何沐全,劉志紅,張 穎,張 洋,顏 妍,黃 觀,張 娟,陳軍輝,何 敏,范武波

(1.成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610225；2.四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,四川 成都 610041；3.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100101；4.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230001)

川南城市群大氣灰霾時(shí)空分布特征及成因分析

何沐全1,2,劉志紅1*,張 穎1,張 洋3,顏 妍4,黃 觀1,張 娟1,陳軍輝2,何 敏2,范武波2

(1.成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610225；2.四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,四川 成都 610041；3.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100101；4.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230001)

以2006～2015年四川南部的MODIS 3km AOD日產(chǎn)品及地面觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用本地CE318數(shù)據(jù)對(duì)MODIS AOD產(chǎn)品進(jìn)行校驗(yàn),確保AOD產(chǎn)品的可用性;建立了AOD與PM2.5/10之間的關(guān)系模型,并重點(diǎn)分析了川南城市群的大氣灰霾時(shí)空分布特征及其成因.結(jié)果表明: CE318AOD與MODIS AOD的相關(guān)性為0.779, PM2.5、PM10與MODIS AOD的最優(yōu)相關(guān)性為0.894、0.83;在空間上,川南AOD均值呈現(xiàn)出北高南低的格局,其中內(nèi)江市和自貢市AOD值最大;在時(shí)間上,2006～2013年AOD均值變化不明顯,2013年后明顯下降;季節(jié)上表現(xiàn)為春冬季高、夏秋季低,其中春季AOD高值占比最大;月變化特征表現(xiàn)為2～4、9月AOD值高,其他月AOD值低;川南AOD的時(shí)空分布受地形、工業(yè)、風(fēng)向風(fēng)速、流場、邊界層高度等因素影響,其中地形和流場對(duì)川南AOD的空間分布影響最為突出.

MODIS；氣溶膠；大氣灰霾；時(shí)空分布；川南城市群

我國近二三十年中東部區(qū)域霾問題的日益嚴(yán)重, 主要是由人為排放的大氣氣溶膠顯著增加所致[1].灰霾污染的頻發(fā),嚴(yán)重影響區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量[2].監(jiān)測方法方面,地面監(jiān)測可以得到較為準(zhǔn)確的氣溶膠信息,但是目前這種方法只能在有限的區(qū)域進(jìn)行,不能用來監(jiān)測大范圍氣溶膠光學(xué)特性[3],而衛(wèi)星遙感的多時(shí)效、寬領(lǐng)域、易獲取及高分辨率等特性可以彌補(bǔ)地面監(jiān)測的不足.

