長江三角洲地區(qū)大氣頂氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫遙感估算

肖鐘湧 ,江 洪

(1.集美大學(xué)理學(xué)院,福建 廈門 361021；2.南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,江蘇 南京210093；3.浙江農(nóng)林大學(xué),亞熱帶森林培育國家重點實驗室/浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室,浙江杭州 311300)

氣溶膠對太陽輻射起到散射和吸收作用,影響著地-氣系統(tǒng)的輻射收支平衡,因而在很大程度上影響著全球的氣候狀況[1-4].由大氣氣溶膠含量的變化引起地-氣系統(tǒng)能量平衡擾動,這種擾動稱為氣溶膠輻射強(qiáng)迫.一方面氣溶膠對太陽輻射起到散射和吸收的作用,稱為氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫;另一方面,氣溶膠也可以充當(dāng)生成云、霧的凝結(jié)核,影響云滴的生命周期,改變云的反射率等,從而對地-氣系統(tǒng)的輻射平衡產(chǎn)生間接影響,稱為氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫[1-2].關(guān)于氣溶膠輻射強(qiáng)迫已經(jīng)進(jìn)行了大量的、細(xì)致的研究[5-13].但是,氣溶膠輻射強(qiáng)迫還存在很大的不確定性[14-16].氣溶膠的空間分布和特性是氣溶膠的環(huán)境、氣候效應(yīng)研究的關(guān)鍵.

隨著傳感器的發(fā)展,衛(wèi)星遙感與地基遙感相比具有全球覆蓋的優(yōu)勢,如 MODIS提供了全球氣溶膠研究的手段,具有較高的時間、空間分辨率[17-19].MODIS運(yùn)用暗像元法進(jìn)行氣溶膠反演[20-21],該算法是 Remer等[22]和 Levy 等[23]在Kaufman的暗像元算法基礎(chǔ)上開發(fā)的,并利用MODIS傳感器進(jìn)行了氣溶膠光學(xué)的業(yè)務(wù)反演,為全球提供分辨率 10km 氣溶膠產(chǎn)品.對于研究區(qū)域尺度和全球尺度氣溶膠污染物有重要應(yīng)用價值.已有大量研究利用地面的觀測數(shù)據(jù)對MODIS L2氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行了驗證[22-26].在長江三角洲地區(qū)的驗證研究表明了MODIS氣溶膠產(chǎn)品在該地區(qū)的精度較高[27-28].

區(qū)域氣溶膠輻射強(qiáng)迫的研究越來越重要,研究認(rèn)為長江三角洲地區(qū)人為氣溶膠在晴空下使得太陽輻射減少 30%[29-30].田華等[31]的結(jié)果表明,2001年中國東部地區(qū)晴空時硫酸鹽氣溶膠輻射強(qiáng)迫以春季最大,為-34.53W/m2;夏季次之,為-22.76W/m2;冬季再次,為-22.57W/m2;秋季最小,為-20 W/m2.但是研究工作不足,因此,需要對氣溶膠輻射強(qiáng)迫進(jìn)行深入的評估.本研究利用多源遙感數(shù)據(jù)對大氣頂氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫進(jìn)行估算,并分析其時空變化特征.揭示出長江三角洲地區(qū)氣溶膠輻射強(qiáng)迫的強(qiáng)度和模式.

1 方法、數(shù)據(jù)和研究區(qū)

1.1 方法

本研究氣溶膠輻射強(qiáng)迫的衛(wèi)星估算是利用Charlson 等[1]和 Haywood 等[32]估算公式,該公式被用來估算全球的瞬時大氣頂氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫,公式表示為：

式中：S0太陽常數(shù),取值為1367W/m2;T為大氣總透過率,取值為 0.76;C為云量比例;ω為單次散射反照率;β為后向散射比;Rs為地表反照率;τ為氣溶膠光學(xué)厚度(AOT).

