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摘 要：随着社会工业化的大力发展以及自然环境逐渐恶化，大气气溶胶与气候相互关系研究已然成为当前大气科学及相关领域的热点问题。该文基于2014—2015年MODIS气溶胶反演产品，统计分析了鄂南地区气溶胶光学厚度AOD季节变化特点，有助于研究该地区的污染程度。结果表明，鄂南地区AOD高值区主要出现在荆州、武汉江夏、咸宁北部和黄石东部等地区，低值区主要为荆州西部和咸宁南部的山区。鄂南地区AOD具有鲜明的季节变化，四季平均AOD除春季很高之外其他季节都呈平稳趋势，春季是AOD值最大的一个季节，夏季次之，进入秋季显著降低，冬季更低，冬季到来年春季跳跃性增高。
关键词：MODIS；大气气溶胶厚度；反演；鄂南地区
中图分类号 X513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）20-0099-03
Study on Seasonal Variation of Atmospheric Aerosol Optical Depth in Southern Hubei
Wang Kaihui et al.
（School of Resources and Environment Science and Engineering， Hubei University of Science and Technology， Xianning 437100，China）
Abstract：With the vigorous development of social industrialization and the gradual deterioration of the natural environment， the research on atmospheric aerosols and climate relations has become a hot issue in current atmospheric science and related fields.Based on the MODIS 2014—2015 aerosol product research， this paper analyzes the seasonal variation characteristics of aerosol optical depth AOD， which is helpful to study the degree of pollution in the area.The results show that Southern region of Hubei high value area of AOD occurred mainly in Jingzhou， Wuhan， Jiangxia， northern Xianning and Eastern Huangshi， low value area is mainly in Western Jingzhou and southern Xianning mountain. In the southern region of Hubei Province， AOD has a distinct seasonal variation， with an average of AOD except for the high spring and other seasons，Spring is the largest AOD value of a season， the summer time， to enter the autumn significantly reduced， lower winter， winter to spring jumping increased.
Key words：MODIS；Aerosol optical depths；Inversion；South of Hubei Province
自20世紀90年代以来，气溶胶对气候和环境的影响得到了世界各国学者的高度重视，我国学者们也开展了大量研究，例如，罗云峰等利用全国1961—1990年46个站点资料反演了30年间各个站点的0.75um波段的大气气溶胶光学厚度[1]。李成才、毛节泰等利用实测气溶胶数据检验同期NASA发布的MODIS气溶胶产品数据，证实了气溶胶光学厚度数据在城市空气污染研究领域有很好的前景[2]。郝增周等利用SeaWiFS遥感资料分析了中国海域气溶胶光学厚度的季节变化和分布特征[3]，刘桂青等证实了气溶胶光学厚度从某种程度上可以反映地面大气污染状况[4]。李晓静等建立了北京及其周边地区上空气溶胶光学厚度的遥感模型，证实气溶胶光学厚度在经过垂直订正和湿度订正后，可用于进行地面PM10的监测[5]。石勇利用美国国家航空航天局提供的MODIS大气二级产品数据，建立和同时段PM10日均值间的关系模型[6]。越来越多的学者致力于运用卫星遥感影像来研究大气气溶胶与空气污染物浓度之间的关联性，以期能够实现利用卫星遥感影像实时动态监测空气质量的目的[7]。本文将借鉴国内外学者的研究方法，对鄂南地区AOD的季节变化进行分析。