氣溶膠光學(xué)厚度AOD指無云大氣鉛直氣柱中氣溶膠散射造成的消光系數(shù)在近地面到大氣層頂垂直方向上的積分.MODIS是Terra和Aqua衛(wèi)星上的一個(gè)探測器,目前使用該數(shù)據(jù)形成業(yè)務(wù)化的氣溶膠光學(xué)厚度產(chǎn)品有10km和3km2種.四川盆地是中國西部的重要經(jīng)濟(jì)區(qū),其經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的灰霾,及受地形因素與氣象條件對(duì)其擴(kuò)散的影響,是制約經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的關(guān)鍵因素,同時(shí)也關(guān)系到廣大民眾的切身利益.劉貞等[4]分析了中國北方地區(qū)氣溶膠時(shí)間變化特征,得出MODIS數(shù)據(jù)在我國北方具有適用性,MODIS與CLIPSO反演的氣溶膠時(shí)間變化特征基本一致且研究區(qū)域AOD最大值分別出現(xiàn)在夏、春季.劉璇等[5]結(jié)合衛(wèi)星資料與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)長江三角洲一次重霾過程展開分析,得出霾污染下AOD顯著增長,氣溶膠主要存在于近地面2km以下,小風(fēng)與靜穩(wěn)天氣是導(dǎo)致污染加重的主要原因.鄧學(xué)良等[6]利用AERONET與MODIS數(shù)據(jù)分析了近年來華東地區(qū)大氣氣溶膠的時(shí)空特征,發(fā)現(xiàn)MODIS AOD與AERONET觀測值相一致, AOD在時(shí)間上呈現(xiàn)出春夏季高,秋冬季低的特征,空間上與海拔高度成負(fù)相關(guān).羅云峰等[7]研究了中國地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的分布和變化,發(fā)現(xiàn)四川盆地是我國重要的氣溶膠光學(xué)厚度大值區(qū)之一.李成才等[8]利用MODIS AOD產(chǎn)品,分析了四川盆地光學(xué)厚度分布和季節(jié)變化特征,得到春季四川盆地具有最大的平均光學(xué)厚度且光學(xué)厚度全年平均值在0.7左右等結(jié)論.過去大量的研究工作表明,四川盆地氣溶膠分布表現(xiàn)為川東、南平原高,川西高原低的現(xiàn)象,且大多數(shù)研究都是以四川盆地作為研究對(duì)象,對(duì)川南城市群的AOD研究工作卻鮮有開展.川南城市群指四川南部的樂山市、瀘州市、內(nèi)江市、宜賓市和自貢市5大經(jīng)濟(jì)區(qū), 是成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心區(qū)域之一,人口分布集中,工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),環(huán)境污染也異常嚴(yán)峻.

本文以川南城市群作為研究區(qū)域,利用MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)、站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、大氣污染源清單、氣象統(tǒng)計(jì)資料及WRF數(shù)值預(yù)報(bào)模式,對(duì)近10年川南AOD的空間分布、年際變化、季節(jié)及月變化特征展開分析;研究MODIS AOD與監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系,結(jié)合邊界層高度、風(fēng)向風(fēng)速、流場、逆溫、相對(duì)濕度等氣象參數(shù)與地形、經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)等多方面因素深入分析川南城市群大氣污染物來源及擴(kuò)散的成因,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)川南氣溶膠的特性及其氣候效應(yīng),為四川盆地及周邊城市灰霾天氣防控和應(yīng)對(duì)提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)來源與處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)及來源如表1所示.

表1 數(shù)據(jù)來源信息Table 1 Sources of data information

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 MODIS AOD數(shù)據(jù)處理 以四川省2006～ 2015年每日的MODIS 3km氣溶膠光學(xué)厚度日產(chǎn)品作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用IDL 調(diào)用NASA提供的MCTK函數(shù)對(duì)原始圖像進(jìn)行重投影,結(jié)合ENVI的Layer Stacking功能對(duì)每個(gè)月多幅遙感影像重新組合成單個(gè)文件,在單個(gè)像元的基礎(chǔ)上對(duì)每月多個(gè)波段提取有值像元并計(jì)算均值輸出得到月均值圖像,最后利用邊界數(shù)據(jù)裁剪得到川南的AOD月均值.用此方法計(jì)算AOD季均值及年均值.

1.2.2 CE318AOD數(shù)據(jù)處理 因MODIS AOD產(chǎn)品是利用暗像元法反演得到的550nm數(shù)據(jù),而地基CE318主要給出了1020nm、870nm、670nm及440nm的AOD值,根據(jù)Angstrom波長指數(shù)公式[9]

選擇870nm和440nm2個(gè)不受水汽影響的波段,則有:

由(2)、(3)式可計(jì)算得到α和β,從而計(jì)算得到550nm的AOD.

本研究以成都市氣象局(103.87°E,30.75°N)為中心,提取并計(jì)算10km范圍內(nèi)的MODIS AOD均值及衛(wèi)星過境前后0.5h的CE318AOD數(shù)據(jù),對(duì)匹配結(jié)果展開分析.

