利用MODIS气溶胶产品研究亚洲季风对气溶胶传输及其分布的影响

利用MODIS气溶胶产品研究亚洲季风对气溶胶传输及其分
布的影响
姚锦烽;王盘兴;李双林
【摘要】利用NASA Terra和Aqua卫星MODIS气溶胶卫星产品,统计了亚洲地区气溶胶光学厚度的空间和季节变化特点,发现东亚与南亚两气溶胶光学厚度高值区年际变化类似,季节变化有所不同.同时结合季风区气候条件,分析亚洲季风对气溶胶分布传输的影响,认为南亚气溶胶光学厚度大值区主要是由于南亚季风和高原地形综合作用形成,东亚地区主要是以当地人类活动产生的气溶胶为主,夏季会受到南亚地区气溶胶输送的影响.光学厚度大值区会随着强季风移动.
【期刊名称】《内蒙古气象》
【年(卷),期】2011(000)002
【总页数】6页(P35-39,42)
【关键词】MODIS;气溶胶;光学厚度;亚洲季风
【作者】姚锦烽;王盘兴;李双林
【作者单位】南京信息工程大学大气科学学院,江苏,南京,210044;南京信息工程大学大气科学学院,江苏,南京,210044;中国科学院大气物理研究所,竺可桢-南森国际研究中心,北京,100029
【正文语种】中文
【中图分类】P49
引言
气溶胶粒子是指悬浮在大气中的直径10-3～10μm的固体或液体粒子。

大气中的
气溶胶粒子的自然来源主要是海洋、土壤和生物圈以及火山等。

工业革命后,由于
工业活动的发展向大气中排放了大量的污染性气体和气溶胶粒子。

这些气溶胶粒子增加除了对大气环境造成破坏以外，还会直接影响大气水循环和辐射平衡,从而引
起气候变化[1-2]。

自20世纪70年代以来，气溶胶的气候效应逐渐受到重视。

IPCC第四次报告中提到导致全球变冷的主要因子是大气气溶胶。

除黑碳气溶胶可
产生0.110（±0.110）W/m2的辐射强迫外,绝大部分气溶胶粒子(包括硫酸盐、硝酸盐以及矿物沙尘等)总的直接辐射强迫和间接辐射强迫(仅包括云反照率效应)分
别为-0.150（±0.140）W/m2和-0.170（-1.11,+0.14）W/m2,二者总计达到-
1.12W/m2,已经接近工业革命以来大气主要温室气体二氧化碳所产生的1.166
W/m2气候变化辐射强迫[3]。

但是,大气气溶胶的气候效应比温室气体复杂得多,气溶胶对辐射的影响取决于其分布、其自身的物理化学性质(包括粒子尺度、谱分布、化学成分等)以及下垫面的光学性质,而这些因子都有极大的时间和空间变率,这给模式计算带来很大困难。

到目前为止,还没有好的模式来准确计算气溶胶的气候效应。

气溶胶的气候效应,仍然是人类活动引起的气候变化预测中最不确定的一个因素。

因此，气溶胶粒子对环境与气候影响的研究在很大程度上依赖于对其时空分布和光学特性的准确计算。

由于全球范围大气气溶胶的观测资料缺少，无法得到其时空分布的详细特征。

就目前来说，地基观测和卫星遥感是获取气溶胶特性的重要观测手段。

特别是1999年12月和2002年5月搭载新一代辐射传感器的Terra和
Aqua卫星相继发射升空后,携带的中分辨率成像光谱仪 (MODIS)与以往类似星载
辐射计相比,在仪器定标、空间分辨率、光谱分辨率等方面都有很大改进,从而可以
提供质量更高、空间覆盖更广的气溶胶卫星遥感产品。

