关中地区不同类型气溶胶时空分布特征与驱动因素_杨霞.pdf

第 43 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.43，No.3Mar.，2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae关中地区不同类型气溶胶时空分布特征与驱动因素杨霞1，2，3，王旭红1，2，3，*，崔思颖1，2，3，冯子豪1，2，3，蒋子琪1，2，31.西北大学城市与环境学院，西安 7101272.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室，西安 7101273.陕西西安城市生态系统定位观测研究站，西安 710127摘要：气溶胶光学厚度（Aerosol optical depth，AOD）和气溶胶细模态比例（Fine mode fraction，FMF）是区域大气质量的重要指示因子.利用20032020年AOD和FMF粒子谱阈值划分气溶胶类型，综合利用局部自相关、线性趋势估计和地理探测器方法，揭示关中地区不同类型气溶胶的空间变化特征及驱动因素.结果表明：关中地区AOD、FMF及不同类型气溶胶具有空间分异性，AOD和FMF均存在高值聚集和低值聚集，不同类型的气溶胶从中间腹地城市群向外围高地呈“阶梯”状分布.关中地区以混合型（Mixed aerosol，MX）和大陆型气溶胶（Continental background aerosol，CB）为主，城市型气溶胶（Urban aerosol，BU）占比最小.不同类型气溶胶季节、年际变化明显，混合型气溶胶在春、夏季占比高，大陆型气溶胶在秋、冬季占比高，达到50%以上，春、冬季沙尘型气溶胶（Dust aerosol，DD）在城市区聚集明显；在年际变化中，20032020年关中地区整体上大气污染程度降低.PM2.5、气温和高程是关中地区不同类型气溶胶空间分异性的主导因素，此外，不同类型气溶胶的最大双因子驱动力（qmax）存在差异.关键词：关中地区；气溶胶类型；气溶胶光学厚度（AOD）；细模态比例（FMF）；空间分异性；地理探测器文章编号：0253-2468（2023）03-0343-10 中图分类号：X51 文献标识码：ASpatio-temporal distribution characteristics and influencing factors of different aerosol types in the Guanzhong areaYANG Xia1，2，3，WANG Xuhong1，2，3，*，CUI Siying1，2，3，FENG Zihao1，2，3，JIANG Ziqi1，2，31.College of Urban and Environmental Sciences，Northwest University，Xi an 7101272.Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity，Northwest University，Xi an 7101273.Shaanxi Xi an Urban Forest Ecosystem Research Station，Northwest University，Xi an 710127Abstract：Aerosol optical depth（AOD）and fine mode fraction（FMF）are crucial indicators of regional atmospheric quality.Aerosol types are categorized according to the AOD and FMF particle spectrum thresholds from 2003 to 2020.Local autocorrelation，linear trend estimation and geographic detector methods were used to reveal the spatial variation characteristics and driving factors of different types of aerosols in the Guanzhong area.The results indicated that：AOD，FMF，and different types of aerosols had spatial heterogeneity in the Guanzhong area.Both AOD and FMF had high-value and low-value aggregation，and separate types of aerosols were distributed in a ladder shape from the central hinterland urban agglomeration to the peripheral highland.Mixed aerosol（MX）and continental background aerosol（CB）were dominant in the Guanzhong area，on the contrary，urban aerosol（BU）accounted for the smallest proportion.Different aerosol types had distinct seasonal and interannual variation.The proportion of mixed aerosols was high in spring and summer，and the percentage of continental aerosols was high in autumn and winter，reaching