论文总字数：15106字

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

1 引言 1

2 研究区域与数据 3

3 结果分析 4

3.1气溶胶光学厚度的分析 4

3.1.1月平均和变化 4

3.1.2季节平均和变化 7

3.1.3年平均和变化 9

3.2 细粒子比的分析 11

3.2.1月平均和变化 11

3.2.2 季节平均和变化 13

3.2.3 年平均及变化 14

3.3气象因子对气溶胶时空分布的影响 17

4结论 20

参考文献 21

致谢 23

华东地区气溶胶时空分布特征研究

徐雪兴

, china

ABSTRACT: East china area is the most developed economic region of china, meanwhile,the haze weather frequently occurred in recent years .These environmental issues have threatened seriously people’s health and environment quality. Aerosol is a key factor which contributes to haze weather. Based on Terra and Aqua MODIS _C005 aerosol product from 2000 April to 2015 December,Spatial-temporal distribution characters of aerosol optical depth and fine mode fraction in east china were analyzed . The result shows that: (1)From the point of view of spatial distribution, the aerosol optical thickness and the fine particles are closely related to the topography. The optical thickness of the high value areas are mainly distributed in the low-lying plain of North China, Yangtze River Delta and the Poyang Lake plain area, while the low value areas are located in the higher terrain of Shandong mountains of South Central, mountainous areas in the south of Anhui Province, Dabie Mountain Area and Fujian Province. Aerosol fine mode fraction exhibits the characteristics of the North South high-low, the FMF in the north area of Yangtze River was lower while the south area of Yangtze River are higher throughout the year ; The FMF of Yangtze River Delta and the area of Poyang Lake is low, which may related to local human activities. (2)From the point of view of seasonal variation,the seasonal variation of aerosol optical thickness and fine particles are obvious. AOD is high during spring and summer while the (0.64) gt; autumn (0.48) gt; winter (0.46). The fine mode fraction is lower in winter and spring while summer and autumn is higher; The size relation of FMF in four seasons is summer (0.62) gt; autumn (0.48) gt; winter (0.28) gt; spring (0.27). (3) From the point of view of year changes, the recent 16 years AOD values varied between 0.47-0.64 and the average AOD value is 0.57 in recent 16 years .meanwhile, the average growth rate is - 1.0%, the weaken trend is obvious since 2008; the FMF showed fluctuation characteristics in 4 years period and average value of whole area is 0.42;Average growth rate of 16 years is - 1.8%, showing a weak decreasing trend.

KEY WORDS: east china area AOD FMF spatial and temporal distribution

1 引言

大气气溶胶通常是指悬浮在大气中直径小于10μm的液态或固态的微小粒子，是大气中重要的成分之一[^[1]]。。其主要有自然源和人为源两大来源，其中自然源主要有沙尘、土壤粒子，火山爆发，海盐气溶胶等；人为气溶胶来源主要有燃烧过程、工农业生产、交通污染等[^[2]]。气溶胶的化学成分不仅有各类氧化物、微量元素，还有各类可溶性盐等[^[3]]。气溶胶不仅与空气污染、人类健康有关，也对地球辐射收支平衡和全球气候变化产生重大影响，它一方面可以通过对太阳辐射吸收和散射作用，使地面的获得的短波辐射能量减少;也可通过吸收作用向外辐射能量,加热其所在气层，从而影响地球的辐射平衡，产生直接辐射强迫气候效应[^[4]]。另一方面,气溶胶粒子又可以作为云的凝结核,参与到云雾形成过程中,大量气溶胶粒子的吸湿增长还可以导致云滴尺度减小,云的生命期延长,云的数量增加,从而影响降水量和水循环,产生间接辐射强迫气候效应[^[5]]。除此之外，气溶胶更直接更明显地对天气状况产生影响，使大气变得浑浊不清，降低能见度[^[6]]，增加雾霾天气出现地频率，增加成云致雨的几率和改变环境温度。对气溶胶的研究，无论对大气科学还是对环境医学或者生态学等学科来说，都有重要意义。

我国华东地区由于经济发展水平高、人口众多，由此造成的城市交通污染、工业排放污染和生态环境破坏,使得本地区空气质量下降，雾霾天气十分频繁，已经引起该区域的环境问题和并可能产生气候变化，而气溶胶是产生雾霾的关键性因子，对于气溶胶的研究不仅利于改善区域空气质量，还能够切实提升人民群众的辛福感。然而气溶胶来源的复杂性和影响因子的不确定性给本地区的气溶胶研究工作带来不小的困难和阻力，因此，搞清华东地区气溶胶的时空分布的历史规律，不仅可以科学准确地了解和掌握华东地区气溶胶光学厚度的时空分布特征，而且为本地区的污染防治，气候变化预警等提供新的思路及帮助。

大气气溶胶一直是全球大气监测和研究的重点，对此国内外学者对此进行很多的研究。我国早期研究气溶胶的学者主要采用直接采样分析的方法，如地面采样、飞机采样[^[7]]、轮船采样[^[8]]和探空气球采样。游荣高[^[9]]等在大气物理研究所325 m的铁塔上的各个高度安置光学粒子计数器以收集气溶胶粒子,借此研究了0-300m高度范围内气溶胶尺度谱的垂直分布特征并由拟合得到气溶胶标高。在1993年和1994年8~9月，许黎[^[10]]等在河北香河地区利用探空气球直接采集的样品,分析了对流层和平流层大气中气溶胶粒子的形态及化学组成。由于特定的历史条件，他们的研究主要集中在研究组成气溶胶粒子的化学组成、物理特征和谱分布。很明显早期的直接采样方法迫于人力物力的有限，一般只适用于小范围内的短时间研究，很难应用到长时间大范围的研究之中。

