羅 凱，盛立芳

（中國海洋大學1.海洋環(huán)境學院；2.物理海洋重點實驗室 海洋－大氣相互作用與氣候?qū)嶒炇?，山東 青島266100）

氣溶膠是固態(tài)和液態(tài)微粒在大氣中形成的相對穩(wěn)定的懸浮體系，是大氣中重要的成分之一，也是影響氣候變化的重要因子［1］。其來源主要為自然界產(chǎn)生和人為產(chǎn)生兩大類。東亞地區(qū)的氣溶膠種類主要是自然產(chǎn)生的沙塵氣溶膠、生物氣溶膠，以及人為產(chǎn)生的硫酸鹽氣溶膠、硝酸鹽氣溶膠和炭黑氣溶膠等［2－6］。

氣溶膠對地面能量收支乃至全球氣候變化有著重要影響，是目前氣候研究中最大的不確定性因子之一［7］。東亞作為全球氣溶膠大值區(qū)之一，氣溶膠對當?shù)貧夂虻挠绊懖蝗莺鲆暋６芯繗馊苣z對氣候的影響重要的一點是搞清氣溶膠大尺度時空分布特征及其影響因子。同時，氣溶膠光學厚度（AOD）作為氣溶膠光學特性之一，也是指示氣溶膠影響氣候的重要參量，成為研究的重要對象。

以往對大范圍區(qū)域AOD的研究主要通過多個地面太陽輻射觀測站資料反演AOD。邱金桓等［8］提出了由太陽短波直接輻射和地面能見度信息配合氣象臺站太陽直射表觀測資料反演700nm AOD的方法，并分析了中國10個太陽輻射站1980—1994年間的氣溶膠變化特征；羅云峰等［9］用中國47個太陽輻射站觀測資料反演了1961—1990年750nm AOD；宗雪梅等［10］反演了1993—2002年我國16個輻射觀測站的AOD；許瀟鋒等［11］通過從水平面直接輻射日曝輻量反演了我國50多個臺站1961—1990年750nm AOD。這些研究表明，我國AOD在空間上分布很不均勻，各站點變化不同，全國平均而言，AOD多年來呈增長趨勢，春季AOD最大。

此外，邱明燕等［12］利用單站點氣溶膠資料對青島地區(qū)AOD做了研究，表明青島AOD日變化較大，受風向和天氣狀況影響明顯。肖鐘湧等［13］利用站點資料對杭州AOD的研究表明，當?shù)谹OD在冬季普遍大于夏季，且AOD區(qū)域差異明顯，在人為活動強烈的地區(qū)更大。蔡子穎等［14］利用單站點資料對鄭州AOD的研究表明，當?shù)谹OD夏季最高，春季最低。也有學者利用衛(wèi)星資料對北京［15］、四川［16］、上海［17］等地區(qū)的 AOD進行了研究。研究表明，北京、四川AOD受地形影響顯著，四川AOD季節(jié)變化不明顯，上海AOD有明顯日變化和季節(jié)變化，并可能受到氣象因子影響。

對于氣溶膠大尺度時空分布的研究，利用衛(wèi)星遙感資料較為方便，也十分必要［18］。有研究利用Terra或Aqua衛(wèi)星上搭載的中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）氣溶膠資料分析了中國東部AOD的時空分布特征［19－21］，結(jié)果表明，MODIS氣溶膠產(chǎn)品在東亞海陸都達到了一定的精度，AOD在中國東部地區(qū)及中國海域有明顯的區(qū)域特征和季節(jié)變化。

以往對AOD長期變化的研究在空間上多為單站點、小尺度，而空間上的大尺度研究往往時間尺度較小，長期變化不明顯。邱金桓等［22］指出，利用衛(wèi)星遙感與地基網(wǎng)絡探測相結(jié)合，研究氣溶膠光學特性的時空分布是1個有待研究和突破的問題。本文利用MODIS氣溶膠資料在大時空尺度上的優(yōu)越性，結(jié)合AERONET站點資料，從較大空間尺度分析整個東亞AOD在較長時期內(nèi)（2000—2011年）的分布特征，試圖找到不同地區(qū)AOD變化的共性和區(qū)別，及其關鍵的影響因素，以便對東亞AOD時空分布有更全面和深入的了解。

1 數(shù)據(jù)介紹

氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，AOD），是衡量氣溶膠粒子對太陽輻射消光（散射和吸收）能力的1個重要參數(shù)。太陽輻射在大氣中傳輸時，路徑上兩點間的光學厚度等于沿兩點路徑的單位截面上氣溶膠所有吸收和散射物質(zhì)產(chǎn)生的總衰減，表示對太陽輻射消光作用的強弱，表達式為式（1）。它是無量綱量，由氣溶膠類型、含量的大小以及粒子譜分布等決定。AOD作為大氣氣溶膠最基本的光學特性之一，是表征大氣氣溶膠狀況的1個重要物理量，是評價大氣環(huán)境污染、研究氣溶膠氣候效應的關鍵因子。同時，由于太陽輻射能量主要集中在可見光波段，因此可見光波段的AOD對地球輻射平衡的影響較為顯著，成為研究中的重點。本文選取的AOD為550nm。

