科学家发现北半球气溶胶光学厚度近20年呈下降趋势
时间：2023-03-24 作者：唐超礼 齐琼
近日，中科院合肥物质院刘东研究员团队和安徽理工大学唐超礼教授利用近20年卫星数据合作开展气溶胶光学厚度（AOD550）时空分布研究，研究发现：北半球气溶胶光学厚度近20年的长期变化趋势是呈小幅下降趋势，这种下降趋势在中国东南部尤其明显，且全球气溶胶光学厚度以北纬17°为对称轴分布，更多成果发表在中科院二区TOP期刊《Atmospheric Environment》上。
大气气溶胶光学厚度（AOD，550纳米波段的气溶胶光学厚度为AOD550），是表征大气浑浊程度的关键的物理量。它是天气、气候和地球能量收支平衡研究中关注的重要参数，也是确定气溶胶气候效应的重要因素。通常高的AOD值预示着气溶胶纵向积累的增长，因此导致了大气能见度的降低。
我国科学家分析了国际地球观测系统（EOS）中的TERRA和Aqua卫星上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）探测的近20年AOD550数据，系统地获取了全球气溶胶光学厚度的全球分布和时空变化特性。
研究发现：一、北半球气溶胶光学厚度近20年的长期变化趋势是呈小幅下降趋势，这种下降趋势在中国东南部尤其明显（图1）。课题组研究人员利用经验正交函数分析法EOF（Empirical Orthogonal Function）对陆地年平均全球气溶胶光学厚度分析时发现，第一模态（图2）显示近20年来中国东南部、亚马逊平原、美国东部以及欧洲-地中海-里海-非洲东北部区域的气溶胶光学厚度呈下降趋势。与之相反，亚洲北部、印度半岛、阿拉伯半岛南部和东部呈明显上升趋势。
二、在中、低纬度地区，气溶胶光学厚度的全球分布并不是关于赤道对称的，而是向北偏移约17°（图3）。全球气溶胶光学厚度在北纬17°达到最大值，然后向南北两极随纬度先显著减小、后逐渐变化平稳。
但在同一纬度地区，气溶胶光学厚度随经度的变化是不同的，在中纬度地区，气溶胶光学厚度在北半球随经度变化明显，而在南半球随经度变化平缓。在高纬度地区，南半球气溶胶光学厚度随纬度的升高而增大，北半球气溶胶光学厚度随纬度的升高而减小，并且南半球的气溶胶光学厚度随纬度变化比北半球快。
三、气溶胶光学厚度南北半球均呈现季节性变化规律（图4和图5）：北半球气溶胶光学厚度显著高于南半球，且最大值都出现在各自半球的春季，最小值都出现在各自半球的秋季。
此外，海洋和陆地上的气溶胶光学厚度季节变化差异也很明显。EOF的月平均海洋气溶胶光学厚度分析结果显示，海洋气溶胶主要是由陆地气溶胶来源主导（图6）。特别值得注意的是，南半球水域上的气溶胶光学厚度的增加与全球气候变化导致的南半球深林火灾频发有密切正相关联系，其增长速率为0.0009/年（通过了95%的置信水平下的显著性检验）。
四、陆地来源的沙尘气溶胶峰值出现在七月，谷值出现在一月，陆地生物质燃烧气溶胶峰值出现在九月，谷值在四至五月。另外，陆地EOF分析捕捉到了一些极端气溶胶事件（图2），如2014/2015年强厄尔尼诺在太平洋赤道附近持续发展引起的东南亚极端生物质燃烧事件。
此研究利用卫星长期观测数据获得了全球气溶胶光学厚度全球经纬度分布规律和长期时空变化特性。目前科学家们正在利用数据对其时空分布变化进行更深入的分析，可以预见，气溶胶光学厚度的研究工作将为全球气候的长期变化规律分析、建立和验证全球高空大气模式等工作提供重要参考。
该成果论文第一作者是田晓敏博士，通讯作者是唐超礼教授，研究工作得到了国家高技术项目和空间天气学国家重点实验室开放课题基金支持。
全文链接：https://authors.elsevier.com/a/1gnfk4pTZHnx%7EE
图1. 2003至2020年的年平均AOD550的空间分布
图2. 陆地AOD550经验正交函数分析的前六个模式的空间分布
图3. 18年(2003~2021)年平均的AOD550(蓝色点线)和其标准差(品红色线棒)随纬度(a)和经度(b)的变化曲线
图4. 2004, 2006, 2008, 2010, 2012, 2014, 2016, 2018, 2020年的季节平均AOD550空间分布
图5. 2003.03至2021.02的季节平均AOD550，全球(a)、南半球(b)、北半球(c)、全球海洋(d)、南半球海洋(e)、北半球海洋(f)、全球陆地(j)、南半球陆地(h)和北半球陆地(i)，北半球春季(绿色)、北半球夏季(红色)、北半球秋季(黄色)和北半球冬季(黑色)
图6. 海洋上月平均AOD550的经验正交函数分析的前六个模式的空间分布