廣東省AOD時空變化特征及氣象因素

何沐全，肖建軍，黃江，石艷軍，吳永琪

（1.廣州氣象衛星地面站，廣東廣州 510640；2.河源市氣象局，廣東河源 517000）

懸浮于大氣中的氣溶膠會降低空氣質量，破壞地氣能量收支平衡，改變大氣中的熱力學條件，從而影響天氣和氣候［1］。氣溶膠對全球氣候變化具有重要的影響，在不同程度上影響著大氣中各種氣象參量，尤其是降水和溫度［2］。為深入研究氣溶膠對天氣和氣候效應的影響，國內外學者開展了大量研究工作［3］。利用氣候模式基于控制變量法模擬大氣氣溶膠排放量減少試驗，發現全球和區域降雨增加［4］，災害性發生指數上升［5］，區域平均氣溫和極端氣溫上升［6］。高星星等［7］利用MODIS和TRMM數據分析了氣溶膠與云、降水間的關系，發現氣溶膠對中國夏季降水有促進作用；Lin等［8］研究發現極端氣候變化響應具有明顯的地域性，且氣溶膠作用大于溫室氣體；王歡等［9］發現氣溶膠通過影響輻射量和溫度改變溫度梯度，促使江淮流域降水增多。氣溶膠對區域氣溫有顯著影響，在氣溶膠與氣溫相關性高及氣溶膠變化趨勢明顯的地區尤為突出［10］。

氣溶膠不僅影響廣東降雨、氣溫的分布和強度，對強對流天氣與熱帶氣旋等也有重要的作用［11］。余小嘉等［12］通過一次廣東沿海的氣溶膠航拍資料分析發現，廣東夏季沿海城市的氣溶膠和云凝結核濃度隨高度先增大后急劇下降；Guo等［13］研究了珠三角地區氣溶膠對不同云、降雨尺度的影響，發現氣溶膠對降雨存在某種增強或抑制的作用；夏冬等［14］利用氣象要素和氣溶膠數據，分析珠三角海風對氣溶膠的影響，發現強海風有利于氣溶膠質量濃度的下降；Lee等［15］研究了氣溶膠對珠三角雷暴的影響，發現閃電、局地強對流降雨與氣溶膠負荷有關；陳均等［16］分析了不同氣象條件對氣溶膠污染過程的影響，發現靜穩天氣下，大氣層結穩定和夜間貼地逆溫不利于氣溶膠擴散；劉漢衛等［17］分析地面PM2.5質量濃度與氣象要素間的關系，得出地面顆粒物質量濃度與氣溫呈負相關、與相對濕度呈正相關的結論。氣溶膠與降雨、氣溫等氣象因素存在各種錯綜復雜的關系，本研究利用2010—2019年的MODISAOD 3 km逐日產品，結合地基站氣象觀測資料，分析了廣東省氣溶膠光學厚度（aerosol optical depth，AOD）的時空變化特征，并探討了降雨、氣溫與AOD的相關關系，對進一步了解氣溶膠對廣東氣候系統的影響具有重要意義。

1 資料和方法

1.1 數據

AOD數據來源于NASA官方發布的MODIS MOD04_L2 3 km AOD逐日產品，數據下載網址為 https：／／ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov／search／，時間范圍為2010—2019年，空間上覆蓋廣東省。氣象資料來源于廣東省氣象局，采用覆蓋廣東全省的86個國家基本氣象站觀測的逐日累計降雨量和平均氣溫，統計得到各站點的年平均、月平均累積降雨量和氣溫，并插值得到與MODISAOD空間匹配的格點數據。

1.2 方法

1）MODISAOD年變化趨勢。

利用ENVI+IDL對MODIS AOD產品進行重投影，并結合文件屬性剔除無效值，批量合成計算得到年、月均值，最終裁剪得到廣東省AOD數據，在此基礎上對2010—2019年各像元逐年的AOD值進行一元線性回歸分析，并計算擬合斜率，即可得到廣東省的AOD年變化趨勢，計算公式如下：

其中，Slope為變化趨勢率；n為參與擬合的年時序長度（本研究中n＝10）；i為1-10的年序號；AODi表示第i年的AOD年均值。其中，Slope＞0說明AOD在2010—2019年的變化趨勢增加，反之減少。