1.2.3 氣象數(shù)據(jù)處理 以NCEP FNL(6h, 1°× 1°)資料為初始數(shù)據(jù),在WRF模式中設(shè)置相應(yīng)的物理參數(shù)化方案、模擬時(shí)間、邊界數(shù)據(jù)及網(wǎng)格大小等參數(shù),對(duì)研究區(qū)氣象條件進(jìn)行模擬,利用NCL對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行后處理[10].

1.2.4 其他數(shù)據(jù)處理 PM2.5/10濃度數(shù)據(jù)主要是提取與MODIS時(shí)間相匹配的日均值;DEM數(shù)據(jù)則利用邊界數(shù)據(jù)裁剪后繪制成專題圖;顆粒物年排放量數(shù)據(jù)為四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院提供的大氣污染源清單.

2 MODIS AOD數(shù)據(jù)與PM2.5/10的關(guān)系分析

2.1 MODIS AOD 3km產(chǎn)品可用性分析

針對(duì)MODIS AOD產(chǎn)品用于分析地面大氣污染的可行性研究,國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作[11-16].NASA為了校驗(yàn)衛(wèi)星遙感氣溶膠的結(jié)果,在全球建立了一個(gè)氣溶膠自動(dòng)觀測網(wǎng)(AERONET)[17].周春艷等[18]對(duì)比了MODIS 004與005氣溶膠產(chǎn)品并分析了其在中國北方地區(qū)的適用性.齊玉磊等[19]研究了北方地區(qū)MODIS、MISR與AERONET的關(guān)系.王宏斌[20]等利用AERONET數(shù)據(jù)對(duì)MODIS氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證.

地基CE318太陽光度計(jì)測得的輻射通量密度的變化來源于氣溶膠及大氣分子的消光[21],其測量原理與MODIS AOD相一致,因此可使用CE318數(shù)據(jù)對(duì)MODIS AOD產(chǎn)品進(jìn)行可行性檢驗(yàn).

圖1 成都市2007～2008年CE318AOD與MODIS AOD的線性關(guān)系Fig.1 The linear relation between Chengdu CE318AOD data and MODIS AOD product from2007 to 2008

圖1是成都市2007～2008年CE318AOD數(shù)據(jù)與MODIS AOD時(shí)空匹配結(jié)果的線性關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)為0.779,統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)為70組.分析表明,衛(wèi)星遙感MODIS AOD產(chǎn)品與地面太陽光度計(jì)CE318的測量結(jié)果具有良好的相關(guān)性.

2.2 MODIS AOD數(shù)據(jù)與PM2.5/10的關(guān)系模型

國內(nèi)顆粒物采樣設(shè)備一般為單通道采樣器,結(jié)合微振天平法,在一定的流量下測定濾膜質(zhì)量的變化,進(jìn)而監(jiān)測大氣中顆粒物(PM)質(zhì)量濃度變化[22-23].MODIS傳感器探測的是大氣顆粒物對(duì)入射太陽光的消光,其AOD值與地面顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)在數(shù)值上存在一定的關(guān)系.張洋等[24]利用成都市MODIS L1B數(shù)據(jù)反演得到1km的AOD分別與PM2.5和PM10進(jìn)行線性分析,經(jīng)改正后相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.62、0.68.黃觀等[25]對(duì)烏魯木齊市的MODIS AOD進(jìn)行垂直、濕度訂正后,AOD與PM10的相關(guān)性達(dá)0.63.王家成等[26]對(duì)北京地區(qū)AOD進(jìn)行粒子尺度校正和體積尺度校正后, AOD與PM2.5相關(guān)性達(dá)0.63,并得出混合層高度、相對(duì)濕度和區(qū)域差異對(duì)兩者相關(guān)性有較大影響的結(jié)論.