1 研究区概况与数据来源
本文中的鄂南地区是指咸宁市为核心，西望荆州市、东邻鄂州黄石、北靠武汉江夏区、南接岳阳，这是位于我国长江中下游地区，这些地区主要在湖北南部，故被称之为“鄂南”，经纬度范围大致为111.240°～115.505°和29.033°～30.660°，海拔多在20～500m。鄂南地区位于湖北较湿润潮湿的地区，年降水量较多，植被覆盖率较多，特别在咸宁南部，以及荆州东南部植被丰富，分布均匀，裸露土壤较少，地表结构相对简单，所以其地表反射率相对较低。本文采用Terra卫星2014年3月至2015年2月每日MODIS L1B数据为研究资料来估算气溶胶光学厚度，数据空间分辨率为1°×1°。 2 研究方法
本文在利用MODIS资料反演鄂南地区气溶胶光学厚度的研究中，运用的是暗像元方法。暗像元算法是由Kaufman等人根据陆地上气溶胶光学厚度遥感建立的，就目前方法来看，暗像元算法在陆地上气溶胶遥感应用最为广泛和较为有效的算法。由于地表物体的多样性会造成反射率复杂多变，这就使得从遥感图像的辐射值中分离出路径辐射项很困难，如果想用辐射项来获得气溶胶信息，就必须使地表辐射值可以忽略或者有辐射但很小，并且能够较精确的确定，这样可以尽量消除地表反射率的不确定性对光学厚度的影响。对于浓密植被，它们的反射率都很低（约0.01～0.02），因此许多具有森林或大范围浓密植被的地方可以用此方法获得气溶胶信息，再经过大气校正这种方法就是暗像元法。
3 鄂南地区AOD不同季节分布特征
3.1 春季分布特征 鄂南地区春季的AOD的空间分布呈明显的西高东低分布特征。一个高值区位于荆州地区，另外一个明显高值区位于黄石西部地区。这2个高值区气溶胶光学厚度在1.7～1.95，极大值中心分别位于荆州中心区和临近安徽边界，气溶胶光学厚度达到了1.9以上。从图1中可以看出，上述各个分散的高值中心与盆地内行政区市的分布基本一致。另在春季，整个鄂南地区AOD较高，鄂南地区除了咸宁的九宫山山脉地区以外的大部分区域，其他地方基本都被AOD高于1.2的高值所覆盖，荆州大部分地区至黄石等高值中心AOD可达1.50以上，荆州地区西部与咸宁南部山地AOD基本低于0.50。在鄂南地区，春季是全年AOD值最大的季节，平均值为1.52，1.70以上的高值区几乎占据整个荆州地区，中心最高值可达1.85以上。在武汉江夏去到黄石的大部分地区也分布着1.42以上的较高值。
从春季的反演的结果表明，气溶胶光学厚度空间分布变化较大，反演的气溶胶光学厚度最大值一般位于荆州工业区。春季由于采暖期未完全结束，加上工业生产大气污染物的排放和沙尘粒子的影响，空气污染仍然比较严重。鄂南地区开始春播耕种，秸秆燃烧，鞭炮随意乱放和森林火险事件等，其产生的气溶胶使鄂南地区的AOD增加明显。
3.2 夏季分布特征 鄂南地区夏季气溶胶光学厚度明显减小，高值区面积缩小，低值区面积增多。虽然如此，我们仍可发现有西高东低的分布特点。图2表明比较明显的高值区为由西部荆州到武汉江夏区，其中荆州高值区中心值在0.9～1.0，而在咸宁中心高值区的中心值仅在0.4～0.6，在荆州东南部有一块AOD值较小的区域，那是由于有山脉的影响，通过与春季相比AOD大大下降。在其他高值区由于变得过于分散而基本消失，同时数值也减小到0.6～0.8。从图2中还可以看出，在夏季时位于鄂州到黄石的地区，气溶胶光学厚度AOD甚至小于0.1。
对出现这种情况的原因进行分析，在6—8月这段时间里，鄂南地区大气层处于春夏交替的不稳定状态，鄂南地区出现大范围降雨天气，降水量大大增多。此时悬浮在大气中的气溶胶粒子可以通过云和降水过程清除相当大的一部分，这有利于气溶胶快速扩散与稀释，夏季的降水是导致整个鄂南地区气溶胶光学厚度变小的重要原因。
3.3 秋季分布特征 鄂南地区秋季AOD与夏季差别明显，各个地区还是都会有明显增加，而在咸宁东部地区强度明显减弱，但是西高东低的分布特征还是十分显著。由图3可见，高值中心荆州AOD在0.8左右，低值中心咸宁东南部在0.2左右。荆州南部和东部山区的气溶胶光学厚度数值比夏季偏小，而在靠近咸宁东部则继续减小，这与秋季降水多和温度高有关。在秋季整个鄂南地区AOD大范围平均有小许上升，但是红色高值区彻底消失。
秋季整个鄂南地区都属于收获的季节，特别是靠近长江一带的地区，各类收获后的秸秆接踵堆积，但是在秸秆的处理上一直都是政府和居民头疼的问题。由于天然气的普及以及更加方便干净的燃料进入广大的居民家中，所以居民就不会太注重秸杆的处理，大部分秸秆被农民直接在田地里燃烧，导致出现AOD的值会有一段时间的提升。从图中我们可以看到咸宁部分盆地地区有较大的提升，所以我们应该注意对农作物秸秆合理的处理。
3.4 冬季分布特征 鄂南地区冬季AOD均值与秋季有了较大降低，但与秋季不同的是鄂南地区的高值区范围有所扩大，但强度有所降低。秋冬两季和春夏两季相比较强度明显下降，由图4可知，其基本维持在0.4左右，咸宁地区的低值区范围扩大。荆州到黄石AOD高值中心强度冬季比夏季进一步降低，由于来自北方的冬季风的作用下，水平动力扩散能力较强，这非常有利于气溶胶的扩散和输送。