2）AOD與降雨、氣溫的相關關系。

反映兩個變量間的線性相關程度，通常將相關系數Rxy作為統計指標，計算公式為

其中，Rxy為x、y兩個變量間的相關系數；n為參與計算的年時序長度；i為年序號；xi、yi分別為第i年的AOD均值、氣象要素值（降雨量、氣溫均值）；ˉx表示所有年份的AOD均值；ˉy為所有年份的平均降雨量或平均氣溫。Rxy絕對值越大，表示兩個變量間的相關程度越高，反之越低。

2 結果與分析

2.1 廣東省AOD時空分布

從圖1可知，2010—2019年廣東省AOD值整體上呈明顯減小趨勢。從圖1可以看出，AOD高值區主要分布于珠三角地區，以佛山為高值中心向外延伸，粵西雷州灣和粵東潮汕地區為次高值區，粵北和粵東北AOD值低。從AOD年變化趨勢分布（圖1b）可知，佛山、中山、珠海和東莞等AOD年變化趨勢率Slope≤-0.11，表明10年間珠三角地區氣溶膠光學厚度顯著下降；粵西、粵北大部AOD變化趨勢為-0.07≤Slope≤-0.03，AOD減小明顯；粵東大部AOD年變化趨勢為-0.03≤Slope≤0.01，表現為AOD總體持平略呈下降趨勢；汕頭及珠三角局部區域Slope＞0.01，表現為AOD呈增加趨勢。

圖1 2010—2019年廣東省AOD的10年平均值（a）與變化趨勢（b）分布

統計廣東省2010—2019年AOD年均值及月均值（圖2）發現，廣東省AOD 10年平均值為0.5，10年間呈波動下降變化，峰值和谷值分別出現于2014年（AOD＝0.61）、2016年（AOD＝0.36），前5年顯著高于后5年；月變化特征呈現為3、4月份高，其它月份低，1—12月呈先上升后波動下降的趨勢，最高值和最低值分別出現于3月（AOD＝0.73）和12月（AOD＝0.35）。

圖2 2010—2019年廣東省AOD年平均值（a）與10年月平均值變化趨勢（b）

李占清等［1］系統地闡述了氣溶膠對我國天氣、氣候的影響以及與氣象因素相關的空氣污染問題，并側重闡述了氣溶膠與極端天氣事件之間包括影響程度和影響機理在內的錯綜復雜的關系。綜述表明，氣溶膠由于其吸收、散射特性對地面太陽輻射產生影響。氣溶膠的增加對中國區域太陽輻射變化影響非常顯著，地面輻射減少可直接影響溫度變化趨勢。1960—1990年代氣溶膠含量快速上升，期間全國大部分地區溫度呈上升趨勢，但中國東部地區受氣溶膠輻射強迫影響，輻射冷卻作用抵消了溫室氣體引起的增溫效應而導致地面降溫，從而顯著改變大氣穩定度和大氣環流。氣溶膠通過改變近地面輻射能量收支的直接效應以及作為云凝結核的間接效應，對云和降水有重要影響。氣溶膠對降雨的抑制作用，更多與氣溶膠輻射效應有關，但增強作用通常源于凝結和凍結引起的潛熱釋放。隨著AOD的增加，地面太陽輻射通量減少，導致熱通量和對流有效勢能減少，不利于對流云和降水的發展，但氣溶膠也可通過其激活效應使得降水增強。氣溶膠對中國地區的中小尺度降雨存在明顯影響［13］，高氣溶膠含量導致的過小云滴可抑制降水形成，其不僅影響降水強度和空間分布，也在不同時間尺度上影響強降雨。

因此，為深入研究廣東省氣溶膠對降水和氣溫的影響，本研究對2010—2019年廣東省的降雨量和氣溫進行了系統分析，并統計該期間氣溶膠與降雨量、氣溫的相關性。

2.2 2010—2019年廣東省降雨量和氣溫的時空變化

據統計，2010—2019年廣東省10年平均降雨量為1 848 mm，平均氣溫為22.2℃。從降雨量分布（圖3a）可知，廣東省存在3處“雨窩”，分別位于陽江東至江門西地區、珠三角北部、惠州東至汕尾西地區，其中粵西雨窩年平均降雨量最大（R＞2 000 mm），其次是粵東雨窩；潮汕沿海地區、云浮-肇慶西部和粵東北地區是降雨量低值區。廣東省氣溫分布具有明顯的地域特征（圖3b），表現為自北向南氣溫逐漸升高，10年平均氣溫變化范圍為19.3℃≤t≤24.4℃，最低和最高氣溫分別由清遠連山站、湛江徐聞站測得。

