测结果的平均值，验证以地基站点为中心球面距离为50km的卫星资料AOD的空间平均值.为了方便与Aqua-MODIS AOD产品比较，将AERONET提供的440nm与675nm的AOD根据公式（1）转换为550nm的AOD.

式中：τ为波长λ时的气溶胶光学厚度，γ为大气浑浊系数，α为波长指数.

另外利用2007年1月到2011年10月近5年的CALIPSO星载激光雷达 Level 2和MODIS Aqua Level 3，版本为 C5.1，波段为550nm分辨率为1°×1°气溶胶光学厚度的数据资料.通过MATLAB程序提取CALIPSO Level 2-Aerosol Layer气溶胶光学厚度的值，利用IDL程序提取MODIS-Aqua Level 3数据资料月平均气溶胶光学厚度的的值，计算所提取数值年平均气溶胶光学厚度的值，然后再用ARCGIS和MATLAB处理，分别得到中国北方地区2007年1月～2011年10月年平均柱气溶胶光学厚度以及季节平均柱气溶胶光学厚度分布，分辨率是0.1°×0.1°（10km× 10km）.所采用季节划分时间是春季为每年的3～5月，夏季为6～8月，秋季为9～11月，冬季为12～2月.依据以上数据，分析了2007～2011年中国北方地区气溶胶光学厚度的分布特征.

文章所选研究区域为中国北方地区（75～125）°E， （30～50）°N，如图1所示，将中国北方分为3个区域，分别代表中国北方西部地区（90°E以西）west-“W”，中部地区（90～110°E）middle-“M”和东部地区（110ºE以东）east-“E”.区域“W”是中国北方地区主要的沙尘源区；区域“M”为沙尘源的加强区；区域“E”，为沙尘主要的影响区.

图1 所选研究区域Fig.1 The selected study area

2 卫星资料适用性验证

图2给出了中国北方地区AERONET 3个站点（北京、香河和兴隆）的AOD和Aqua-MODIS AOD散点图的对比拟合结果.表1给出了AERONET中国北方地区各站点与Aqua-MODIS AOD对比的拟合参数统计量和在误差范围内的百分比.总的来看3个站点的拟合效果都较好，相关系数R范围在0.91～0.94之间，Aqua-MODIS AOD的结果有一定误差，北京站点误差范围百分比为50.7%，相对较低，香河和兴隆站点的满足卫星设计精度的误差范围百分比分别为75.2%和80.1%，这表明Aqua-MODIS AOD资料能较准确的反映气溶胶光学厚度的分布情况，在此区域具有适用性.

表1 中国北方各站点AERONET AOD和MODIS AOD的参数统计比较

图2 中国北方地区AERONET各站点AOD和Aqua-MODIS AOD散点对比Fig.2 The AERONET and Aqua-MODIS AOD scatter contrast figure of each site in northern China

3 中国北部地区AOD时空分布特征

3.1 基于CALIPSO中国北方AOD的时空分布

由3（a）图可以看出，中国北方地区2007～ 2011年5年柱气溶胶光学厚度平均分布与地域有很密切的关系，气溶胶光学厚度的高值区和低值区受到地形的影响.高值区主要分布在新疆的塔克拉玛干沙漠和塔里木盆地-W区和海拔较低的平原地区-E区（华北平原地区），低值区主要分布在海拔相对高些的地区-M区和E区北部.W区的高值中心AOD的值在1.1左右，这主要是由于该区域是沙漠地区，与沙尘气溶胶粒子的释放有关，高值中心周围新疆北部地区，AOD的值在0.8左右，和西藏北部地区AOD的值在0.2～0.3左右，这些地方人口不密集，工业活都也很少，人为排放的气溶胶粒子较少，所以气溶胶光学厚度的值相对较小些.另外一个高值区-E区高值中心在河北和山东部分地方，AOD的值在1.1左右，这里是人口密集的平原地区，经济发展迅速人为产生的气溶胶较多，大量的工业排放和汽车尾气对大气造成污染，造成该地区气溶胶含量较高.M区的气溶胶含量相对较低，AOD的值在0.3～0.4左右；另外一个低值区分布在E区的北部（内蒙古东部地区和东三省地区），AOD的值在0.6～0.8左右；这些地方人口密度也较小，自然源排放相对也少些.气溶胶光学厚度年平均分布总的来看，中国北部地区的南疆盆地和东部河北山东AOD值较高，而M区和E区的北部AOD的值相对比较低.