这些产品是开展气溶胶特
性和辐射强迫、大尺度污染输送、区域空气质量预报等研究的重要资料来源。

这些观测资料一方面促进了对气溶胶物理、化学和辐射特性的认识,同时也是气溶胶模
式参数化不可缺少的基础数据。

本文利用NASA提供的MODIS气溶胶光学厚度
产品，统计分析了2000—2008年亚洲地区气溶胶光学厚度的季节分布以及讨论
了季风区大气环流对气溶胶传输及其分布的影响。

1 资料介绍
在表征大气气溶胶的参量中，光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）是其中很重要的物理量之一，是推算气溶胶含量，评价大气环境污染程度，研究气溶胶气候影响的一个最关键的因子。

本文所利用的主要资料就是NASA建立的MODIS
资料业务处理系统提供的分辨率为10km的气溶胶光学厚度产品(以下简称MODIS/AOD)。

2002年,NASA利用全球气溶胶监测网络(AERONET)资料对MODIS/AOD质量进行了初步评估,结果表明:MODIS/AOD已达到设计精度,即误
差在±0.05～±0.20τ以内 [3];毛节泰、李成才等[5～7]利用北京和香港地区地基
太阳光度计资料评估了两地MODIS/AOD,指出NASA/MODIS气溶胶产品在中国东部具备一定的精度，在植被密集的华南地区误差较小，而在北京这样的城市地区，由于地表植被在冬、春季节稀疏，以及受沙尘的影响,有20%的时间误差达到40%，总的来看MODIS/AOD的精度满足气候和环境研究的要求，且具有较高的空间分辨率和较大的时间覆盖，具有从前任何数据源所无法比拟的优势。

使用的风场资料为NCEP 1948—2009年月平均再分析资料 ,降水资料用的是已经被广泛应用的全球降水气候计划(GPCP)第2版综合性降水资料。

需要指出的是,文中所讨论的季节，均按照3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月到年2月为冬季划分。

东亚区域范围是指20～50°N,100～130°E，南亚区为10～40°N,60～100°E。

2 资料分析
我们利用2000年1月至2008年12月NASA的MODIS/AOD资料，统计了亚
洲地区的气溶胶光学厚度的分布特征和季节变化，分析区域为60～150°E，0～60°N。

图1a中陆地白色区域为整年未获得数据的区域。

从图中来看，亚洲区域
气溶胶光学厚度分布有很大的地域特点，最主要的两个高值区，分别位于我国的中东部和印度半岛的南部。

其中，东亚区域的高值区主要是在我国的华北平原、长江中下游平原、东南沿海地区以及四川盆地，这些地区均属于低海拔地区。

印度半岛的高值区主要分布在高原南侧恒河平原，随青藏高原形成一个东西向条状分布。

文中将东亚（20～50°N,100～130°E）和南亚（10～40°N,60～100°E）两个高值区分别做了区域平均，画出了2000—2008年MODIS/AOD的月平均时间序列（图1b），发现两个高值区光学厚度相关系数达到了0.46，通过了0.01的信度检验，由此认为东亚和南亚区域气溶胶光学厚度年际变化非常相似，这可能由于两区域纬度相差较小，工业化水平比较接近，因此排放源较为类似。