本文利用瀘州市與自貢市監(jiān)測站2014年P(guān)M2.5/10日均濃度數(shù)據(jù)與AOD建立關(guān)系模型.提取市監(jiān)測站10km內(nèi)且云量小于10%的AOD,并分別與PM2.5、PM10建立線性關(guān)系. 圖2是瀘州市和自貢市2014年P(guān)M2.5/10日均濃度數(shù)據(jù)與AOD的線性分析.分析發(fā)現(xiàn),晴空下的PM2.5/10日均濃度值與AOD值在數(shù)值上存在較好的線性關(guān)系,由于四川盆地的PM2.5顆粒物含量占總懸浮顆粒(TSP)的60%以上,因而PM2.5與AOD的相關(guān)系數(shù)明顯高于PM10.因此,衛(wèi)星遙感MODIS反演的氣溶膠產(chǎn)品能較好的反映川南地面顆粒物污染情況,尤其是PM2.5的含量.

圖2 瀘州市和自貢市2014年P(guān)M2.5/10日均濃度數(shù)據(jù)與AOD的線性關(guān)系Fig.2 The linear relation between mean daily concentration data of PM2.5/10and AOD in Luzhou and Zigong in 2014

3 川南城市群AOD時(shí)空變化特征

3.1 川南城市群AOD空間分布特征

圖3為2006～2015年川南AOD累計(jì)年均值空間分布.從圖3可知,氣溶膠高值區(qū)主要分布在川南北部,以內(nèi)江市和自貢市最為嚴(yán)重.內(nèi)江市有威遠(yuǎn)、資中、內(nèi)江和隆昌4個(gè)縣,除威遠(yuǎn)縣西北部AOD＜0.8外,其他區(qū)域AOD均在0.9以上;其中在威遠(yuǎn)縣西南、內(nèi)江市南部出現(xiàn)最大值.自貢市為灰霾污染的重災(zāi)區(qū),自貢市北部、富順縣北部及容縣西南部AOD＞1.1;容縣與威遠(yuǎn)縣交界處氣溶膠污染較輕.樂山市AOD高值區(qū)主要為樂山市北部、峨眉山東北部、夾江縣、井研縣和犍為北部,最大值分布在夾江縣;樂山南部的金口河區(qū)、峨邊彝族自治縣、沐川縣和馬邊彝族自治縣AOD相對(duì)較小.宜賓市氣溶膠光學(xué)厚度大于1.0的區(qū)域較少,主要分布在宜賓市北部;全市大部分地區(qū)AOD年均值在0.7左右,南面的屏山縣、筠連縣、興文縣等地區(qū)污染較輕.瀘州市AOD＞1.0的區(qū)域主要位于瀘州北部的瀘縣和瀘州市,最大值分布在瀘縣的西北部和瀘州市區(qū)附近;以瀘州市為中心,氣溶膠向周邊的納溪縣、合江縣擴(kuò)散.

綜上所述,川南氣溶膠空間分布特征表現(xiàn)為北高南低,以城市為中心向四周遞減,距離市區(qū)較偏遠(yuǎn)的地方AOD值明顯減小.

3.2 川南城市群AOD時(shí)間變化特征

3.2.1 年變化特征 圖4是2006～2015年川南5大城市AOD年均值變化趨勢.從圖4可知,2006、2010和2011年氣溶膠污染相對(duì)比較嚴(yán)重, 2006～2009年有明顯的下降,到2010年氣溶膠污染加重;2013～2015年AOD值明顯減小,尤其是2014年以后AOD值減小幅度尤為突出.比較各地級(jí)市的AOD值可以發(fā)現(xiàn),內(nèi)江市2006、2010、2011年AOD值均在1.0以上,除2014和2015年外其他年份的AOD值也都接近于1.0;5大城市中顆粒物污染最嚴(yán)重為自貢市,AOD年均值大于1.0的年份占50%,除2009年和2013年外,其他年份的AOD值均為當(dāng)年各市最大值.樂山市、瀘州市和宜賓市AOD值相對(duì)較小,且年際變化不大.