由于地球以橢圓形軌道繞太陽運(yùn)行,一年里每天的日地距離不一樣.因此,日地距離不是常數(shù),在某一點的輻射強(qiáng)度與距輻射源距離的平方成反比,也就是說地球大氣頂?shù)奶栞椛鋸?qiáng)度隨日地間距離不同而異.因此,需要進(jìn)行日地距離的校正.假設(shè)地球表面為平面,到達(dá)大氣上界的太陽輻射與太陽高度角的正弦成正比.根據(jù)以上條件,對于到達(dá)大氣頂?shù)奶栞椛溥M(jìn)行校正,結(jié)合方程(1)有：

Haywood 等[32]和 Blanchet等[33]認(rèn)為波長在700nm處的氣溶膠光學(xué)特性可以代表整個譜段的平均光學(xué)特性.本文利用 ?ngstr?m 定律[34],結(jié)合MODIS氣溶膠產(chǎn)品計算出700nm處的AOT;云量比例用 MODIS氣溶膠產(chǎn)品提供的數(shù)據(jù);地表反照率利用MODIS MCD43C 3月平均短波地表反射率數(shù)據(jù);單次散射反照率利用 OMI OMAERO氣溶膠產(chǎn)品的可見光波段外插得到700nm處的單次散射反照率.

1.2 數(shù)據(jù)

本研究主要用到的數(shù)據(jù)來自MODIS和OMI數(shù)據(jù)產(chǎn)品,包括MODO4和MYD04氣溶膠產(chǎn)品、MCD43C3地表反照率產(chǎn)品和OMAREO氣溶膠產(chǎn)品中的單次散射反照率.MODIS L2氣溶膠產(chǎn)品是從 NASA的 LADSWEB數(shù)據(jù)中心獲得.MODIS分別裝載在1999年12月18日和2002年5月4日發(fā)射的Terra和Aqua衛(wèi)星上,它們是地球觀測系統(tǒng)衛(wèi)星的一部分.Terra和Aqua衛(wèi)星是太陽同步極軌衛(wèi)星,軌道高度為距地球705km.Terra衛(wèi)星每天上午(10：30AM)從北向南通過赤道,Aqua衛(wèi)星每天下午(1：30PM)從南向北通過赤道.1～2d可覆蓋地球表面1次.MODIS傳感器的空間分辨率為 250,500,1000m,掃描寬度為 2330km.總共有 36個光譜波段,從可見光(0.4μm)到熱紅外(14.4μm)光譜波段.本研究運(yùn)用的 MODIS氣溶膠產(chǎn)品的時間從 2000年 2月～2011年12月.存儲格式為HDF數(shù)據(jù)格式,空間分辨率為經(jīng)度(10km)×緯度(10km).

臭氧層觀測儀(OMI)裝載在2004年7月15日發(fā)射的 Aura衛(wèi)星上,它和 Terra衛(wèi)星及 Aqua衛(wèi)星等組成地球觀測系列衛(wèi)星,Aura衛(wèi)星的軌道高度700km.OMI傳感器觀測大氣和地表的后向散射輻射,傳感器波長范圍為270～500nm,波譜分辨率為 0.5nm.傳感器視場角為114°,條帶寬度為2600km.具有高時間分辨率,覆蓋全球只用 1d.該傳感器主要監(jiān)測大氣中的臭氧柱濃度和廓線、氣溶膠、云、表面紫外輻射,還有其他的痕量氣體,如 NO2、SO2、HCHO、BrO、OClO 等.本研究利用的 OMI傳感器反演的氣溶膠產(chǎn)品為OMAERO,用于提取數(shù)據(jù)集里的氣溶膠單次散射反照率.數(shù)據(jù)格式為HDF-EOS(.he5),空間分辨率為 13km×24km,時間為 2004年 10月到 2011年12月.

首先,利用MATLAB讀取HDF和HDF-EOS數(shù)據(jù),然后處理成 ArcGIS可以讀寫的 Shapefile文件格式.為了方便數(shù)據(jù)處理和分析,在時間變化,通過計算區(qū)域平均值來分析氣溶膠的變化特征.空間上,對多年的數(shù)據(jù)求平均值,分析該地區(qū)的空間分布特征.

1.3 研究區(qū)

選取長江三角洲(YRD)為研究區(qū),中心地理經(jīng)緯度分別為120.5°E和30.5°N.該地區(qū)是長江和錢塘江在入海處沖積成的三角洲,面積大約為 99600km2.長江三角洲屬于亞熱帶季風(fēng)氣候.夏季高溫多雨,雨熱同期,冬季寒冷干燥,春季雨量最充沛.最冷月均溫 2～4℃,最熱月均溫27～ 28℃,年降水量 1000～1400mm. 植被主要屬于亞熱帶常綠闊葉林.長江三角洲是世界經(jīng)濟(jì)增長和城市化進(jìn)程最快的地區(qū)之一.主要由蘇浙滬毗鄰的 16個市組成的都市群,包括上海市,江蘇省的南京、蘇州、無錫、常州、鎮(zhèn)江、南通、揚(yáng)州、泰州,浙江省的杭州、寧波、湖州、嘉興、紹興、舟山和臺州.人口為 10763.31萬(2010人口普查).