图1b中我们也发现，两高值区AOD有明显的季节变化，东亚区域一般在春季光
学厚度最大，夏季开始减小，秋季达到最小，然后冬季开始变大。

这与李成才[7]，罗云峰[8]等的结果类似。

而南亚地区AOD季节变化滞后于东亚地区，一般在夏
季时达到最大，然后在7，8月份开始迅速回落，秋季达到最低值，冬季开始上升。

为了更好的看到两区域的季节变化，我们分别将两区域的季节平均的时间序列（图2 a，2b）和纬度与季节刨面图（图3a，3b）。

从图中不难发现，东亚区域AOD 季节差异非常明显，春季光学厚度最大，冬季次之，秋季最小。

而南亚区域春夏两季季节差异较小，平均值远远大于冬季与秋季。

从图2a，2b中来看，东亚区域气溶胶分布相对集中，主要分布在30～40°N内，而且大值主要就是出现在春季，
到6月后，AOD明显减小。

而南亚区域气溶胶主要集中在恒河平原，30～45°N
间的高值区可能是由于塔克拉玛干沙漠的沙尘形成的。

南亚地区的AOD在春夏季分布非常集中，从3月开始升高，一直持续到8月，其余时间AOD数值较小。

这
与东亚地区还是有很大的差异，在纬度差异较小，排放源类似的情况下为何产生这样的差异，让我们不由想到了两地不同的地形和气候条件。

因此下面我们分析了东亚和南亚地区4～8月季风气候对两地气溶胶光学厚度产生的影响。

东亚和南亚区域都处于显著的季风区，季风气候对两地的AOD分布必定会产生一定的影响。

1987年，陶诗言和陈隆勋(陶)综合中国和印度学者以前的结果，提出
了一张亚洲夏季风爆发日期分布图（图略）。

依据该文章的结果，南海是夏季风爆发最早地区。

随后，很多学者也对季风爆发时间做了进一步研究，一致提出中南半岛雨季开始最早，但是各人提出的中南半岛雨季开始的日期也各不相同。

因此我们从4月开始到8月，画出了后一个月与前一个月的850hPa风场、降水以及AOD 差异，来看夏季风气候会对AOD分布产生怎样的影响。

从图4中，不难看出，4—5月，南海夏季风爆发，南亚地区西南季风开始加强，虽然印度半岛降水略微
增多，但气溶胶光学厚度仍然在继续加大；而东亚区域气溶胶主要还是集中在长江中下游和华东沿海地区，华南由于南海季风的爆发，降水增多，AOD开始减小。

6月期间，热带季风在南海季风爆发后雨带由赤道附近北跳到10～15°N，热带季风雨季开始，印度半岛降水非常集中。

南亚区域AOD并没有在大雨的影响下减小，反而持续增大，这可能是遇有南亚区域西南风持续加强，不断输送来之非洲的气溶胶有关。

而东亚区域，雨带开始从华南北移，西南风变强，在这两个条件的综合影响下，AOD在雨带内迅速降低，长江中下游平原、华中平原和华东沿海地区
AOD都比5月有显著减小。

7月，印度半岛降水也开始北移，降水主要集中在了
印度北边的恒河平原，印度南部降水相比6月开始减少，西风持续加强，南风开
始减弱，AOD开始迅速减小，原来高原南侧的大值区减小最为显著，中心能达到
0.4左右。

而东亚区域雨带继续北上到了华北地区，华北地区AOD有了显著降低。

华南、长江中下游区域降水减少，同时南亚有部分气溶胶在西风的影响下向我国南部开始输送，这些区域AOD开始上升。

8月，南亚区域西南风减弱，降水继续维持，AOD持续降低；东亚区域雨带已经南移，季风降水主要还是集中华中、华北
地区，除了四川盆地外，内陆地区AOD持续减小，到达全年低值。

图4 4—8月，逐月AOD（阴影）,850hPa风场（矢量）和降水场（曲线）的差
异场合成
根据王会军等[13]提出的东亚冬夏季风指数概念，定义东亚局部区域（夏季110～125°E、20～40°N，冬季 115～145°E、25～50°N）平均风速相对于气候态的异常作为刻画东亚季风强度的指数。

将指数大于0.5的定义为强季风年，小于-0.5的为弱季风年。

因此，强冬季风年包括2003、2008年；弱冬季风年包括2000、2007年；强夏季风年包括 2003、2005、2006、2007、2008年；弱夏季风年包括 2000、2002、2004年(见图5)。