从图4中还可见，与春季相比，原来分散的高值区已连接成片，这很可能是冬季地面风速较小、湿度较大、白天混合层的发展经常受逆温的限制等原因造成的。在冬季鄂南地区温度普遍很低，随着人们生活水平的提高，已经从木材取暖转变到空调以及火炉取暖，这样大大减少了污染气体的排放，大大降低了AOD值。再加上冬季风的因素，污染物大大扩散，冬季空气相对较好，这使得大气溶胶厚度降低。
4 结论
本文基于2014—2015年MODIS数据统计分析了鄂南地区气溶胶光学厚度AOD季节变化特点，研究表明鄂南地区大气气溶胶光学厚度四季都呈明显西高东低的地理分布特征。鄂南地区AOD高值区主要出现在荆州、武汉江夏、咸宁北部和黄石东部等地区，低值区主要为荆州西部和咸宁南部山区。鄂南地区AOD具有鲜明的季节变化，四季平均AOD除春季很高之外其他季节都呈平稳趋势，春季是AOD值最大的一个季节，夏季次之，进入秋季显著降低，冬季更低，冬季到来年春季跳跃性增高。
参考文献
[1]罗云峰，吕达仁，周秀骥，等.30年来我国大气气溶胶光学厚度平均分布特征分析[J].大气科学，2002，26（6）：721-730.
[2]李成才，毛节泰，刘窟汉，等.利用MODIS研究中国东部地区气溶胶光学厚度的分布特征[J].科学通报，2003，48（19）：2094-2100.
[3]郝增周，潘德炉，白雁.SeaWiFS遥感资料分析中国海域气溶胶光学厚度的季节变化和分布特征[J].海洋学研究，2007，25（1）：80-87.
[4]朱爱华，李成才，刘桂青，等.北京地区MODIS卫星遥感气溶膠资料的检验与应用[J].环境科学学报，2004（01）：86-90.
[5]何秀，邓兆泽，李成才.MODIS 气溶胶光学厚度产品在地面PM10监测方面的应用研究[J].北京大学学报，2010，46（2）：178-184.
[6]石勇.武汉市 MODIS 气溶胶光学厚度与空气PM10浓度的关系研究[D].武汉：华中农业大学，2012.
[7]林海峰，辛金元，张文煜，等.北京市近地层颗粒物浓度与气溶胶光学厚度相关性分析研究[J].环境科学，2013，34（03）：826-834.
（责编：张宏民）
关键词：MODIS；大气气溶胶厚度；反演；鄂南地区
中图分类号 X513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）20-0099-03
Study on Seasonal Variation of Atmospheric Aerosol Optical Depth in Southern Hubei
Wang Kaihui et al.
（School of Resources and Environment Science and Engineering， Hubei University of Science and Technology， Xianning 437100，China）
Abstract：With the vigorous development of social industrialization and the gradual deterioration of the natural environment， the research on atmospheric aerosols and climate relations has become a hot issue in current atmospheric science and related fields.Based on the MODIS 2014—2015 aerosol product research， this paper analyzes the seasonal variation characteristics of aerosol optical depth AOD， which is helpful to study the degree of pollution in the area.The results show that Southern region of Hubei high value area of AOD occurred mainly in Jingzhou， Wuhan， Jiangxia， northern Xianning and Eastern Huangshi， low value area is mainly in Western Jingzhou and southern Xianning mountain. In the southern region of Hubei Province， AOD has a distinct seasonal variation， with an average of AOD except for the high spring and other seasons，Spring is the largest AOD value of a season， the summer time， to enter the autumn significantly reduced， lower winter， winter to spring jumping increased.