圖3 2006～2015年川南AOD年均值空間分布Fig.3 Distribution of mean annual AOD in southern Sichuan from2006 to 2015

圖4 2006～2015年川南AOD年均值變化趨勢Fig.4 Variation trend of mean annual AOD in southern Sichuan from2006 to 2015

3.2.2 季節(jié)變化特征 圖5是2006～2015年川南5大城市AOD 季均值變化趨勢.季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)為:春季(3～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～11月)、冬季(12～次年2月).從圖5可以看出,川南地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度四季分布表現(xiàn)為春冬高、夏秋低的季節(jié)性特征,其中春季氣溶膠污染最為突出,在川南的北部多數(shù)地區(qū)AOD＞1.0,內(nèi)江和自貢的AOD最高值達(dá)1.4以上;冬季氣溶膠污染程度相對(duì)春季較弱,以自貢和內(nèi)江為高值中心向四周遞減,內(nèi)江市、自貢市和瀘州市的少數(shù)氣溶膠重污染地區(qū)AOD＞1.3.與秋季相比,夏季AOD大于1.0的范圍更廣,大于1.3的區(qū)域主要位于樂山市北部和自貢市,其他大多數(shù)地區(qū)AOD＜0.9.秋季的氣溶膠污染最弱,極少數(shù)地區(qū)AOD＞1.3. 除川南北部存在明顯的季節(jié)變化外,其他地區(qū)AOD季節(jié)變化不明顯.

圖5 2006～2015年川南AOD季均值變化趨勢Fig.5 Variation trend of mean seasonal AOD in southern Sichuan from2006 to 2015

3.2.3 月變化特征 圖6為2006～2015年川南 AOD 月均值變化趨勢.圖中顏色較深的區(qū)域主要集中于2～4、9月份,表現(xiàn)為AOD的高值區(qū),2、9月份部分地區(qū)AOD＞2.2. 5、8月份出現(xiàn)AOD＞1.0的區(qū)域占川南面積的50%以上,6、7月份稍有減弱.

圖6 2006～2015年川南AOD月均值變化趨勢Fig.6 Variation trend of mean monthly AOD in southern Sichuan from2006 to 2015

4 川南城市群AOD時(shí)空分布原因分析

4.1 地形對(duì)AOD空間分布的影響

圖7 川南DEM地形分布Fig.7 Distribution of DE Min southern Sichuan

圖7是由SRTMDEMUTM90m分辨率的DEM高程數(shù)據(jù)繪制得到川南地形分布.從圖7可知,川南地形特征呈現(xiàn)出西部和南部為海拔較高的山地,中部及北部則為山地丘陵,最低海拔和最高海拔分別為140m,5544m,是典型的盆地地形.川南地形與氣溶膠空間分布特征基本一致,表明氣溶膠污染主要分布在低海拔地區(qū),這些地方人口密度大,交通、工業(yè)發(fā)達(dá);人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的油煙、道路揚(yáng)塵、工業(yè)廢氣及秸稈燃燒排放的煙塵等會(huì)受到川南西部和南部的高山阻擋而在低海拔地區(qū)積聚,從而加劇低海拔地區(qū)的空氣污染.

4.2 氣象因素對(duì)川南AOD時(shí)空分布的影響

大氣擴(kuò)散理論和試驗(yàn)研究表明,在不同的氣象條件下,同一污染源排放所造成的地面污染物濃度可相差幾十倍乃至幾百倍.這是大氣對(duì)污染物擴(kuò)散的稀釋能力隨著氣象條件的不同而發(fā)生巨大變化的緣故.對(duì)氣溶膠污染有較大影響的氣象因素主要有風(fēng)向風(fēng)速、流場、邊界層高度、相對(duì)濕度和逆溫等.