式中：λ為波長；τ（λ）為波長λ處的氣溶膠光學厚度；h為大氣高度；β為高h處氣溶膠粒子在波長λ處的消光系數(shù)。

Angstrom指數(shù)表征垂直氣柱內(nèi)氣溶膠粒子的譜分布，表示顆粒的平均半徑。Angstrom指數(shù)α可以利用公式（2），由2個波段的AOD求得（這里選的是440和675nm）。氣溶膠粒子平均半徑隨著α的增大而減小，因此Angstrom指數(shù)可用來判斷氣溶膠粒子大小及類型。

式中：τ440、τ675分別代表440和675nm 的 AOD。

MODIS是Terra和Aqua衛(wèi)星上都裝載的重要傳感器，是地球觀測系統(tǒng) （Earth Observing System，EOS）計劃中用于觀測全球生物和物理過程的儀器。它提供0.4～14.5μm之間36個波段的圖像，星下點空間分辨率可為250、500和1 000m，視場寬度為2 330km，每2d可連續(xù)提供地球上任何地方白天反射輻射和白天／晝夜的發(fā)射輻射數(shù)據(jù)，包括對地球陸地、海洋和大氣觀測的可見光和紅外波譜數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)集既可以用于研究云、水汽、氣溶膠、痕量氣體、陸表和洋面特性等的相互作用，也可以用于研究它們對地球能量平衡和氣候變化的影響。搭載MODIS傳感器的Terra衛(wèi)星于2000年升空，至今已有12a的資料。

AERONET使用CE318型太陽光度計進行氣溶膠地基觀測，目前在全球分布有500多個站點。提供全球不同氣溶膠類型區(qū)的AOD、Angstrom指數(shù)、反演參數(shù)產(chǎn)品和可降水量數(shù)據(jù)［23］。它的產(chǎn)品有很高的精度，例如 AOD產(chǎn)品誤差在0.01～0.02之間［24］。所以該網(wǎng)站在氣溶膠衛(wèi)星遙感產(chǎn)品和模式產(chǎn)品的驗證等方面發(fā)揮了重要作用。

本文主要使用了Terra衛(wèi)星MODIS傳感器2000—2011年的月平均550nm AOD資料，氣溶膠自動觀測網(wǎng)（Aerosol Robotic Network，AERONET）在東亞5個典型站點2006年的日平均440和675nm AOD資料，日平均440～675nm Angstrom指數(shù)資料，以及NCEP／NCAR 2000—2011年的月平均850hPa位勢高度資料。

為使衛(wèi)星和地面觀測的AOD波段統(tǒng)一，利用440和675nm AOD 以及公式（2）、（3）計算得到 AERONET 550nm的 AOD。

式中：τ440、τ550分別代表440和550nm的 AOD。

2 東亞AOD時空分布的EOF分析

為了解東亞AOD的時空分布和不同成因及類型，本文對2000—2011年季節(jié)平均的AOD數(shù)據(jù)做了距平EOF分析。季節(jié)劃分：春季為3、4、5月，夏季為6、7、8月，秋季為9、10、11月，冬季為12月和次年1、2月。AOD的距平值指的是每個季節(jié)的原始值與2000—2011年共48個季節(jié)所作的總平均值之差，保留季節(jié)信號。

表1 EOF前9個模態(tài)的特征值、方差貢獻率和累積方差貢獻率Table 1 Eigenvalue，variance contribution and cumulated variance contribution of the first nine modes of EOF

表1為EOF前9個模態(tài)的特征值、方差貢獻率和累積方差貢獻率。其中第一模態(tài)方差貢獻率為41.96%，第二模態(tài)方差貢獻率為19.09%，其余模態(tài)方差貢獻率都在3%以下。

根據(jù) North等［25］提出的檢驗方法，令其中δλα是相鄰特征值之間的樣本誤差，λα為第α模態(tài)的特征值，n為樣本容量。當相鄰兩特征值之差大于δλα時，這2個特征值可分離，所對應的模態(tài)有意義。經(jīng)過計算，λ1－λ2＝194.74，δλ172.93；λ2－λ3＝144.42，δλ233.18。得出：λ1－λ2＞δλ1，λ2－λ3＞δλ2，第一模態(tài)和第二模態(tài)有意義。其他模態(tài)相鄰兩特征值之差都小于δλα，故不再考慮。

2.1 EOF第一模態(tài)分析

圖1 EOF第一模態(tài)空間分布Fig.1 Spatial pattern of EOF Mode－1

圖2 EOF第一模態(tài)時間序列Fig.2 Time series of EOF Mode－1

圖1 為第一模態(tài)的空間分布型?？梢钥闯?，東亞AOD整體呈同位相變化。陸地上，振幅最大的地區(qū)在中國華東、華北，越往南振幅越小，尤其在中國西南地區(qū)，振幅最小。海洋上最大振幅出現(xiàn)在35°N以北靠近大陸的部分，越往南振幅越小，在20°N以南振幅最小，甚至在17°N以南的南海出現(xiàn)反位相。圖2為第一模態(tài)時間序列，圖中圓點所對應的時間刻度依次為每年的春、夏、秋、冬。結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)第一模態(tài)空間型有明顯的季節(jié)變化，空間型在春季最顯著，其次為秋冬季，但位相相反。對于春季來說，2003年春季AOD變化最大，2004年最小。從圖2還可以看出，春季和夏季AOD的變化在2000—2003年整體上都呈現(xiàn)增大趨勢，2004年突降，又在2004—2008年呈現(xiàn)增大趨勢，2009年突降，整體上體現(xiàn)出5a左右的周期性振蕩。秋季AOD變化在2006—2010年呈反位相逐年增大的趨勢。冬季變化規(guī)律不甚明顯。由于資料長度所限，以上表現(xiàn)出的周期可能并不十分準確。研究表明，亞洲季風存在準2a，準3～5a的年際振蕩［26－28］，由于 AOD受風向、溫度和濕度等氣象要素影響明顯，而這些氣象要素的變化與季風系統(tǒng)密切相關，所以春夏季AOD出現(xiàn)的年際振蕩可能與亞洲季風的年際振蕩有一定關系，但這需要進一步研究。

