好文速递：Terra 20 年观测期间亚洲污染地区气溶胶及其极端事件的时间演变

Temporal evolution of aerosols and their extreme events in polluted Asian regions during Terra's 20-year observations

Terra 20 年观测期间亚洲污染地区气溶胶及其极端事件的时间演变

From: 中山大学

摘要：气溶胶污染是发展中国家一个严重的环境问题。由于人口和经济的快速增长，亚洲在过去二十年中经历了人为气溶胶的快速变化。以气溶胶光学深度 (AOD) 为代表的气溶胶载荷如何在本世纪演变仍然是一个悬而未决的问题，特别是在过去十年中，中国和印度实施了旨在改善空气质量的清洁空气法案。根据 Terra 气溶胶反演和气溶胶再分析，2010 年华东地区 AOD 趋势有一个变化点，而印度次大陆 AOD 趋势持续增加，2000-2019 年没有检测到变化点。在华东地区，AOD 趋势为正，但在 2011 年至 2019 年（以下为后期）确定了负趋势。在印度次大陆，从 2000 年到 2019 年（以下简称整个时期），检测到持续的正趋势。所有这些趋势主要归因于硫酸盐气溶胶的变化。进一步分析气溶胶污染极端事件（APEE；定义为长期局部第 90 个 AOD 百分位上的每日 AOD）表明华东地区 APEE 量级在前期呈正趋势但在后一时期呈负趋势；由于硫酸盐气溶胶的增加，印度次大陆在整个时期表现出积极的趋势。华东地区APEE在前一时期变得更加频繁，而在后一时期则不太频繁；在印度次大陆，在整个期间检测到更频繁的 APEE。与AOD趋势一致，华东地区晴空辐射在地表呈负趋势，在大气呈正趋势，和前一时期大气顶部的负趋势；在后一时期出现了幅度更大的相反趋势。在印度次大陆，整个时期的晴空辐射趋势在地表、大气和顶部分别为-1.4±0.38、+1.7±0.31和+0.5±0.16W m-2decade-1。晴天和全天条件下辐射趋势的比较表明，吸收气溶胶在大气中的辐射收支中占主导地位，现代研究与应用回顾性分析第 2 版 (MERRA-2) 的气溶胶再分析可能会高估辐射对云的响应。这项研究提供了对世界上两个重度污染地区气溶胶及其极端事件和辐射的长期趋势的最新分析，其结果对评估环境和气候影响具有重要意义亚洲正在进行的空气净化行动。

部分结果：

图 1. (a) 人口密度 (×103 人 km−2) 和 (b) 气溶胶光学深度的空间格局。人口数据为 2000 年，气溶胶数据来自 2000 年至 2019 年的 MISR 3 级数据集。概述了中国东部和印度次大陆以供进一步分析。面板 (b) 中的灰色代表缺失值。

图 2 中国东部（EC）和印度次大陆（IS）季节性气溶胶光学深度的气候学（2000-2019）。数据来自 Terra 卫星上的 MISR 和 MODIS 以及 MERRA2 再分析。每个面板中的数字代表面积平均气溶胶光学深度及其空间标准偏差。

图 3. 每种气溶胶物种气溶胶光学深度 (AOD) 的气候学 (2000-2019)。(a)-(f)：每年时间尺度上五种气溶胶种类和总气溶胶的 AOD 空间模式。(g)-(h)：中国东部 (EC) 和印度次大陆 (IS) 在年度和季节性时间尺度上五种气溶胶物种的面积平均分数。数据来自 MERRA2 再分析。面板 (a)–(f) 中的数字代表面积平均 AOD 及其空间标准偏差，面板 (g)–(h) 中的数字是每个气溶胶物种的 AOD 分数。

图 4. 2000-2019 年气溶胶总光学深度（十年-1）的年度和季节性趋势。使用 MERRA-2 数据和最小二乘回归方法估计趋势。绿点表示 p 值足够小以满足 FDR 标准 αFDR = 0.10 [Eq. (1)] 使得全局/现场测试的统计显着性处于 95% 的置信水平。每个面板中的数字代表面积平均 AOD 和相应标准偏差的趋势。在平均场的 90% 置信水平下的统计显着趋势用星号标记。（为了解释这个图例中对颜色的引用，读者可以参考本文的网络版本。）

图 5 中国东部和印度次大陆 2000-2019 年和季节时间尺度上气溶胶光学深度（AOD）的时间序列。数据来自 MODIS 和 MISR 检索以及 MERRA2 再分析。垂直阴影突出了华东地区AOD趋势逆转的开始时间点。

图 6 2000-2010年和2011-2019年华东地区气溶胶光学深度年和季节变化趋势（decade−1）空间格局图 数据来自 Terra 上的 MODIS 和 MERRA2 再分析。绿点表示 p 值足够小以满足 FDR 标准 αFDR = 0.10 的网格。每个面板中的数字代表面积平均 AOD 和相应标准偏差的趋势。在平均场的 90% 置信水平下的统计显着趋势用星号标记。