春、夏、秋、冬这4个季节AOD依然是两个高值区：W区的新疆塔克拉玛干沙漠和E区的华北平原；2个低值区仍然分布在M区和E区的东北部.AOD高值区之一（W区）高值中心在春季最大且范围最广，达到1.2～1.3左右，夏季和冬季高值区范围缩小，高值中心AOD的值可达到1.2左右，秋季最小，AOD的值平均在1.0左右.AOD另外一个高值区（E区）华北平原地区：AOD的值在夏季最大且范围最大，平均在1.2左右，其次是春季，高值区范围相对缩小平均在1.0～1.1左右，秋季和冬季最小，但是AOD的值也较高在1.0左右.这些变化可能是因为春季随着锋面活动的加强，天气干燥多风，频繁爆发沙尘暴，W区塔克拉玛干沙漠的沙尘就会在大风天气的风力作用下进入到大气中，并在西北风的影响下向其他地方输送，导致了M区甘肃河西走廊地区AOD的值也较大（在0.9左右），E区的华北平原地区也受到影响，再加上春季的耕种烧荒从而导致春季AOD的值也较大，但是华北平原地区夏季AOD的值要比春季的高，这可能是因为夏季风的盛行阻碍了W区和M区沙尘对该地区的影响，但同时夏季华北平原沿海地区经济发展迅速，大量工厂的工业排放的污染物（如硫酸盐、硝酸盐等）的影响，再加上夏季该地区温度和湿度比较高，有利于有机气溶胶的化学气-粒转化，增大吸湿性气溶胶的平均粒径，这样可以增大大气的消光系数，从而导致该季节AOD的值较大；还有研究利用MODIS卫星火点产品的数据资料分析了中国地区农作物燃烧排放情况，结果表明华北平原地区夏季火点数多而密集，因此人为生物质的燃烧也会影响夏季该地区AOD的值［24］；另外华北平原的是小麦的主要产区，不仅人口稠密，每年夏季到了小麦的收获季节，会有大量的秸秆燃烧，这也是造成夏季的气溶胶光学厚度比较高的原因之一.秋季和冬季华北平原地区的AOD明显减小，这可能是由于秋季以后该地区降水量开始增加，大气气溶胶湿沉降加大导致的，冬季雨雪天气对大气气溶胶可能有一定的湿清除作用，就使得冬季气溶胶光学厚度的值偏小，这有待进一步的研究.

图3 基于CALIPSO卫星探测的中国北方地区柱气溶胶光学厚度Fig.3 Based on CALIPSO detection of aerosol optical thickness in northern China

另外，季节变化上看，两个相对的低值区变化，M区的的青海省气溶胶光学厚度春季和夏季较大，AOD的值平均在0.6～0.8左右，秋冬季节较小，AOD的值在0.2～0.4；M区的其他地方也是春季和夏季较大，AOD的值在0.8～1.1左右，秋季和冬季较小，AOD的值在0.5～0.8左右.另外一个相对低值区，E区的东北平原和内蒙古中东部，春季和夏季气溶胶光学厚度的值也较大，AOD的值在0.8～1.1左右，秋季次之，冬季气溶胶光学厚度的值最小，AOD的值在0.6～0.9左右.由于，M区的青海等地区海拔较高人口稀少，气溶胶光学厚度的值受人为活动影响较小，但是该地区地表植被稀疏且降水较少，容易受到新疆塔克拉玛干沙漠沙尘天气的影响，从而造成该地区春季气溶胶光学厚度的值比较高；东北平原和内蒙古中东部夏季气溶胶光学厚度的值较大，可能是受华北平原地区的影响.有研究表明在中国主要有3个生物质的燃烧区，分别为东北部和西南部的森林火灾区和部分农业焚烧区以及中东部的农业焚烧区，其中西南区主要集中时间为2～3月，中东部主要在5～6月，东北部主要为10月，并伴随着突发性的火灾［25］.夏季东亚大陆主要为热低压所控制，同时太平洋副热带高压向西延伸且北进，华北地区的污染物可以沿东亚夏季风（西南风）的输送影响到东北平原的部分地区；到了秋冬季，随着雨雪天气的慢慢增多，对气溶胶的沉降冲刷作用，可能导致东北平原和内蒙古的中东部地区气溶胶光学厚度的值大大下降.综上所述，W区AOD的高值区在季节上分布特征是：春季最高，夏季次之，秋季最小，冬季又慢慢增大；E区AOD的高值区的分布特征是：夏季最大，春季次之，秋冬季最小.