第一模態(tài)在春季最為顯著，對春季AOD距平場進行合成后（圖略）也得到了與圖1類似的空間分布。由于東亞沙塵氣溶膠也在春季明顯［29］，因此初步判斷第一模態(tài)主要反映了春季沙塵氣溶膠對東亞地區(qū)AOD的影響。為了進一步驗證該猜測，本文利用AERONET東亞5個典型站點2006年的日平均550nm AOD資料和440～675nm Angstrom指數(shù)資料進行研究。Angstrom指數(shù)α的范圍一般為0＜α＜2，平均值大約為1.3。氣溶膠粒子平均半徑隨著α的增大而減小。城市－工業(yè)氣溶膠一般為1.1≤α≤2.4［30］，生物質(zhì)燃燒氣溶膠為1.2≤α≤2.3［30］，沙塵氣溶膠一般為－1≤α≤0.5［31］，海鹽氣溶膠為1.1≤α≤1.8［32］。選擇2006年的原因，一是當年春季沙塵天氣較為典型，二是這5個站點在當年的觀測資料都較全，其他年份則有某些站點資料不完整導致無法比較。

圖3 北京站2006年Angstrom指數(shù)與AOD的對應關系Fig.3 Correspondence between Angstrom index and AOD in Beijing Station，2006

圖3為北京站2006年Angstrom指數(shù)與AOD的對應關系。由于受到云的影響等原因，并不是每天都有觀測數(shù)據(jù)，所以每個季節(jié)的觀測天數(shù)少于季節(jié)實際總天數(shù)。一般而言，550nm AOD超過1時已經(jīng)較大，本文為方便論述，合理選擇AOD＝1.5作為衡量AOD大值的標準。另外，根據(jù)上文對Angstrom指數(shù)的介紹，認為Angstrom指數(shù)小于0.5時表示受到沙塵影響。

從圖3a可發(fā)現(xiàn)，春季Angstrom指數(shù)絕大多數(shù)在1.0以下，低于0.5的時次超過春季總觀測時次的28%，而另外三季（見圖3b，3c，3d）的Angstrom指數(shù)大多集中在1.0附近或大于1.0。這說明北京地區(qū)春季受沙塵影響十分明顯。而春季AOD較高的日期，Angstrom指數(shù)普遍較小。絕大部分AOD大于1.5的日期，Angstrom指數(shù)都小于1.0，甚至是小于0.5，即受到了沙塵氣溶膠的影響。北京地區(qū)春季AOD出現(xiàn)高值的日期與Angstrom指數(shù)出現(xiàn)低值的日期較為吻合，即當氣溶膠以沙塵氣溶膠為主時AOD偏大，這說明沙塵氣溶膠造成了北京地區(qū)春季部分AOD高值的出現(xiàn)。這與楊志峰［33］在對北京上甸子測站氣溶膠資料研究中得出的結(jié)論一致。造成這一現(xiàn)象的原因主要是中國華北地區(qū)以及蒙古國南部在春季干旱少雨，且風力較大，氣溶膠的濕沉降較小，蒙古國南部沙漠地區(qū)易起沙塵，一定條件下大量沙塵氣溶膠向東長距離輸送，甚至可以擴散到東部沿海，這種現(xiàn)象在4月份最明顯［29］，這使得北京地區(qū)的AOD值在春季較高。對其他站點（韓國Anmyon站，日本Shirahama站，太湖站）的研究也得出了類似的結(jié)論：春季受到沙塵影響，Angstrom指數(shù)普遍偏小，AOD高值的出現(xiàn)也受到沙塵影響。

圖4 2006年東亞五站點日平均Angstrom指數(shù)Fig.4 Daily mean Angstrom index of five stations in East Asia，2006

圖4 為北京站、韓國Anmyon站、太湖站、日本Shirahama站和香港PolyU站2006年日平均Angstrom指數(shù)。從圖中可以較明顯地發(fā)現(xiàn)2006年春季東亞內(nèi)陸的沙塵氣溶膠對整個東亞地區(qū)的影響過程：