4.2.1 風(fēng)向風(fēng)速 風(fēng)速大小決定了污染物的擴(kuò)散速度,而風(fēng)向則確定了污染物的輸入與輸出.表2是四川盆地及全國其他重要城市的風(fēng)速記錄.從表2可知,四川盆地內(nèi)各區(qū)域的地面風(fēng)速比全國重要城市普遍偏小,各地地面風(fēng)速年均值都在2m/s以下,特別是綿陽、成都、資陽、宜賓,年平均風(fēng)速為0.8～1.4m/s.對(duì)比4個(gè)季度(1、4、7、10月)的月均風(fēng)速可以發(fā)現(xiàn),4月和7月的平均風(fēng)速整體比其他月份大,1月和10月的風(fēng)速相當(dāng),基本維持在1.0m/s左右;由于7月份風(fēng)速大且常有降水發(fā)生,氣溶膠受雨水沖刷而沉降,4月份主要是吹北風(fēng),北方的沙塵會(huì)帶入盆地而導(dǎo)致氣溶膠污染嚴(yán)重;這與MODIS分析的春冬季AOD高,夏秋季AOD低結(jié)論相一致.

表2 四川盆地主要城市及全國重要城市風(fēng)速 (m/s)Table 2 The wind speed betweenthe major cities of Sichuanbasinand the important cities of China (m/s)

4.2.2 邊界層高度 大氣邊界層是指對(duì)流層以下與地面直接耦合的氣層,主要受下墊面的摩擦、蒸散、熱量傳遞、污染物傳輸與地形擾動(dòng)等因素影響[27].大氣邊界層對(duì)近地面氣溶膠的擴(kuò)散具有重要的指示意義[28].

圖8是以NCEP FNL(6h, 1°× 1°)資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用WRF模式模擬得到川南地形帶上成都、資陽和瀘州3個(gè)城市2011～2013年各季度的大氣邊界層月平均高度分布圖,圖中橫坐標(biāo)從左至右依次表示2011～2013年1、4、7、10月3個(gè)城市的月平均大氣邊界層高度.從圖8可知,3個(gè)城市在2011～2013年均表現(xiàn)為秋冬季邊界層高度低,春夏季高的特點(diǎn).冬季邊界層高度低,污染物易累積,夏季邊界層高度比其他季節(jié)高且穩(wěn)定,有利于污染物擴(kuò)散.2011～2013年邊界層高度整體增高與MODIS反演的AOD在2011～2013年減小相一致.

圖8 四川省主要城市各季度的邊界層高度Fig.8 The seasonal Planet Boundary Layer Height in the major cities of Sichuan

4.2.3 流場 氣旋式流場使氣流難以將污染物輸送出盆地,容易形成盆地內(nèi)城市間逆時(shí)針方向的上下風(fēng)關(guān)系相互影響.圖9是2013年四川盆地30m高度的季節(jié)平均流場分布.從圖9可以看出,川南特殊的南高北低地形使川南北部形成氣旋式渦旋,氣旋式流場使污染物難以遠(yuǎn)距離擴(kuò)散輸送并形成渦旋——在自貢、內(nèi)江、瀘州、宜賓一帶形成“污染物滯留區(qū)”.春季,渦旋中心主要在瀘州一帶;夏季,渦旋中心向西北移動(dòng)到自貢、內(nèi)江一帶;秋季,渦旋中心在瀘州-宜賓-自貢交界一帶;冬季,渦旋中心在內(nèi)江東部和瀘州北部一帶.結(jié)合表2和圖9可以發(fā)現(xiàn),內(nèi)江和瀘州平均風(fēng)速比其他地方高,但內(nèi)江及樂山主要吹北風(fēng),瀘州吹南風(fēng),宜賓吹西風(fēng),在自貢和內(nèi)江地區(qū)形成輻合區(qū),氣溶膠在風(fēng)和流場的影響下在自貢和內(nèi)江附近匯集,從而導(dǎo)致內(nèi)江和自貢的AOD普遍偏高,同時(shí)樂山、宜賓和瀘州等地與內(nèi)江、自貢接壤的地區(qū)也會(huì)受到相應(yīng)的影響.