2 結(jié)果與討論

2.1 氣溶膠光學(xué)特性和地表反照率

氣溶膠輻射強(qiáng)迫遙感估算運(yùn)用到的主要參數(shù)包括700nm處的氣溶膠光學(xué)厚度(AOT700)、短波地表反照率(SAShortwave)和 700nm 處的單次散射反照率(SSA700).由于這些輸入數(shù)據(jù)的空間分辨率各不相同,AOT為 10km×10km,地表反照率為1km×1km,單次散射反照率為13km×24km.并且每個月的月平均AOT數(shù)據(jù)在空間上有些數(shù)據(jù)缺失,因此,對不同的數(shù)據(jù)源柵格化到 10km×10km 相同的空間分辨率,柵格化過程中利用基于三角網(wǎng)3次方插值的方法進(jìn)行插值.圖1和圖2分別為2000～2011年700nm處的區(qū)域月平均氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)和單次散射反照率(SSA)的時間序列變化.從長時間尺度上看,區(qū)域月平均AOT700沒有明顯的增長趨勢.區(qū)域月平均AOT700值的波動范圍在 0.3～0.9之間.區(qū)域月平均AOT700且呈現(xiàn)明顯的周期性變化,利用正弦曲線時行擬合,R為0.67.氣溶膠特性隨著季節(jié)的變化而變化, AOT700的最大和最小值分別為出現(xiàn)在 6月和 12月,大約為 0.71±0.07和 0.39±0.05.由于SSA700在時間序列上呈現(xiàn)明顯的周期變化,而且波動較小,利用正弦曲線時行擬合,R為0.88.,因此,2000～2011之間每年的 SSA700用多年月平均進(jìn)行計算.在 5～10月,區(qū)域平均SSA700的值大約為 0.96;在 11～4月,大約為 0.89.圖 3為 2000～2011年短波處區(qū)域月平均地表反照率(SAShortwave)的時間序列變化.區(qū)域月平均 SAShortwave在 0.10～0.15之間波動,變化特征與 AOT相似,呈現(xiàn)明顯的周期性變化,正弦曲線擬合的R為0.67.

2.2 大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫

2.2.1 時間變化 圖 4為2000～2011年700nm處的區(qū)域月平均AOT和大氣頂輻射強(qiáng)迫的時間序列變化趨勢.右圖為AOT700及其輻射強(qiáng)迫的線性回歸分析.線性回歸方程為 ARFSatellite=91.24AOT700+15.15,相關(guān)系數(shù)(R)和根均方差(RMSE)分別為0.89和5.50,N=143,表明二者間存在明顯的線性相關(guān)關(guān)系,但是由于大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫受到其他因素的影響,如地表反照率、云量比例等,使得AOT700和大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫的線性回歸出現(xiàn)一定的偏差.AOT700和輻射強(qiáng)迫呈現(xiàn)明顯的周期性變化,區(qū)域月平均輻射強(qiáng)迫變化范圍大約在-10～-70W/m2之間,最大值出現(xiàn)在 2008年 6月,大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫大約為-69.56W/m2,對應(yīng)的 AOT700為 0.87.圖 5 為2000～2011年區(qū)域平均 AOT700和大氣頂輻射強(qiáng)迫的季節(jié)變化.圖中誤差線為相同月份或相同季度的標(biāo)準(zhǔn)差,說明相同月份或相同季度的AOT700和大氣頂輻射強(qiáng)迫的波動情況.