亞洲北部地區(qū)氣候較干燥，蒙古國南部、中蒙交界和中國西部、北部的戈壁、沙漠等是全球沙塵氣溶膠的重要發(fā)源地。北京站（見圖4a）位于116°E，雖然離沙塵源地較遠，但從3月初開始Angstrom指數(shù)逐漸減小，小于0.5的記錄增多，表示當?shù)亻_始受到沙塵氣溶膠影響，一直持續(xù)到4月底，并造成了當?shù)谹OD的增加；韓國Anmyon站（見圖4b）位于126°E，韓國屬于半島國家，其附近沒有較大的沙塵來源，但從3月下旬開始，也出現(xiàn)了Angstrom指數(shù)小于0.5的觀測記錄，即沙塵氣溶膠開始增加，一直持續(xù)到4月下旬；日本Shirahama站（見圖4d）位于135°E，日本為島國，本國的森林覆蓋率很高，附近同樣沒有較大的沙塵來源，但從3月下旬開始，也開始受到沙塵氣溶膠的影響，一直持續(xù)到4月下旬。

北京站、韓國Anmyon站和日本Shirahama站的資料充分說明了春季亞洲北部沙塵氣溶膠可以從源地一直向東長距離傳播，甚至可以跨海傳播到韓國和日本。另一方面，通過以上3圖的對比可以發(fā)現(xiàn)，沙塵氣溶膠對各地區(qū)的影響自西向東逐漸減弱，北京站、韓國Anmyon站和日本Shirahama站在春季的Angstrom指數(shù)最小值依次增大，Angstrom指數(shù)小于0.5的天數(shù)也依次減少。

同時，經(jīng)計算，北京站春季多年平均550nm AOD約0.75，韓國站約0.45，日本站約0.32，3站的 AOD依次減小。這一方面是因為各個站點所處的環(huán)境導致本底AOD不同，另一方面也是因為沙塵氣溶膠在自西向東長距離傳播過程中逐漸減弱，對AOD的影響也自西向東逐漸減弱。

東亞南部地區(qū)，太湖站（見圖4c）整個春季Angstrom指數(shù)都較全年其他時期偏小，幾乎都在1.0和0.5之間，這說明該地區(qū)還是受到了北方沙塵的影響，使當?shù)貧馊苣z粒徑偏大。但該影響在太湖地區(qū)已經(jīng)較弱，圖4c顯示，整個春季，雖然Angstrom指數(shù)較小，但小于0.5的觀測記錄只有1個。至于香港PolyU站（見圖4e），可以看出亞洲北部的沙塵天氣沒有對香港地區(qū)造成明顯的影響。

從太湖站和香港PolyU站的資料可以發(fā)現(xiàn)，源自亞洲北部的沙塵氣溶膠，在向南傳播過程中，逐漸減弱，到達長江流域時已經(jīng)很弱，而對更偏南的地區(qū)影響則更小，反映出當?shù)卮杭镜臍馊苣z類型不以沙塵氣溶膠為主。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，東亞地區(qū)沙塵氣溶膠無論時間分布還是空間分布，都和AOD的EOF第一模態(tài)所表現(xiàn)出的時空分布特征較為一致。因此認為，沙塵氣溶膠是導致EOF第一模態(tài)呈現(xiàn)此特征的主要原因。

2.2 EOF第二模態(tài)分析

圖5為第二模態(tài)的空間分布型?？梢钥闯?，南北方呈現(xiàn)明顯的反位相。正負最大振幅分別出現(xiàn)在華北地區(qū)和南海地區(qū)。長江流域及其以南大部分地區(qū)變化不明顯。西北太平洋上，除中國東南沿海外大部分海域變化也不大。結(jié)合圖6的第二模態(tài)時間序列可以發(fā)現(xiàn)，第二模態(tài)的空間型也有明顯的季節(jié)變化，空間型在夏季最顯著，同時，對夏季AOD距平場進行合成后（圖略）也得到了與圖5類似的空間分布。第二模態(tài)在春季也較明顯，但位相與夏季相反，強度也較夏季偏小。夏季存在5a左右的周期性振蕩且整體上有上升趨勢，春季存在3～4a的周期性振蕩且整體上有明顯下降趨勢，秋季和冬季存在4a左右的周期性振蕩但變化較小。春夏季雖然都有周期性振蕩，但總的變化趨勢相反，使得整個時間序列振幅逐年增大。

各個季節(jié)出現(xiàn)的年際振蕩為3～5a，與第一模態(tài)類似，這也可能是受到亞洲季風存在準2a，準3～5a的年際振蕩的影響。由于資料長度所限，年代際振蕩所表現(xiàn)出來的周期可能并不十分準確，需要進一步研究。

從時間序列上看，第二模態(tài)主要反映了夏季的特征（正的峰值遠大于負的谷值），及春夏之間的差異。春季時間序列為負值，配合空間分布表明AOD在北方減小，南方增大；夏季為正值，表明北方增大，南方減小。

春季華北地區(qū)盛行西北風，風從燕山山脈和太行山脈吹向東部平原，不利于華北地區(qū)氣溶膠的聚集；同時大氣中溫度和濕度都較低，不利于工業(yè)氣溶膠的吸濕性膨脹。因此，春季華北地區(qū)由工業(yè)氣溶膠導致的AOD相對減小。廣東、廣西北部為山地，此時盛行的偏南風受地形影響，使得氣溶膠在廣東和廣西南部堆積，同時當?shù)販囟群蜐穸榷驾^高，利于工業(yè)氣溶膠的吸濕性膨脹，導致當?shù)谹OD增大。