我们利用合成分析的方法，将强季
风年减去弱季风年，发现强夏季风年，我国大部分区域有明显的西南风的增量，特别是在东部沿海地区，南风增量显著。

此时，AOD主要集中在华中、华北平原和东北平原，同时近海洋面上光学厚度也有所增加，而华南地区和中南半岛AOD较常年有所减小。

这与强季风年西南风增大，将气溶胶向北方输送有关。

而在强冬季风年，我国北方区域主要出现了东北风的增量，AOD也随之较常年减小，而我国华南区域AOD则显著增加（图6）。

因此我们不难发现，东亚季风对东亚区域光学厚度分布有显著的影响。

图5 2000-2008年东亚季风指数
图6 强季风年减去弱季风年的合成分析（阴影部分为MODIS/AOD，矢量是
850hPa风场）
3 结论
本文主要分析了亚洲区域AOD季节分布，以及季风区大气环流对AOD分布的影响，主要得出以下结论：东亚和南亚区域气溶胶光学厚度都是春季最大，不同的是东亚区域夏季AOD最小，而南亚区域AOD一般在7月左右达到最大值，然后8月开始迅速回落。

东亚区域AOD主要受东亚季风影响，AOD高值区会随强季风而移动。

在强夏季风年，AOD大值区偏北；强冬季风年，AOD大值区偏南。

而南亚区域AOD大值区主要是由于季风和高原地形的共同作用而形成。

春末夏初是AOD受雨带影响不大，在西南季风的输送下，大值区AOD不断增加。

直至8月左右，南亚区域西南风减弱，气溶胶输送减少，同时印度雨季爆发，在此双重作用下，南亚大值区AOD迅速减小。

参考文献:
【相关文献】
[1]Charlson R J,Langner J,Rodhe H,et al.Perturbation of the Northern hemisphere radiative balance by backscattering from an thrpogenic aerosol[J].Tellus,1991，43，152-163. [2]Kiehl J T,Briegleb B P.The relative roles of sulfate aerosols and greenhouse gases in climate forcing[J].Science,1993，26，311-314.
[3]IPCC.Climate Change 2007:The Physical Science Basis.Working Group I Contribution to t he Intergovernmental Pan2el on Climate Change Fourt h Assessment Report.Solomon S,Qing D H,et al.Eds.,Cambridge University Press,Cambridge,United Kingdom and New York,NY,USA,2007.
[4]Chu D A,Kaufman Y J,Ichoku C,et al.Validation of mODIS aerosol optical depth retrieval over land.Geophys Res Lett,2002，29:138-159.
[5]毛节泰,李成才,张军华,等.MODIS卫星遥感北京地区气溶胶光学厚度与地面光度计遥感对比［J］.应用气象学报,2002,13(s1):127-135.
[6]毛节泰,李成才.气溶胶辐射特性的观测研究［J］.气象学报,2005,63(5）:622-635.
[7]李成才,毛节泰,刘启汉,等.利用MODIS研究中国东部地区气溶胶光学厚度的分布和季节变化特征［J］.科学通报,2003,48(19):2094-2100.
[8]罗云峰,吕达仁,李维亮等.近30年来中国地区大气气溶胶光学厚度的变化特征［J］.科学通
报,2000,45(5):549-554.
[9]Xia X A,Chen H B,Wang P C.Validation ofmODIS aerosol re trievals and evaluation of potential cloud contamination in East Asia.JEnviron Sci,2004（16）:832-837.
[10]郭其蕴.东亚冬季风的变化与中国气温异常的关系［J］.应用气象学报,1994,5(2):218-225.
[11]施能,杨永胜.1873—1996年东亚冬、夏季风强度指数及其主要特征［J］.南京气象学院学报,1998,21(2):208-214.
[12]Wang Huijun.Instability of the East Asian summer Monsoon–ENSO relations.Advances in Atmospheric Sciences,2002,19:1-11.
[13]王会军，姜大膀.一个新的东亚冬季风强度指数及其强弱变化之大气环流场差异［J］.第四纪研究，2004，24（1），19-27.
[14]Lau K-M and Song Yang,Climatology and interannual variability of southeast Asian sum Mer Monsoon,Advances in Atmospheric Sciences,1997,14,141-162.。