基于MODIS遥感DT和DB数据集的中国AOD分布与变化

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大气气溶胶光学厚度AOD (Aerosol Optical Depth)作为衡量气溶胶的一个重要指标,是表征大气浑浊度的一个重要物理量。AOD的空间分布和时间变化主要受排放源(人为和自然)和气候条件的影响。本文利用NASA的EOS卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)和地面气溶胶观测网(AERONET)资料对近10多年来中国和其他11个国家AOD的时空分布和变化趋势进行了分析研究。首先,将MODIS-Aqua版本为C005,时间从2002年7月到2013年3月共129个月的Level3月平均AOD“暗目标”(DT)反演算法与“深蓝”(DB)算法的数据,按照DT数据优先的方法,进行两种数据集的融合,得到了双数据集。其次,将中国地区及分布在亚非拉三大洲的其他11个新兴经济体、人口较稠密国家的27个AERONET地面观测站点的AOD数据与融合后的双数据集进行对比检验。结果表明,在各国和地区两者具有较好的相关性,其中,美洲国家的MODIS数据与AERONET数据的相关性要好于亚洲和非洲各国。融合后的AOD双数据集可以满足AOD的研究要求。然后,基于此双数据集分析了中国地区,以及用地理学上“胡焕庸线”划分的中国东部和西部等3个区域AOD的年、季和月平均空间分布特征,AOD年际间变化趋势。还利用世界银行公布的《世界发展指标1960-2012》中的中国的人口、GDP和能源消耗等数据,分析了这三个因素对AOD变化的影响。结果表明:(1)中国地区AOD空间分布差异较大。东部的高值区主要分布在华北的京津冀、华南珠三角、华东长江中上游和长三角,以及四川盆地等人口稠密、经济发达区域;西部高值主要分布在新疆塔里木盆地到青海柴达木盆地的区域;AOD低值区主要分布在东北内蒙古北部及黑龙江部分地区,以及云贵高原西北部、川西高原和青藏高原东南部一带。(2)中国AOD的时间变化也十分显著:按季节变化来说,东北南部、华北的京津唐、长江中下游、长三角和珠三角、塔克拉玛干沙漠和青藏高原西北部等地区季节变化较为明显。中国大陆春季的AOD最高,夏季和冬季次之,秋季最低;按月变化来说,4月AOD最高,6月次高,11月AOD最低,12月次低。(3)2003—2012的东西部地区AOD的年变化差异:在“胡焕庸线”以东,年平均AOD较高,在0.42-0.49之间,而“胡线”以西的年平均AOD较低,介于0.23-0.28之间。东西部年AOD的平均差值约为0.2。近10年来东部和西部AOD都呈增加变化趋势,但西部的增加速率要低于东部。(4)东、西部地区AOD季节和月的变化特征:东部地区AOD春季最高达0.55,秋季最低在0.38左右;而西部地区AOD春季最高在0.35左右(低于东部地区的最低水平),秋季最低小于0.17。东西部地区AOD的月变化,东部地区从1月至6月逐渐升高,到6月份达到最大值,7-11月逐渐减小,极大值出现在6月份,极小值出现在11月份;西部地区1-4月AOD逐渐升高,到4月份达到最大值,4月至8月小幅度减小,8-11月急剧减小,11月份达到最小值。(5)三种人为影响因素分析。人口密度:分别对全国、东部和西部人口密度与AOD相关性作了线性回归分析,各自的相关系数分别为0.32,0.35和0.23,可见东部地区人口密度对其影响最为明显,即人口密度越大,人为活动产生的气溶胶越多,气溶胶光学厚度也越高。国内生产总值(GDP):气溶胶光学厚度与人均GDP呈正相关关系,相关系数为0.4,即GDP的增长会带来气溶胶浓度的增加。能源消耗:AOD与人均能源消耗呈正相关,相关系数为0.49,为三种因素中影响AOD最大的因素。最后,根据融合后双数据集资料,分析了全球新兴经济体、人口较多、在各大洲中气溶胶光学厚度较大的亚洲6国(印度、巴基斯坦、泰国、越南、孟加拉和印尼)、美洲3国(墨西哥、巴西和阿根廷)和非洲2国(尼日尔和刚果(金)),这11个国家的AOD年(季、月)分布特征和变化趋势。结果显示:(1)这11个国家AOD分布特征。有1个国家的多年平均AOD值在0.5以上,有3个国家在0.4-0.5之间,有3个在0.3-0.4之间,有1个在0.2-0.3之间,余下的3个美洲国家都在0.2以下。中国与其他11个国家多年平均AOD的比较分析后,按从高到底的顺序排列为:孟加拉国>巴基斯坦>尼日尔>印度>中国>刚果(金)>越南>泰国>印尼>墨西哥>巴西>阿根廷。由此可见,整个中国地区的AOD在这些国家中处于比较靠中间的位置,即中国并非全球AOD最高的国家。(2)这11个国家AOD的变化趋势。这11个国家中,除了尼日尔、巴西、巴基斯坦和印度尼西亚这4国的AOD出现减少趋势外,其余7个国家的AOD都呈上升趋势。这7个国家AOD的增加速率排序为:孟加拉国>印度>阿根廷>泰国>越南>墨西哥>刚果(金),其中孟加拉国和印度的AOD增加趋势通过了99%的置信度检验,其余5国的上升趋势未能通过置信度检验。
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