夏季華北地區(qū)盛行東南風，使得氣溶膠易受燕山山脈和太行山脈的阻擋而堆積，同時大氣的溫度和濕度都較高，因此工業(yè)氣溶膠大量聚集和吸濕性膨脹，導致AOD增大。華北地區(qū)人口比南方更稠密，工業(yè)氣溶膠的排放源也比南方更多，這使得當?shù)爻蔀檎麄€東亞地區(qū)夏季AOD的主要貢獻源。相比之下，海南地區(qū)AOD下降。但海南地區(qū)AOD只是相對第二模態(tài)空間型表現(xiàn)為下降，若只看海南地區(qū)，其夏季AOD在有些年份比春季大，有些年份比春季小。在海上，由于受到工業(yè)氣溶膠源區(qū)的影響很小，所以除了靠近大陸的海域外，其他海域AOD變化都很小。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，人為氣溶膠的時空分布特征與第二模態(tài)表現(xiàn)出的特征較為類似，因此初步認為，第二模態(tài)反映出在排除第一模態(tài)沙塵氣溶膠影響之后，人為的工業(yè)氣溶膠決定了AOD的大小和分布。這主要是工業(yè)氣溶膠受其排放源，地形條件，以及風場、溫度、濕度和降水等氣象條件的綜合影響而造成的。在此分析基礎上，時間序列振幅的逐年增大，反映出了工業(yè)氣溶膠對AOD的貢獻在逐年增大。

3 東亞AOD與850hPa夏季西太平洋副熱帶高壓的關系

西太平洋副熱帶高壓（簡稱西太副高）是影響東亞氣候的重要系統(tǒng)，其位置和強度都有較為明顯的季節(jié)和年際變化，當這些變化出現(xiàn)異常時，往往能夠造成東亞地區(qū)大范圍的旱澇災害。研究表明，西太副高的移動受到太陽輻射［34］、海洋熱力強迫［35］及大氣加熱［36］等的影響，而氣溶膠通過對太陽光的輻射強迫，對以上3個因子都會產(chǎn)生影響。因此有必要分析氣溶膠與西太副高之間可能存在的聯(lián)系。

由于春夏季氣溶膠一般集中在對流層中低層［37－38］，因此選擇了850hPa西太副高作為研究對象，同時參照王啟等［39］定義850hPa西太副高指數(shù)的方法，選擇1 520線作為刻畫850hPa西太副高的指標線，并定義了850hPa西太副高的月平均西脊點指數(shù)IW，即月平均850hPa高度場上110°E～155°E，10°N～40°N范圍內(nèi)位勢高度1 520gpm線最西端所在的經(jīng)度。由于該區(qū)域的月平均1 520線一般只在5～8月閉合，因此每年只得到5～8月份4個月的IW。

將各月AOD分別與5～8月IW做2000—2011年的相關，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4月份AOD與6月份IW出現(xiàn)大范圍較強的相關性。圖7為4月份AOD與6月份IW的相關系數(shù)分布，其中陰影區(qū)顯著性水平超過90%。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，主要的相關區(qū)域都在海上，大致以22.5°N為界，以北呈負相關，以南呈正相關，即在22.5°N以北的海域上空隨著AOD的增大（減?。?，850 hPa西太副高西脊點向西（東）移動；在22.5°N以南的海域上空隨著AOD的增大（減?。?，850hPa西太副高西脊點向東（西）移動。在對更低層925hPa的分析中也出現(xiàn)了相同的結(jié)論。

對比圖1與圖7可以發(fā)現(xiàn)，圖1中EOF第一模態(tài)海上極值部分所在區(qū)域同圖7中出現(xiàn)高相關的區(qū)域所在位置較為一致：EOF第一模態(tài)海上高值基本出現(xiàn)在30°N～45°N之間，負值區(qū)雖然有較多缺測值，但仍可以看出其基本出現(xiàn)在位于5°N～17.5°N，100°E～115°E的南海；而相關系數(shù)圖中海上負相關較強區(qū)基本出現(xiàn)在27.5°N～45°N之間，正相關較強區(qū)出現(xiàn)在位于5°N～17.5°N，100°E～115°E的南海。

由前一節(jié)論述可知，第一模態(tài)主要反映了春季沙塵氣溶膠的分布特征。在春季，蒙古國南部、中蒙交界和中國西部、北部的戈壁、沙漠等地干旱少雨且風力較大，易起沙塵且氣溶膠的濕沉降較小，在西北風的作用下大量沙塵氣溶膠向東長距離輸送，擴散到東部沿海，直至日本以東海域，這種現(xiàn)象在4月份最明顯［29］。

雖然沙塵氣溶膠可以吸收太陽輻射，對沙塵層有很強的加熱作用［40］，但由于沙塵對太陽輻射的反照率高于海面，使得對整個海氣系統(tǒng)來說，吸收的太陽輻射是減少的。研究表明，東亞春季北太平洋中高緯地區(qū)的沙塵氣溶膠對太陽的輻射強迫為負［41］，王宏等［42］模擬估算的2001年春季東亞－北太平洋地區(qū)大氣頂凈輻射強迫為－0.943W·m－2，海面為－5.445W·m－2。因此，在沙塵氣溶膠盛行并維持一段時間后，該區(qū)域海面及低層大氣溫度將下降，使得該區(qū)域氣壓升高。根據(jù)天氣分析的經(jīng)驗規(guī)則，西太副高更容易向著增壓的方向移動［43］。因此，4月份中緯度西北太平洋上空AOD的增大（減?。┯锌赡芤?月份中低對流層西太副高西脊點向西（東）移動。