圖9 2013年四川盆地30m高度的季節(jié)平均流場分布Fig.9 Distribution of Sichuan basin mean seasonal flowfield of 30min 2013

4.2.4 相對(duì)濕度與逆溫 灰塵等顆粒物作為水汽的凝結(jié)核,凝結(jié)后沉于大氣低層,使得灰塵濃度升高,在足夠的濕度和降溫條件下形成霧,導(dǎo)致當(dāng)?shù)啬芤姸认陆挡⒓觿〈髿馕廴綶29-34].自貢、內(nèi)江和瀘州市在靜風(fēng)或微風(fēng)時(shí)以及少云的夜晚,近地面層容易產(chǎn)生輻射逆溫;逆溫層中的氣溶膠因不易擴(kuò)散而大量積聚,空氣質(zhì)量差,導(dǎo)致污染加劇[35-38].

4.3 經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)AOD的貢獻(xiàn)

川南作為四川的第二大經(jīng)濟(jì)區(qū),城鎮(zhèn)建筑、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及工業(yè)等都相對(duì)發(fā)達(dá),經(jīng)濟(jì)發(fā)展同時(shí)伴隨環(huán)境污染加劇.

農(nóng)業(yè)方面.何敏等[39]對(duì)四川秸稈燃燒的統(tǒng)計(jì),2012年四川全省秸稈燃燒排放PM2.5總量達(dá)39277t,自貢、瀘州、內(nèi)江、樂山、宜賓PM2.5排放量分別為1621,2341,1969,1435,2777t,其中水稻、小麥、玉米和油菜的燃燒貢獻(xiàn)率占88%以上.

機(jī)動(dòng)車尾氣排放是城市大氣污染的重要來源.根據(jù)環(huán)統(tǒng)數(shù)據(jù),2016年四川省機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)1400萬輛,其中川南達(dá)到250萬輛,僅次于成都.而研究表明[40],2012年成都市僅輕型汽油客車PM排放量達(dá)1600t,占大氣污染物總排放量的18.1%.進(jìn)而可推測,川南的機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)當(dāng)?shù)貧馊苣z污染貢獻(xiàn)不容忽視.

工業(yè)方面.2007～2014年川南的顆粒物年排放總量平均值為88385.13t,其中樂山市年均排放總量最大達(dá)36073.12t,內(nèi)江僅次于樂山市.2007～2014年川南整體的顆粒物年排放總量變化平穩(wěn),2007年排放總量最大達(dá)112214t,2011年以后明顯下降.工業(yè)顆粒物排放來源主要有電廠、水泥廠、鋼鐵廠和制酒企業(yè)[41].

本文利用多年的MODIS衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)及地面觀測數(shù)據(jù)深入分析了川南的氣溶膠時(shí)空分布及其成因,并得出了相應(yīng)的結(jié)論.根據(jù)研究結(jié)果建議相關(guān)部分應(yīng)重視從排放源上進(jìn)行大氣污染治理.一方面,嚴(yán)格控制機(jī)動(dòng)車保有量及相關(guān)企業(yè)的污染排放;另一方面,制定嚴(yán)格的秸稈焚燒懲罰措施,加大力度打擊農(nóng)作物收割季節(jié)的秸稈露天焚燒行為.

5 結(jié)論

5.1 MODIS AOD產(chǎn)品與地面太陽光度計(jì)(CE318)AOD的相關(guān)性為0.779,表明MODIS氣溶膠產(chǎn)品可作為川南大氣污染研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

5.2 MODIS氣溶膠產(chǎn)品與PM2.5、PM10具有良好的線性關(guān)系,最高相關(guān)系數(shù)分別為0.894、0.83,表明MODIS氣溶膠產(chǎn)品可以很好的反映近地面的顆粒物污染情況.

5.3 川南AOD空間分布特征表現(xiàn)為北高南低,以城市為高值中心向四周減小.自貢市和內(nèi)江市的氣溶膠污染最為嚴(yán)重,兩市的大部分地區(qū)AOD年均值在1.0以上;樂山北部的夾江縣、樂山市和井研縣,宜賓的宜賓縣北部、南溪縣、江安縣北部及瀘州北部的瀘縣、瀘州市為顆粒物污染嚴(yán)重區(qū).