圖3 2010—2019年廣東省10年平均降雨量（a）和平均氣溫（b）的空間分布

從圖4a可知，2010—2019年廣東省平均降雨量呈“V型”周期變化，平均周期約為4年，峰值整體呈上升變化，分別出現于2013年（R＝2 124.6 mm）、2016年（R＝2 321.0 mm）；谷值分別出現于2011、2014和2017年，其中2011年累計降雨量最?。≧＝1 390.4 mm）。年平均氣溫總體呈波動上升趨勢，波動范圍為21.5℃≤t≤22.8℃，峰值和谷值分別出現于2019、2011年。

圖4 2010—2019年廣東省年平均（a）、月平均（b）降雨量和氣溫變化趨勢

在月尺度上（圖4b），2010—2019年廣東省10年月平均降雨量變化范圍為45.2 mm≤R≤299.1 mm，表現為1—6月上升，至6月達到峰值后呈波動下降；月平均氣溫呈“單峰型”變化，氣溫變化范圍為13.4℃≤t≤28.6℃，表現為1—7月逐月上升至峰值后持續下降。

2.3 廣東省AOD與降雨、氣溫的相關關系

從圖5可知，AOD與降雨量、氣溫總體上呈負相關關系。珠三角地區、粵東、粵北等地的10年平均AOD值與平均降雨量以負相關系數分布居多，其中佛山、中山、東莞和汕尾等地區負相關程度較高，相關系數范圍為-1≤RAR≤-0.6；粵西與粵東潮汕地區AOD值與降雨量呈正相關關系，由于這些城市海岸帶狹長，并以海鹽性氣溶膠為主，對降雨具有促進作用?；洷钡纳仃P、清遠、肇慶和河源等地AOD與氣溫呈顯著負相關（-1≤RAt≤-0.6），珠三角、雷州灣和潮汕地區AOD與氣溫呈正相關關系。

圖5 2010—2019年廣東省10年平均AOD值與平均降雨量（a）、平均氣溫（b）的相關系數分布

3 結論

本研究利用2010—2019年的MODISAOD 3 km逐日產品，結合地基站氣象觀測資料，分析了廣東省AOD、降雨和氣溫的時空變化特征，并探討了AOD與降雨量、氣溫的相關關系，得出以下結論：

1）2010—2019年廣東省的AOD 10年總平均值為0.5，年平均值介于0.36與0.61之間（0.36≤AOD≤0.61），月總平均值介于0.35與0.73之間（0.35≤AOD≤0.73）?？臻g上表現為佛山最高，以珠三角城市為高值中心向外圍城市遞減；時間上，AOD年均值呈顯著減小變化，峰值和谷值分別出現于2014年（AOD＝0.61）、2016年（AOD＝0.36），月變化為3、4月份高，其它月份低，最高值和最低值分別出現于3月（AOD＝0.73）和12月（AOD＝0.35）。

2）2010—2019年廣東省10年總平均降雨量為1 848mm，平均氣溫為22.2℃?？臻g上，廣東省存在3處“雨窩”，分別位于陽江東至江門西地區、珠三角北部、惠州東至汕尾西地區，氣溫分布具有明顯的地域特征，表現為自北向南氣溫逐漸升高。時間上，年累計降雨量呈“V型”周期變化，平均周期約為4年；年累計降雨量和平均氣溫總體呈上升趨勢；月變化表現為1—6月累計雨量增加，至6月達到峰值后呈波動下降，氣溫呈“單峰型”變化，于7月達到峰值后逐月下降。

3）AOD與降雨量、氣溫總體上呈負相關關系?；浳髋c粵東潮汕地區以海鹽性氣溶膠為主，降雨量與AOD呈正相關，對降雨具有促進作用；粵北氣溫與AOD呈顯著負相關（-1≤RAt≤-0.6），珠三角、雷州灣和潮汕地區AOD與氣溫呈正相關關系。

氣溶膠通過影響輻射強迫進而影響氣溫，對降雨的影響更加復雜，涉及氣溶膠直接和間接作用，與氣溶膠云微物理過程關系密切；影響氣象要素的因子很多，除了氣溶膠以外，城市化進程帶來的下墊面變遷、地形、城市熱島以及其他天氣氣候系統對局地的影響，都能帶來本地降雨和氣溫的改變。本研究系統地介紹了廣東地區的AOD時空分布特征，探索了AOD與降水、氣溫之間的關系，對氣溶膠如何影響廣東區域的天氣氣候仍需進一步研究。