圖7 AOD（4月）與IW（6月）的相關系數(shù)分布Fig.7 Correlation coefficients between AOD （April）and IW （June）

由圖1分析可知，在低緯度的南海幾乎不受沙塵影響，此處的氣溶膠類型主要為炭黑氣溶膠［44］，該類型氣溶膠對太陽輻射主要為強烈的吸收作用，使得大氣增溫，同時造成海面接收的太陽輻射減少。但整個海氣系統(tǒng)的輻射強迫為正，且一般在春季最顯著［45］，正輻射強迫最終導致大氣和海面溫度升高［46］。海氣溫度的升高進一步加強了當?shù)氐膶α骰顒?，有利于南海季風槽的形成和增強，而南海季風槽的形成和增強進一步使得西太副高西脊點向東移動。所以春季南海AOD增大（減?。?，有可能引起中低對流層西太副高西脊點向東（西）移動。徐海明等［47］的研究表明，孟加拉灣對流的加強可導致西太副高西脊點向西移動，同時也得出孟加拉灣和南海－西太平洋的對流活動相反，當孟加拉灣對流活躍時，南海－西太平洋的對流活動會明顯受到抑制，南海季風槽中斷；祝從文等［48］的研究表明南海－西太平洋一帶的上升運動可以通過緯向環(huán)流為西太副高的東移提供條件。二者在一定程度上都佐證了本文所研究南海區(qū)域的AOD與IW的聯(lián)系。

從圖7還可以發(fā)現(xiàn)，與負相關區(qū)域相比，正相關區(qū)域更加集中，相關系數(shù)也更大，這說明AOD對西太副高的影響可能受太陽輻射隨緯度的變化而變化。南海處于熱帶，太陽輻射比中高緯度強，AOD在變化程度相同的情況下，對輻射的影響也更強。同時，由于南北方氣溶膠類型不同，炭黑氣溶膠對太陽輻射的吸收比沙塵氣溶膠強很多，而沙塵氣溶膠對太陽輻射的后向散射能力強于炭黑氣溶膠［49］，這造成二者對輻射及海氣溫度的影響程度也不盡相同。

陸地上之所以沒有出現(xiàn)較好的相關性，原因可能是陸地上空氣溶膠類型比較復雜，多種類型氣溶膠混雜導致對太陽輻射的強迫作用正負及大小不定，使相關性不明顯；另一方面也可能是陸上氣溶膠導致的地面、大氣溫度變化，與海洋上的西太副高聯(lián)系不大。

4 結(jié)論

本文利用Terra衛(wèi)星MODIS傳感器2000—2011年550nm AOD資料，AERONET東亞站點AOD和Angstrom指數(shù)資料，以及 NCEP／NCAR的2000—2011年位勢高度資料，用經(jīng)驗正交函數(shù)分解方法（EOF）分析了近12a東亞AOD時空分布特征，同時分析了AOD對夏季850hPa西太平洋副熱帶高壓的影響。研究結(jié)果表明：（1）EOF第一模態(tài)，東亞AOD整體呈同位相變化。陸地上，振幅最大的地區(qū)在中國華東、華北，越往南振幅越小，尤其在中國西南地區(qū)，振幅最小。在海洋上，最大振幅出現(xiàn)在35°N以北靠近大陸的部分，越往南振幅越小，在20°N以南振幅最小，甚至在17°N以南的南海出現(xiàn)反位相。空間型在春季最顯著，其次為秋冬季，但位相相反。沙塵氣溶膠是導致EOF第一模態(tài)出現(xiàn)的主要原因。

（2）EOF第二模態(tài)，東亞大陸AOD在南北方呈現(xiàn)明顯反位相，正負最大振幅分別出現(xiàn)在華北地區(qū)和南海地區(qū)。長江流域及其以南大部分地區(qū)變化不明顯。西北太平洋上，除中國東南沿海外大部分海域變化也不大?？臻g型在夏季最顯著，春季也較明顯，但位相與夏季相反。第二模態(tài)反映出在排除第一模態(tài)沙塵氣溶膠影響之后，人為的工業(yè)氣溶膠決定了AOD的大小和分布。這主要是工業(yè)氣溶膠受其排放源，地形條件，以及風場、溫度、濕度和降水等氣象條件的綜合影響而造成的。

（3）4月份西太平洋上AOD與6月份850hPa西太副高的西脊點指數(shù)有較明顯的2個月超前相關。該相關大致以22.5°N為界，以北呈負相關，以南呈正相關。初步分析認為：北部負相關是由于4月份當?shù)睾Ｓ蛏峡帐苌硥m氣溶膠影響，負的輻射強迫使溫度下降，氣壓上升。因此AOD的增大（減小）將導致西太副高西伸（東退）。南部正相關是由于4月份當?shù)睾Ｓ蛏峡帐芴亢跉馊苣z影響，正的輻射強迫使溫度升高，對流加強。因此AOD的增大（減小）將導致西太副高東退（西伸）。