3.2 基于MODIS中国北方AOD的时空分布

本文春季和冬季利用的是MODIS气溶胶光学厚度Deep-Blue的值，其余的用的均为暗像原值.由图4（a）可以看出，MODIS反演的中国北方地区2007～2011年5年柱气溶胶光学厚度平均分布高值区也是主要分布在W区的新疆塔克拉玛干沙漠和塔里木盆地和E区的海拔较低（华北平原地区），低值区主要分布在海拔相对高些M区的青海省中东部、甘肃省中南部、宁夏陕西等地区以及E区的内蒙古中东部、黑龙江、大小兴安岭地区，这与CALIPSO的反演结果基本一致.W区的高值中心塔克拉玛干沙漠AOD的值在0.9左右，高值中心周围新疆北部地区AOD的值在0.2～0.3左右.另外一个高值区-E区高值中心在华北平原地区河北中南部和山东，AOD的值在0.8～0.7左右.这些结果和CALIPSO卫星的反演结果是一致的，但是气溶胶光学厚度的值要比CALIPSO反演的值偏小.M区的青海省中东部、甘肃省中南部、宁夏陕西等地区气溶胶含量相对较低，AOD的值在0.3～0.4左右（除了青海省的柴达木盆地AOD的值较高在0.7左右之外）；另外一个低值区分布在E区的北部地区，AOD的值在0.2～0.4左右，这些地方人口稀少，自然源排放相对也少些.气溶胶光学厚度年平均分布总的来看，中国北方地区的南疆盆地和东部河北山东等华北平原地区的AOD值较高，而M区和E区的东北部AOD的值相对比较低，于CALIPSO卫星的反演结果大致相同.

由图4（b）～（e）季节变化的整体上来看，中国整个北方地区气溶胶光学厚度分布的变化非常明显的，春季和夏季AOD的值较大，秋季和冬季AOD的值较小（新疆准格尔盆地东三省除外）.两个高值区分别在W区的新疆塔克拉玛干沙漠，M区的甘肃西部青海西北部和E区的华北平原；两个低值区分布在M区东北部和E区的东北部.AOD高值区之一（W区）高值中心也是在春季最大且范围最广，值达到0.8～1.0左右，夏季高值区范围缩小，高值中心AOD的值还是在0.8～0.9左右，秋季次之，AOD的值平均在0.6～0.7左右，冬季最小，AOD的值在0.3～0.4左右.值得注意的是新疆准噶尔盆地在冬季AOD的值最大，其次是春季，夏季和秋季最小，这和新疆其他地方的变化特征是不一样的.这可能是由于该地地形较为特殊，大气环流形式以及人为气溶胶的影响有关.该地区的周边是是广阔的草原，腹部是古尔班通古特沙漠，地势西低东高，西部的山岭多缺口，冬季冷空气多，西北风吹入盆地造成局地的沙尘增多.另外冬季的取暖燃煤，生物质燃烧以及放牧等人为气溶胶也会有一定的影响.青海西北部和甘肃河西走廊地区和新疆高值区的变化一样，可以看出这些地区主要是受南疆盆地沙尘的影响.AOD另外一个高值区（E区）华北平原地区：AOD的值在夏季最大，平均在0.8～1.0左右，其次是春季，AOD的值平均在0.8～0.9左右，冬季更次之，AOD的值在0.7左右，秋季最小，但是AOD的值也较高在0.6左右.这些变化和CALIPSO卫星探测的结果基本一致.