more than 50%.Dust aerosol（DD）gathered more substantially in the urban areas during spring and winter.In the annual variation，the degree of air pollution in the Guanzhong area diminished from 2003 to 2020.PM2.5，air temperature，and elevation were the conspicuous factors of spatial heterogeneity of different aerosol types in the Guanzhong area.In addition，the maximum two-factor driving force（qmax）of four types of aerosols was different.Keywords：Guanzhong area；aerosol types；aerosol optical depth（AOD）；fine mode fraction（FMF）；spatial heterogeneity；geographical detector1引言（Introduction）气溶胶是悬浮在大气中的固、液态微粒及气体组成的动态、分散多相体系（毛节泰等，2002）.气溶胶粒子DOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0271杨霞，王旭红，崔思颖，等.2023.关中地区不同类型气溶胶时空分布特征与驱动因素 J.环境科学学报，43（3）：343-352YANG Xia，WANG Xuhong，CUI Siying，et al.2023.Spatio-temporal distribution characteristics and influencing factors of different aerosol types in the Guanzhong area J.Acta Scientiae Circumstantiae，43（3）：343-352收稿日期：2022-06-29 修回日期：2022-08-02 录用日期：2022-08-03基金项目：国家自然科学基金（No.41971387）；陕西省自然科学基础研究计划（No.2020JM-430）作者简介：杨霞（1997），女，E-mail：；*责任作者，E-mail：jqy_环境科学学报43 卷在空气中聚积后会形成一定的大气污染，从而对大气环境能见度和人体健康构成极大的潜在威胁（吴兑，2012），并且气溶胶可以通过多种直接或间接辐射效应影响大气-陆地-海洋的能量转化（石广玉等，2008），进一步影响地球气候.气溶胶光学厚度（AOD）是表征气溶胶的重要光学参数（Wu et al.，2005；张小曳，2007），也是衡量大气污染状况的重要因子.气溶胶地基站点监测和卫星遥感空间观测是目前获取气溶胶光学参数的主要途径，地面站点监测数据精度高，能够准确、实时地反映区域污染状况，但由于站点数量有限且分布不均，难以衡量大面积区域气溶胶颗粒的时空连续性分布特征，因此，利用卫星遥感来获取长时间序列、覆盖范围广的气溶胶光学参数信息，对监测研究区域气溶胶污染特征具有重要的作用.随着对气溶胶光学参数的不断深入研究，基于气溶胶粒子谱可以实现气溶胶类型的基本判别（王庚辰，1982）.由于气溶胶颗粒之间的理化性质存在较大差异，这种差异进一步体现在颗粒物不同的光学参数上，从而根据不同光学参数识别气溶胶颗粒的类型特性，对气溶胶污染排放清单调查和区域大气污染监测与治理具有重要作用.气溶胶类型划分的研究可以追溯至Eck等（1999）发现气溶胶颗粒类型与粒子谱分布信息 具有高度相关的特点，并提出利用AOD和Angstorm指数（AE）初步划分气溶胶类型，随后Barnaba等（2004）根据AOD和FMF二维图谱将气溶胶划分为大陆型气溶胶、海洋型气溶胶和沙尘型气溶胶.综述近20年的 相关文献，目前存在多种气溶胶类型划分方法，主要以AE（王跃思等，2006；Robabeh et al.，2020）、FMF（Kang et al.，2016；Zhang et al.，2019）、相对光学厚度RAOD（Chen et al.，2016）、单次散射反照率SSA（陈好等，2013；Patric et al.，2016）、体积偏退比（白冰等，2019）等多种特征参数进行气溶胶类型划分，但目前应用较多的仍为AOD-AE和AOD-FMF两种划分方式.我国气溶胶类型的研究，在空间区域上主要集中于京津冀（邬明权等，2009；田梓莹等，2021）、长三角（Kumar et al.，2018；Liu et al.，2020）、珠三角（吴兑等，2009）、四川（Cai et al.，2021）、青藏高原（周海江等，2021）等地区，在垂直高度的气溶胶类型研究中，主要应用CALIPSO卫星 探究不同大气高度的AOD和气溶胶类型占比（高星星等，2016；Liu，et al.，2021）.综上所述，目前气溶胶类型研究主要集中于类型划分的方法探索，但对不同类型气溶胶的时空分布特征研究较少，区域内各类型气溶胶的污染来源、影响因素及局地气候辐射效应等方面仍需深入探索.关中地区近年来城市化进程加快，重型产业规模增大，加之常年盛行东风，促使华北地区扩散的大气污染物在关中聚集，成为我国气溶胶高值分布区之一（赵仕伟等，2018）.关中地区气溶胶污染已有较多研究，研究内容主要集中于气溶胶光学厚度的时空分布变化（车慧正等，2006；王钊等，2013），但对于气溶胶类型研究较少，并且不同类型气溶胶的影响因素尚未明确.因此，本文利用MODIS数据分析关中地区20032020年AOD、FMF的时空分布，并根据AOD、FMF辨别关中地区气溶胶类型及时空变化特征，进一步探究不同 类型气溶胶的影响因素，以期为深入研究不同类型的气