當然，EOF只是1種純數(shù)學的分析方法，其結(jié)果不一定與物理意義吻合。本文中，前兩模態(tài)分別可以解釋方差的41.96%和19.09%，雖然比較大，但畢竟沒有體現(xiàn)出AOD分布的所有特征。同時，1個模態(tài)可能受多種物理機制共同影響，1種物理機制也可能在多個模態(tài)中發(fā)揮作用，所以文中所述影響2個模態(tài)的主要因素，不能完全解釋該2個模態(tài)表現(xiàn)出來的所有特征，但對于主要特征，文中解釋是合乎邏輯的。

文中提到EOF時間序列出現(xiàn)的年際振蕩，還需要更長時間尺度資料的驗證，與亞洲季風年際振蕩的關系，也有待進一步研究。

另外，西太副高的移動受多種動力、熱力因子綜合影響，情況復雜，本文只是從1個可能的方面進行了初步分析并提出觀點，要想深入了解氣溶膠對西太副高的影響，還需大量的研究工作。

致謝：感謝NASA提供的 MODIS AOD資料，感謝AERONET提供的AOD和Angstrom指數(shù)資料，感謝NCEP／NCAR提供的位勢高度資料。

［1］ 徐影，丁一匯，趙宗慈.近30年人類活動對東亞地區(qū)氣候變化影響的檢測與評估 ［J］.應用氣象學報，2002，13（5）：513－525.

［2］ 田賀忠，郝吉明，陸永琪，等.中國氮氧化物排放清單及分布特征［J］.中國環(huán)境科學，2001，21（6）：493－497.

［3］ 張強，Zbigniew K，David G S，等.中國人為源顆粒物排放模型及2001年排放清單估算 ［J］.自然科學進展，2006，16（2）：223－231.

［4］ 宋翔宇，謝紹東.中國機動車排放清單的建立 ［J］.環(huán)境科學，2006，27（6）：1041－1045.

［5］ 曹國良，張小曳，王亞強，等.中國大陸黑碳氣溶膠排放清單［J］.氣候變化研究進展，2006，2（6）：259－264.

［6］ 國家統(tǒng)計局.中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒2010［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2010：53－68.

［7］ IPCC.The fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change ［M］.Cambridge：Cambridge University Press，2007：153－171.

［8］ 邱金桓，潘繼東，楊理權(quán)，等.中國10個地方大氣氣溶膠1980～1994年間變化特征研究 ［J］.大氣科學，1997，21（6）：725－733.

［9］ 羅云峰，呂達仁，李維亮，等.近30年來中國地區(qū)大氣氣溶膠光學厚度的變化特征 ［J］.科學通報，2000，45（5）：549－554.

［10］ 宗雪梅，邱金桓，王普才.近10年中國16個臺站大氣氣溶膠光學厚度的變化特征分析 ［J］.氣候與環(huán)境研究，2005，10（2）：202－208.

［11］ 許瀟鋒，邱金桓，牛生杰，等.近45年中國12個一級站大氣氣溶膠光學厚度變化特征 ［J］.環(huán)境科學學報，2009，29（3）：488－495.

［12］ 邱明燕，盛立芳，房巖松，等.氣象條件對青島地區(qū)氣溶膠光學特性的影響 ［J］.中國海洋大學學報：自然科學版，2004，34（6）：925－930.

［13］ 肖鐘湧，江洪，余樹全，等.杭州地區(qū)大氣氣溶膠光學特性高光譜研究 ［J］.環(huán)境科學學報，2008，28（9）：1894－1903.

［14］ 蔡子穎，鄭有飛，胡鵬，等.鄭州地區(qū)大氣氣溶膠光學特性的地基遙感研究 ［J］.中國環(huán)境科學，2009，29（1）：31－35.

［15］ 毛節(jié)泰，李成才，張軍華，等.MODIS衛(wèi)星遙感北京地區(qū)氣溶膠光學厚度及地面光度計遙感的對比 ［J］.應用氣象學報，2002，13（U01）：127－135.

［16］ 李成才，毛節(jié)泰，劉啟漢.用MODIS遙感資料分析四川盆地氣溶膠光學厚度時空分布特征 ［J］.應用氣象學報，2003，14（1）：1－7.

［17］ 施成艷，江洪，江子山，等.上海地區(qū)大氣氣溶膠光學厚度的遙感監(jiān)測 ［J］.環(huán)境科學研究，2010，23（6）：680－684.

［18］ Kaufman Y J，Tanre D，Gordon H R，et al.Passive remote sensing tropospheric aerosols and atmospheric correction for the aerosol effect［J］.Journal of Geophysical Research，1997，102（D14）：16815－16830.

［19］ 李成才，毛節(jié)泰，劉啟漢，等.利用MODIS研究中國東部地區(qū)氣溶膠光學厚度的分布和季節(jié)變化特征 ［J］.科學通報，2003，48（19）：2094－2100.

［20］ 鄧學良，鄧偉濤，何冬燕.近年來華東地區(qū)大氣氣溶膠的時空特征 ［J］.大氣科學學報，2010，33（3）：347－354.

［21］ Deng X L，He D Y，Pan D L，et al.Analysis of aerosol characteristics over the China Sea by remote sensing［J］.Journal of Remote Sensing，2010，14（2）：294－312.

［22］ 邱金桓，王普才，夏祥鰲，等.近年來大氣遙感研究進展［J］.大氣科學，2008，32（4）：841－853.