圖1 2000～2011區(qū)域月平均氣溶膠光學(xué)厚度(AOT700)的時間序列變化Fig.1 Temporal serial variation of regional monthly mean aerosol optical thickness (AOT700) from 2000～2011

圖2 2000～2011區(qū)域月平均單次散射反照率(SSA700)的時間序列變化Fig.2 Temporal serial variation of regional monthly mean single scatter albedo (SSA700) from 2000～2011

圖3 2000～2011年區(qū)域月平均短波地表反照率(SAShortwave)的時間序列變化Fig.3 Temporal serial variation of regional monthly mean surface albedo at shortwave (SAShortwave) from 2000～2011

從圖 4可以看出,一年中最大的氣溶膠輻射強(qiáng)迫和AOT一樣出現(xiàn)在6月,最小值出現(xiàn)在12月,大約分別為(-53.97±6.14)和(-16.41±2.10)W/m2.這主要是由于氣溶膠的排放特征決定的,在 6月人為排放的氣溶膠最大.然而最大的波動出現(xiàn)在 5月.4月的AOT700比5月的大,分別為0.66±0.05和0.62±0.11,但是氣溶膠輻射強(qiáng)迫呈現(xiàn)相反的特征,分別為(-42.40±3.16)和(-48.31±8.85)W/m2.原因可能是：進(jìn)入 5月后太陽輻射效應(yīng)增強(qiáng),氣溶膠對太陽輻射的消減作用也隨之增大,而且 5月的大氣相對濕度較大,在4月,氣溶膠粒子的輻射效應(yīng)較5月弱.這樣使得較大的AOT出現(xiàn)較小的輻射強(qiáng)迫.

圖4 氣溶膠光學(xué)厚度及其輻射強(qiáng)迫的時間序列變化和回歸分析Fig.4 Temporal serial variations of regional monthly AOT and aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere from 2000～2011, and linear regression analysis

圖5 2000～2011年大氣頂氣溶膠光學(xué)厚度及其輻射強(qiáng)迫的季節(jié)變化Fig.5 Seansons variations of AOT and aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere from 2000～2011

4個季節(jié)的大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫大小依次 是 ：夏 季 (-44.30±9.09W/m2)＞ 春 季 (-42.00±7.83W/m2)＞ 秋 季 (-28.02±6.32W/m2)＞ 冬 季(-20.40±5.00W/m2).田華等[31]認(rèn)為中國中東部地區(qū)硫酸鹽氣溶膠的直接輻射強(qiáng)迫春季最大,為-34.53W/m2;夏季次之,為-22.76W/m2;冬季再次,為-22.57W/m2;秋季最小,為-20W/m2.產(chǎn)生這個差異的原因主要有兩個方面：第一,本研究的氣溶膠輻射強(qiáng)迫包括所有的氣溶膠粒子,產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫比硫酸鹽氣溶膠大;第二,本研究的長江三角洲區(qū)域是中東部氣溶膠濃度分布最高的區(qū)域,因此產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫較中東部的平均值大,所以從數(shù)值上來看,本研究的結(jié)果是可靠的,另外在季節(jié)上表現(xiàn)不一致,這可能受不同季節(jié)氣溶膠粒子的時空變化的影響產(chǎn)生的.

2.2.2 空間分布 圖6和圖7分別為2000～2011年多年月平均和年平均大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫的時空變化.表1為2000～2011年多年月平均和年平均大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫的統(tǒng)計結(jié)果.表中的標(biāo)準(zhǔn)差是根據(jù)多年月平均和年平均的區(qū)域每個像元的值計算的.標(biāo)準(zhǔn)差越大,整個區(qū)域數(shù)值的離散度就越高,說明空間分布的差異越大,反之亦然.

由于氣溶膠輻射強(qiáng)迫和AOT呈強(qiáng)的正相關(guān),因此空間分布特性與AOT相似.從圖6可以看出,氣溶膠輻射強(qiáng)迫空間分布差異明顯,從 2000～2011年多年月平均的結(jié)果來看,在南部地區(qū),一年12個月的氣溶膠輻射強(qiáng)迫變化較小,變化范圍在 0～-30W/m2.在北部地區(qū),一年 12個月的氣溶膠輻射強(qiáng)迫變化較大,變化范圍在-15～-70W/m2.特別在6月,空間差異最明顯,在太湖沿岸的城市地區(qū),如上海、杭州.氣溶膠輻射強(qiáng)迫達(dá)-70W/m2,而在千島湖地區(qū)氣溶膠輻射強(qiáng)迫大約為-10W/m2.在 12月,空間差異最小,北部地區(qū)大約為-20W/m2;南部地區(qū)大約為-10W/m2.氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫具有明顯的季節(jié)變化和空間分布差異的特征主要是由人為氣溶膠排放的季節(jié)變化和空間分布分布決定的.