Key words：MODIS；Aerosol optical depths；Inversion；South of Hubei Province
自20世紀90年代以来，气溶胶对气候和环境的影响得到了世界各国学者的高度重视，我国学者们也开展了大量研究，例如，罗云峰等利用全国1961—1990年46个站点资料反演了30年间各个站点的0.75um波段的大气气溶胶光学厚度[1]。李成才、毛节泰等利用实测气溶胶数据检验同期NASA发布的MODIS气溶胶产品数据，证实了气溶胶光学厚度数据在城市空气污染研究领域有很好的前景[2]。郝增周等利用SeaWiFS遥感资料分析了中国海域气溶胶光学厚度的季节变化和分布特征[3]，刘桂青等证实了气溶胶光学厚度从某种程度上可以反映地面大气污染状况[4]。李晓静等建立了北京及其周边地区上空气溶胶光学厚度的遥感模型，证实气溶胶光学厚度在经过垂直订正和湿度订正后，可用于进行地面PM10的监测[5]。石勇利用美国国家航空航天局提供的MODIS大气二级产品数据，建立和同时段PM10日均值间的关系模型[6]。越来越多的学者致力于运用卫星遥感影像来研究大气气溶胶与空气污染物浓度之间的关联性，以期能够实现利用卫星遥感影像实时动态监测空气质量的目的[7]。本文将借鉴国内外学者的研究方法，对鄂南地区AOD的季节变化进行分析。
1 研究区概况与数据来源
本文中的鄂南地区是指咸宁市为核心，西望荆州市、东邻鄂州黄石、北靠武汉江夏区、南接岳阳，这是位于我国长江中下游地区，这些地区主要在湖北南部，故被称之为“鄂南”，经纬度范围大致为111.240°～115.505°和29.033°～30.660°，海拔多在20～500m。鄂南地区位于湖北较湿润潮湿的地区，年降水量较多，植被覆盖率较多，特别在咸宁南部，以及荆州东南部植被丰富，分布均匀，裸露土壤较少，地表结构相对简单，所以其地表反射率相对较低。本文采用Terra卫星2014年3月至2015年2月每日MODIS L1B数据为研究资料来估算气溶胶光学厚度，数据空间分辨率为1°×1°。 2 研究方法
本文在利用MODIS资料反演鄂南地区气溶胶光学厚度的研究中，运用的是暗像元方法。暗像元算法是由Kaufman等人根据陆地上气溶胶光学厚度遥感建立的，就目前方法来看，暗像元算法在陆地上气溶胶遥感应用最为广泛和较为有效的算法。由于地表物体的多样性会造成反射率复杂多变，这就使得从遥感图像的辐射值中分离出路径辐射项很困难，如果想用辐射项来获得气溶胶信息，就必须使地表辐射值可以忽略或者有辐射但很小，并且能够较精确的确定，这样可以尽量消除地表反射率的不确定性对光学厚度的影响。对于浓密植被，它们的反射率都很低（约0.01～0.02），因此许多具有森林或大范围浓密植被的地方可以用此方法获得气溶胶信息，再经过大气校正这种方法就是暗像元法。
3 鄂南地区AOD不同季节分布特征
3.1 春季分布特征 鄂南地区春季的AOD的空间分布呈明显的西高东低分布特征。一个高值区位于荆州地区，另外一个明显高值区位于黄石西部地区。这2个高值区气溶胶光学厚度在1.7～1.95，极大值中心分别位于荆州中心区和临近安徽边界，气溶胶光学厚度达到了1.9以上。从图1中可以看出，上述各个分散的高值中心与盆地内行政区市的分布基本一致。另在春季，整个鄂南地区AOD较高，鄂南地区除了咸宁的九宫山山脉地区以外的大部分区域，其他地方基本都被AOD高于1.2的高值所覆盖，荆州大部分地区至黄石等高值中心AOD可达1.50以上，荆州地区西部与咸宁南部山地AOD基本低于0.50。在鄂南地区，春季是全年AOD值最大的季节，平均值为1.52，1.70以上的高值区几乎占据整个荆州地区，中心最高值可达1.85以上。在武汉江夏去到黄石的大部分地区也分布着1.42以上的较高值。
从春季的反演的结果表明，气溶胶光学厚度空间分布变化较大，反演的气溶胶光学厚度最大值一般位于荆州工业区。春季由于采暖期未完全结束，加上工业生产大气污染物的排放和沙尘粒子的影响，空气污染仍然比较严重。鄂南地区开始春播耕种，秸秆燃烧，鞭炮随意乱放和森林火险事件等，其产生的气溶胶使鄂南地区的AOD增加明显。