［23］ 延昊，矯梅燕，畢寶貴，等.國內(nèi)外氣溶膠觀測網(wǎng)絡發(fā)展進展及相關科學計劃 ［J］.氣象科學，2006，26（1）：110－117.

［24］ Holben B N，Eck T F，Slutsker I，et al.AERONET－a federated instrument network and data archive for aerosol characterization［J］.Remote Sensing of Environment，1998，66（1）：1－16.

［25］ North G R，Bell T L，Cahalan R F，et al.Sampling errors in the estimation of empirical orthogonal functions ［J］. Monthly Weather Review，1982，110（7）：699－706.

［26］ 郭其蘊，蔡靜寧，邵雪梅，等.1873－2000年東亞夏季風變化的研究 ［J］.大氣科學，2004，28（2）：206－216.

［27］ 趙京華，黃菲，李元妮.亞澳越赤道季風環(huán)流的年際變化特征［J］.中國海洋大學學報：自然科學版，2007，37（Sup.）：44－48.

［28］ 李崇銀，闕志萍，潘靜.東亞季風演變與對流層準兩年振蕩 ［J］.科學通報，2010，55（29）：2863－2868.

［29］ 王式功，董光榮，楊德保，等.中國北方地區(qū)沙塵暴變化趨勢初探 ［J］.自然災害學報，1996，5（2）：86－94.

［30］ Dubovik O，Brent H，Thomas F E，et al.Variability of absorption and optical properties of key aerosol types observed in worldwide locations［J］.Journal of the Atmospheric Sciences，2002，59（3）：590－608.

［31］ Tanre D，Kaufman Y J，Holben B N，et al.Climatology of dust aerosol size distribution and optical properties derived from remotely sensed data in the solar spectrum ［J］.Journal of Geophysical Research，2001，106（D16）：18205－18217.

［32］ Remer L A，Kaufman Y J，Holben B N.Interannual variation of ambient aerosol characteristics on the east coast of the United States［J］.Journal of Geophysical Research，1999，104（D2）：2223－2231.

［33］ 楊志峰.中國特征區(qū)域大氣氣溶膠光學特性研究 ［D］.北京：中國氣象科學研究院，2004：56－65.

［34］ 蔣全榮，王寧邦.太陽輻射與西北太平洋副高季節(jié)性移動關系的研究 ［J］.熱帶氣象，1989，5（4）：289－294.

［35］ 吳國雄，劉平，劉屹岷，等.印度洋海溫異常對西太平洋副熱帶高壓的影響－大氣中的兩級熱力適應 ［J］.氣象學報，2000，58（5）：513－522.

［36］ 陳璇，王黎娟，管兆勇，等.大氣加熱場影響西太平洋副熱帶高壓短期位置變化的數(shù)值模擬 ［J］.大氣科學學報，2011，34（1）：99－108.

［37］ 申莉莉，盛立芳，陳靜靜.一次強沙塵暴過程中沙塵氣溶膠空間分布的初步分析 ［J］.中國沙漠，2010，30（6）：1483－1490.

［38］ 韓永，范偉，饒瑞中，等.可見光波段氣溶膠標高的實驗研究［J］.大氣與環(huán)境光學學報，2006，1（1）：33－40.

［39］ 王啟，韓永清.850hPa夏季西太平洋副熱帶高壓的年際變化特征 ［J］.中國海洋大學學報：自然科學版，2010，40（12）：1－7.

［40］ 王宏，石廣玉，王標，等.中國沙漠沙塵氣溶膠對沙漠源區(qū)及北太平洋地區(qū)大氣輻射加熱的影響 ［J］.大氣科學，2007，31（3）：515－526.

［41］ 張華，馬井會，鄭有飛.沙塵氣溶膠輻射強迫全球分布的模擬研究 ［J］.氣象學報，2009，67（4）：510－520.

［42］ 王宏，石廣玉，Aoki T，等.2001年春季東亞－北太平洋地區(qū)沙塵氣溶膠的輻射強迫 ［J］.科學通報，2004，49（19）：1993－2000.

［43］ 陶詩言，衛(wèi)捷.再論夏季西太平洋副熱帶高壓的西伸北跳 ［J］.應用氣象學報，2006，17（5）：513－525.

［44］ 吳澗，符淙斌.近五年來東亞春季黑炭氣溶膠分布輸送和輻射效應的模擬研究 ［J］.大氣科學，2005，29（1）：111－119.

［45］ Wu J，Jiang W M，F(xiàn)u C B，et al.Simulation of the radiative effect of black carbon aerosols and the regional climate responses over China［J］.Advances in Atmosphere Science，2004，21（4）：637－649.

［46］ Ramanathan V，Carmichael G.Global and regional climate changes due to black carbon［J］.Nature，2008，1：221－227.

［47］ 徐海明，何金海，周兵.江淮入梅前后大氣環(huán)流的演變特征和西太平洋副高北跳西伸的可能機制 ［J］.應用氣象學報，2001，12（2）：150－158.

［48］ 祝從文，陳隆勛，何金海.春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換中西太平洋副熱帶高壓東移與大尺度環(huán)流和溫度場變化關系 ［J］.熱帶氣象學報，2004，20（5）：493－504.

［49］ 葛覲銘，劉玉芝，黃建平，等.利用HITRAN資料研究黑碳和沙塵氣溶膠粒子的光學特性 ［J］.應用光學，2009，30（2）：202－209.