5.4 2006～2015年川南AOD年均值在0.5～0.8之間變化,2006～2013年AOD值變化平穩(wěn), 2013年后明顯下降.川南氣溶膠季節(jié)分布特征表現(xiàn)為春冬季高,夏秋季低,大部分地區(qū)AOD＜1.0,其中春季顆粒物污染最為突出.月變化特征表現(xiàn)為2～4、9月AOD值高,其他月AOD值低,最大值出現(xiàn)在4月份(AOD平均值達(dá)0.84).高海拔區(qū)AOD沒有明顯的時(shí)間變化.

5.5 川南地區(qū)AOD空間分布差異主要受地形因素和流場的影響,區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的顆粒物也占有一定的貢獻(xiàn).氣溶膠年變化差異主要是由機(jī)動(dòng)車尾氣排放和工業(yè)顆粒物排放量年際變化引起;月際變化差異原因主要表現(xiàn)為2月份春節(jié)期間燃放鞭炮,3、4月份油菜秸稈焚燒與北方沙塵影響及8、9月份的水稻、玉米、小麥等秸稈焚燒,季節(jié)性差異主要是受春季的沙塵暴和本地?fù)P塵,夏季的豐富降水,冬季低氣溫及靜穩(wěn)天氣等影響.

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Analyses on the spatial-temporal distribu tion features and causing factors of atmospheric haze in the southerncity-groupof Sichuan.

HE Mu-quan1,2, LIU Zhi-hong1*, ZHANG Ying1, ZHANG Yang3, YAN Yan4, HUANG Guan1, ZHANG Juan1, CHEN Jun-hui2, HE Min2, FAN Wu-bo2
(1.School of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China；2.Sichuan Academy of Environmental Sciences, Chengdu, 610041, China；3.Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；4.School of Earth and Space Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230001, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：432～442

This study checked the quality of MODIS 3kmAOD daily data using the local CE318 data in southern Sichuan. After ensuring the availability of MODIS AOD product, the relationship model of MODIS AOD and PM2.5/10was set up. And the temporal-spatial characteristics of atmospheric haze in the city group of Southern Sichuan were analyzed. The correlation coefficient between CE318AOD data and MODIS AOD product was 0.779, and the optimal correlation coefficient between PM2.5, PM10and MODIS AOD was 0.894, 0.83 respectively. Spatially, the value of average AOD in the northern region was higher than the southern region of southern Sichuan, and the cities with highest AOD were Neijiang and Zigong. Temporally, the averaged AOD had no significant change from2006 to 2013, but decreased obviously after 2013. A lso the averaged AOD was higher in spring and winter, but lower in summer and autumn, and the largest proportion of high value was in spring. The monthly variation features showed that the AOD value was high fromFebruary to April and September and lowin other months. The temporal and spatial distribution of AOD in Southern Sichuan were affected by terrain, industrial, wind speed and direction, flowfield, PBL and other factors, among which, the terrain and flowfield were the most prominent factors.

MODIS；aerosol；haze；the spatial-temporal distribution；the southern city-group of Sichuan

X513

A

1000-6923(2017)02-0432-11

何沐全(1991-),男,廣東韶關(guān)人,成都信息工程大學(xué)碩士研究生,主要從事大氣氣溶膠遙感與大氣環(huán)境模式模擬.

2016-06-19

四川盆地城市群大氣復(fù)合污染”診斷”與聯(lián)防聯(lián)控模擬研究(2015GZ0241),四川省社會(huì)科學(xué)規(guī)劃重大項(xiàng)目(SC15ZD01)

* 責(zé)任作者, 教授, wxzlzh@cuit.edu.cn