随着时代发展，越来越多的大气地基监测站点建立起来，这些地基站点配备了诸多能够遥感大气气溶胶的设备仪器，如太阳直接辐射的宽带分光辐射计、多波段光度计、全波段太阳直接辐射计、华盖计以及激光雷达等[^[11]]。同时，一些气溶胶观测网也在全球逐渐布设气溶胶观测仪器，如美国NASA全球气溶胶监测网（AERONET）、日本气溶胶/辐射观测网（SKYNET）以及中国太阳分光观测网（CSHNET）等，提供对气溶胶长期连续的地基观测数据。其中AERONET（Aerosol Robotic Network）是由NASA在全球范围180多个站点布设太阳光度计，并与其他气溶胶观测网络和科研机构联盟而形成的地基气溶胶监测网，其数据准确度高常被用于其他气溶胶产品的验证和研究[^[12]]。Holben[^[13]] 等将AERONET站点的数据代表该站点周围一片区域的数据，分析了这些站点代表的区域内气溶胶光学厚度、Angstrom波长指数的季节变化特征。张志薇[^[14]]等利用AERONET观测资料，借助平面平行辐射传输模式，计算兰州大学半干旱气候与环境观测站、香河站和太湖站多年晴空条件下的气溶胶直接辐射强迫。齐玉磊[^[15]]等将我国北方4个AERONET站点气溶胶光学厚度的资料与MODIS和MISR产品对比，分析它们的适用性与误差，同时发现北方地区光学厚度最大值常年出现在塔克拉玛干沙漠地区，但是其量值随季节变化明显。罗云峰[^[16]]等利用1961-1990年全国47个甲种太阳辐射站的资料反演了近30年750nm的光学厚度平均值，发现西南地区东部、长江中下游地区、青藏高原光学厚度增加明显，而新疆西部和云南部分地区减少明显。以上都是根据太阳辐射站资料的研究成果,且主要得到的是整层气溶胶水平面上的信息，而想要研究气溶胶垂直分布特征就得借助激光雷达。周碧[^[17]]等利用2007年1～4月兰州大学半干旱气候与环境观测站激光雷达资料,反演了晴空无云典型日和沙尘过程大气气溶胶消光系数和光学厚度。以上学者利用地基遥感手段主要研究了气溶胶光学特征的时空分布和变化，虽然可以得到准确地气溶胶信息，但是迫于地基站点的有限或者存在以一个站点的数据代表一个区域的这种限制，不能用来研究大范围气溶胶光学特性。

随着科学技术的快速发展，对气溶胶的研究不仅仅局限于上述的研究手段，卫星遥感手段的出现弥补了地基遥感的不足，特别是在人迹罕至的山区和广阔无垠的海洋地区更能显示出其不可替代的优越性，与此同时对气溶胶的研究范围也进一步扩大了。当前主流的卫星遥感气溶胶手段是借助美国国家航空局Terra和Aqua卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪传感器（MODIS)的遥感数据及产品,这种新一代“图谱合一”的光学遥感仪器已经被广泛应用在各个学术研究领域[^[18]][^[19]]。Ramachandrall s[^[20]] 利用MODIS数据对印度四个城市地区2000-2005年的气溶胶光学厚度（AOD)和细粒子比(FMF)的年、月变化特征进行研究。Jing li [^[21]]等应用组合最大方差分析法（Combined Maximum variance Analysis）结合MODIS和MISR月平均数据对美国大范围的AOD与PM2.5进行比对，并借此研究了美国不同区域AOD年际变化特征。李成才[^[22]]等利用MODIS气溶胶光学厚度产品,分析了四川盆地气溶胶的空间分布和季节性变化。邓学良[^[23]]等利用2002年2月-2008年12月MODIS产品，对华东地区气溶胶光学厚度进行研究，结果发现华东区域的气溶胶光学厚度存在明显的时空分布特征。从时间分布来看春夏两季大，秋冬两季小，随季节变化明显。从空间分布来看,地形对气溶胶光学厚度的影响很大，其高值区主要分布在平原地区,而低值区主要在海拔较高的山区。周寅[^[24]]等利用MODIS气溶胶产品数据分析2000年以来长江三角洲地区气溶胶光学厚度的时空变化,其年平均值为0.65,四个季节AOD大小关系为夏季(0.78)gt;春季（0.75)gt;秋季（0.55）gt;冬季（0.51）。空间上,AOD大体以上海和杭州湾为中心,向周边递减分布,AOD高值带多分布在南通沿海带、苏州-上海一带和杭州湾南部地区,表现为上海gt;江苏gt;浙江。

2 研究区域与数据

选取我国华东地区为研究区域，包括六省一市（山东、江苏、浙江、安徽、福建、江西、上海市）。华东地区自然环境条件优越,物产资源丰富，人文底蕴丰厚，工业、农业、服务业、教育业发展水平很高，交通方便发达，是中国经济文化最发达和综合技术水平最高的地区之一[^[25]]。本文研究区域为华东区域（115-122°E,26-38°N），华东地区地形（图1）以平原、盆地、丘陵为主。本文采用 NASA的MODIS网站(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/)发布的MODIS Level 3 、550nm波段的气溶胶月平均数据产品，分辨率为1°× 1°，时间从 2000 年4月到 2015年12月,包括550nm处的气溶胶光学厚度（AOD）和细粒子比例（FMF）的月平均产品，此外，分析气象因子对气溶胶的影响所用到的再分析资料来自era-interim。季节划分上采用3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12-来年2月为冬季。

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