3.2 夏季分布特征 鄂南地区夏季气溶胶光学厚度明显减小，高值区面积缩小，低值区面积增多。虽然如此，我们仍可发现有西高东低的分布特点。图2表明比较明显的高值区为由西部荆州到武汉江夏区，其中荆州高值区中心值在0.9～1.0，而在咸宁中心高值区的中心值仅在0.4～0.6，在荆州东南部有一块AOD值较小的区域，那是由于有山脉的影响，通过与春季相比AOD大大下降。在其他高值区由于变得过于分散而基本消失，同时数值也减小到0.6～0.8。从图2中还可以看出，在夏季时位于鄂州到黄石的地区，气溶胶光学厚度AOD甚至小于0.1。
对出现这种情况的原因进行分析，在6—8月这段时间里，鄂南地区大气层处于春夏交替的不稳定状态，鄂南地区出现大范围降雨天气，降水量大大增多。此时悬浮在大气中的气溶胶粒子可以通过云和降水过程清除相当大的一部分，这有利于气溶胶快速扩散与稀释，夏季的降水是导致整个鄂南地区气溶胶光学厚度变小的重要原因。
3.3 秋季分布特征 鄂南地区秋季AOD与夏季差别明显，各个地区还是都会有明显增加，而在咸宁东部地区强度明显减弱，但是西高东低的分布特征还是十分显著。由图3可见，高值中心荆州AOD在0.8左右，低值中心咸宁东南部在0.2左右。荆州南部和东部山区的气溶胶光学厚度数值比夏季偏小，而在靠近咸宁东部则继续减小，这与秋季降水多和温度高有关。在秋季整个鄂南地区AOD大范围平均有小许上升，但是红色高值区彻底消失。
秋季整个鄂南地区都属于收获的季节，特别是靠近长江一带的地区，各类收获后的秸秆接踵堆积，但是在秸秆的处理上一直都是政府和居民头疼的问题。由于天然气的普及以及更加方便干净的燃料进入广大的居民家中，所以居民就不会太注重秸杆的处理，大部分秸秆被农民直接在田地里燃烧，导致出现AOD的值会有一段时间的提升。从图中我们可以看到咸宁部分盆地地区有较大的提升，所以我们应该注意对农作物秸秆合理的处理。
3.4 冬季分布特征 鄂南地区冬季AOD均值与秋季有了较大降低，但与秋季不同的是鄂南地区的高值区范围有所扩大，但强度有所降低。秋冬两季和春夏两季相比较强度明显下降，由图4可知，其基本维持在0.4左右，咸宁地区的低值区范围扩大。荆州到黄石AOD高值中心强度冬季比夏季进一步降低，由于来自北方的冬季风的作用下，水平动力扩散能力较强，这非常有利于气溶胶的扩散和输送。
从图4中还可见，与春季相比，原来分散的高值区已连接成片，这很可能是冬季地面风速较小、湿度较大、白天混合层的发展经常受逆温的限制等原因造成的。在冬季鄂南地区温度普遍很低，随着人们生活水平的提高，已经从木材取暖转变到空调以及火炉取暖，这样大大减少了污染气体的排放，大大降低了AOD值。再加上冬季风的因素，污染物大大扩散，冬季空气相对较好，这使得大气溶胶厚度降低。
4 结论
本文基于2014—2015年MODIS数据统计分析了鄂南地区气溶胶光学厚度AOD季节变化特点，研究表明鄂南地区大气气溶胶光学厚度四季都呈明显西高东低的地理分布特征。鄂南地区AOD高值区主要出现在荆州、武汉江夏、咸宁北部和黄石东部等地区，低值区主要为荆州西部和咸宁南部山区。鄂南地区AOD具有鲜明的季节变化，四季平均AOD除春季很高之外其他季节都呈平稳趋势，春季是AOD值最大的一个季节，夏季次之，进入秋季显著降低，冬季更低，冬季到来年春季跳跃性增高。
参考文献
[1]罗云峰，吕达仁，周秀骥，等.30年来我国大气气溶胶光学厚度平均分布特征分析[J].大气科学，2002，26（6）：721-730.
[2]李成才，毛节泰，刘窟汉，等.利用MODIS研究中国东部地区气溶胶光学厚度的分布特征[J].科学通报，2003，48（19）：2094-2100.
[3]郝增周，潘德炉，白雁.SeaWiFS遥感资料分析中国海域气溶胶光学厚度的季节变化和分布特征[J].海洋学研究，2007，25（1）：80-87.
[4]朱爱华，李成才，刘桂青，等.北京地区MODIS卫星遥感气溶膠资料的检验与应用[J].环境科学学报，2004（01）：86-90.
[5]何秀，邓兆泽，李成才.MODIS 气溶胶光学厚度产品在地面PM10监测方面的应用研究[J].北京大学学报，2010，46（2）：178-184.
[6]石勇.武汉市 MODIS 气溶胶光学厚度与空气PM10浓度的关系研究[D].武汉：华中农业大学，2012.
[7]林海峰，辛金元，张文煜，等.北京市近地层颗粒物浓度与气溶胶光学厚度相关性分析研究[J].环境科学，2013，34（03）：826-834.
（责编：张宏民）