两个相对的低值区的季节变化上，M区的东北部气溶胶光学厚度春季和夏季较大，AOD的值平均在0.3～0.4左右，秋冬季节较小，AOD的值在0.2～0.3左右；另外一个相对低值区，E区的内蒙古中东部，春季和夏季气溶胶光学厚度的值较大，AOD的值在0.3左右，秋季次之，冬季气溶胶光学厚度的值最小，AOD的值在0.2左右.值得注意的是东北三省AOD的值也是在冬季达到最大，春夏季次之，秋季最小，冬季为什么会有这么高的AOD目前具体原因还不明确，可能是由于冬季较寒冷，人为燃煤取暖造成的.综上所述，W区AOD的高值区在季节上分布特征是：春季最高，夏季次之，秋季最小，冬季又慢慢增大；E区AOD的高值区的分布特征是：夏季最大，春季次之，秋冬季最小.这个研究结果和CALIPSO卫星的结果基本一致（除了准格尔盆地和东三省）.

图4 基于MODIS卫星探测的中国北方地区柱气溶胶光学厚度Fig.4 Based on CALIPSO detection of aerosol optical thickness in northern China

4 结论

4.1 由于中国北方地区长期观测的站点较少只有北京、香河与兴隆，但本章采用的3个站点的资料与Aqua-MODIS的卫星资料对比结果均较好，能较好的反映我国北方地区气溶胶的分布情况，在这个区域基本具有适用性，西北地区需要更多的资料进行验证.

4.2 从MODIS和CALIPSO卫星反演的柱气溶胶光学厚度平均分布特征基本一致，从年平均分布特征来看中国北方地区气溶胶光学厚度与地域有很密切的关系，气溶胶光学厚度的高值区和低值区受到地形的影响，AOD的高值区分布在W区的南疆盆地（主要受沙尘气溶胶的影响）和地势较低-E区的华北平原地区，而地势较高的M区和E区的北部AOD的值相对比较低.

4.3 MODIS反演中国北方气溶胶光学厚度的分布特征是： W区AOD的高值区在季节上分布特征是：春季最高，夏季次之，秋季最小，冬季又慢慢增大；E区AOD的高值区的分布特征是：夏季最大，春季次之，秋冬季最小.这个研究结果和CALIPSO卫星的结果基本一致（除了准格尔盆地和东三省）.Aqua-MODIS中Deep-blue算法在西北沙漠地区的亮地表AOD的反演结果比较好.

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Research on the distribution of the northern region of China aerosol based on A-trian satellite.

LIU Zhen1， ZHENG You-fei2*， LIU Jian-jun2， XIE Meng-qi3（1.Qinghuangdao Meteorological Observatory， Qinhuangdao 066000， China；2.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Disaster， Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044， China；3.School of Automation and Information Engineering Xi'an University of Technology， Xi'an 710048， China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：2891～2898

Abstrct：The A-train （CALIPSO and MODIS-Aqua） satellite data from January 2007 to October 2007 has been used in this paper to study the aerosol distribution characteristics of space and time on northern China （divided into three parts：the west region-W area， central region-M area， east area region-E）. （1） The Aqua - MODIS satellite data can be better reflect the distribution of aerosols in north China region； （2） MODIS and CALIPSO satellite retrievaled the column aerosol optical depth distribution characteristics were basically the same， AOD high value area was distributed in W area-south xinjiang basin and low-lying plain of north China region； （3） MODIS and CALIPSO retrieval of aerosol optical depth distribution characteristics of northern China satellite were basically the same was： W areas AOD of the high value in seasonal distribution characteristic was： spring＞summer＞autumn， then winter increases slowly； E areas AOD of the high value in seasonal distribution characteristic was： summer＞spring， followed by autumn and winter minimum.

CALIPSO；MODIS；aerosol optical depth；AERONET

X513

A

1000-6923（2015）10-2891-08

刘 贞（1987-），女，山东济宁人，硕士，助理工程师，主要从事天气预报、气溶胶分布和大气环境方面的研究.发表论文1篇.

2015-03-19

江苏省高校自然科学研究重大项目（09KJA170004）；国家自然科学基金面上项目（41075114）；国家“973”项目（2006CB403705）

* 责任作者， 教授， zhengyf@nuist.edu.cn