從圖 7可以看出,氣溶膠輻射強(qiáng)迫在空間上主要呈現(xiàn)兩種分布特征,北部的主要以城市為主的地區(qū)和南部主要以植被覆蓋的地區(qū).在北部城市地區(qū),年平均氣溶膠輻射強(qiáng)迫的空間變化比較明顯,變化范圍大約為-25～-60W/m2之間;而在南部森林覆蓋較高的地區(qū),氣溶膠輻射強(qiáng)迫的變化范圍大約為-10～-25W/m2,這主要是北部的人為活動較為強(qiáng)烈,排放的氣溶膠空間差異明顯.然而南部地區(qū)森林覆蓋較高,人為排放的氣溶膠較少,而且氣溶膠特性差異較小,使得其輻射強(qiáng)迫在南部地區(qū)空間差異較小.從年尺度變化上看,大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫沒有明顯的增大趨勢.2000～2011年中較大的氣溶膠輻射強(qiáng)迫是2002、2007和 2011,分 別 大 約 為(-37.86±13.58)、(-37.03±13.05)和(-37.97±13.60)W/m2.

圖6 2000～2011年多年月平均氣溶膠輻射強(qiáng)迫的時空變化Fig.6 Temporal-spatial variation of multi-year monthly mean aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere from 2000～2011

圖7 2000～2011 年年平均氣溶膠輻射強(qiáng)迫的時空變化Fig.7 Temporal-spatial variation of yearly mean aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere from 2000～2011

表1 多年月平均和年平均大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical results of multi-year monthly and yearly mean aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere

3 結(jié)論

3.1 大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫和氣溶膠光學(xué)厚度(AOT)存在明顯的線性相關(guān)關(guān)系.回歸方程為ARFSatellite=91.24AOT700+15.15,R和RMSE分別為0.89和5.50.氣溶膠輻射強(qiáng)迫呈現(xiàn)明顯的周期性變化,區(qū)域月平均輻射強(qiáng)迫變化范圍大約在-10～-70W/m2之間,最大值出現(xiàn)在 2008年 6月,大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫大約為-69.56W/m2,對應(yīng)的AOT700為0.87.

3.2 大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫具有明顯的季節(jié)變化和空間分布差異的特征,一年中最大的氣溶膠輻射強(qiáng)迫和AOT一樣出現(xiàn)在6月,最小值出現(xiàn)在12 月 ,大 約 分 別 為 (-53.97±6.14)和 (-16.41±2.10)W/m2.然而最大的波動出現(xiàn)在5月.4個季節(jié)的大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫的大小依次是：夏季(-44.30±9.09W/m2)＞春季(-42.00±7.83W/m2)＞秋季(-28.02±6.32W/m2)＞冬季(-20.40±5.00W/m2).從多年月平均的結(jié)果來看,在南部地區(qū),一年中12個月的氣溶膠輻射強(qiáng)迫變化較小,變化范圍在0～-30W/m2之間.在北部地區(qū),一年中氣溶膠輻射強(qiáng)迫變化較大,變化范圍在-15～-70W/m2之間.特別在 6月,空間差異最明顯,在太湖沿岸的城市,如上海、杭州,氣溶膠輻射強(qiáng)迫達(dá)-70W/m2,而在千島湖地區(qū),氣溶膠輻射強(qiáng)迫大約為-10W/m2.在12月,空間差異最小,北部地區(qū)大約為-20W/m2;南部地區(qū)大約為-10W/m2.

3.3 大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫在空間上主要呈現(xiàn)兩種分布特征,北部的主要以城市為主的地區(qū)和南部主要以植被覆蓋的地區(qū).在北部城市地區(qū),年平均氣溶膠輻射強(qiáng)迫的空間變化比較明顯,變化范圍大約為-25～-60W/m2之間;而在南部森林覆蓋較高的地區(qū),氣溶膠輻射強(qiáng)迫的變化范圍大約為-10～-25W/m2之間.從年尺度變化上看,大氣頂氣溶膠輻射強(qiáng)迫與AOT700相似,沒有明顯的增大趨勢.

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致謝：本研究MODIS和OMI數(shù)據(jù)來自美國戈達(dá)地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心(Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center),在此表示感謝.