图 11. 大气顶部 (TOA)、大气中 (ATM) 和地表 (SFC) 期间年晴空短波辐射 (W m-2 十年-1) 趋势的空间模式 2000-2010 年和 2011-2019 年在华东地区和 2000-2019 年在印度次大陆。数据来自 CERES 和 MERRA-2 再分析。绿点表示 p 值足够小以满足 FDR 标准 αFDR = 0.10 的网格。每个面板中的数字代表面积平均辐射的趋势和相应的标准偏差。在平均场的 90% 置信水平下的统计显着趋势用星号标记。

结论：

本研究利用多颗卫星反演和 MERRA-2 研究和比较了 2000 年至 2019 年华东和印度次大陆 AOD 的长期趋势、APEE 的幅度和频率（即本地 90% 以上的每日 AOD）。气溶胶再分析。来自 MERRA-2 的 AOD 产品使用来自 MODIS 和 MISR 的卫星反演进行评估。一般来说，在主要沙漠地区及其下风向地区以及人为污染地区，MODIS 显示出比 MISR 和 MERRA-2 更高的 AOD。相对而言，MERRA-2 AOD 与 MISR 比与 MODIS 检索更一致。此外，来自三个数据集的 AOD 在亚洲显示出类似的季节性变化，在主要研究领域的夏季和春季达到峰值。具体而言，夏季在华东和印度北部出现高 AOD。关于气溶胶种类，硫酸盐 AOD 在华东和印度北部占主导地位，峰值分别为 0.6 和 0.4，其次是高有机碳和黑碳。

MISR 和 MODIS 在 2000 年至 2019 年的 AOD 趋势中表现出一致的负正东北 - 西南差异，华东地区呈大幅负趋势，而印度次大陆呈大幅正趋势。对面积平均 AOD 时间序列的进一步分析显示了中国东部和印度次大陆 AOD 年代际变化的显着特征。华东地区AOD在2000-2010年呈上升趋势（+0.11十年-1），2011-2019年呈下降趋势（-0.26十年-1），形成倒V型。下降趋势主要归因于中国政府于 2013 年 9 月发布的对空气污染物排放的更严格规定——《大气污染防治行动计划》。另一方面，印度次大陆的 AOD显示整个时期（2000-2019 年）呈上升趋势（+0.04 十年-1）。这一结果与之前的研究不同，之前的研究解决了 2010 年至 2018 年印度 AOD 增加的问题。请注意，没有对 AOD 的这种增加进行统计测试。这种差异意味着在没有任何统计检验的情况下对 AOD 长期变化的估计可能有偏差，因此应该重新评估。我们的结果还表明，印度次大陆目前的环境政策不足以扭转气溶胶污染日益加剧的趋势。

值得注意的是，这项研究有一些注意事项。首先，MERRA-2 再分析首次使得在全球范围内揭示空气污染极端事件的时空特征成为可能，但由于伴生气体的高计算成本，它没有模拟硝酸盐和铵气溶胶——相化学和气溶胶热力学。硝酸盐和铵气溶胶已被证明对东亚总 AOD 的贡献率为年均 15%，并且在亚洲季风期间的冰云形成和气溶胶间接辐射效应中发挥着重要作用。此外，由于农业活动的增加和硫酸盐气溶胶的迅速减少，这两种气溶胶的排放量及其与总气溶胶的比例在过去二十年左右在亚洲普遍呈现上升趋势。因此，尽管 MERRA-2 再分析中缺少这两种气溶胶物种不会影响总 AOD 的趋势估计，因为卫星检索的 AOD 被同化，但它可能导致高估其他人为气溶胶物种（例如硫酸盐或黑碳）以及辐射趋势。其次，虽然我们关注的是 2000 年至 2019 年 Terra 卫星进行连续观测的时期，但使用 MERRA-2 再分析对 AOD 长期趋势的估计可能会因观测系统的变化而产生偏差以及再分析中同化的不连续 MISR 和 AERONET AOD 数据。AOD同化源的变化在多大程度上影响AOD趋势的准确性仍然是一个悬而未决的问题。第三，AOD 趋势估计可能会受到 Terra-MODIS 深蓝 AOD 的长期漂移的影响，其限制为每十年 0.005 ± 0.002（趋势和一个标准偏差）。然而，这里讨论的 AOD 趋势范围为每十年 0.06 到 0.4，因此如此小的 AOD 漂移在本研究中应该不是一个严重的问题，但可以在气溶胶浓度逐渐变化的地区的 AOD 趋势估计中发挥作用。中国东部和印度次大陆。最后，需要指出的是，尽管本文关注的是统计上显着的趋势（即趋势大且不确定性低），但它们的对应物——不显着趋势（即趋势小且不确定性低或趋势大且不确定性高）——也具有重要意义，尤其是从决策者的角度来看。第一个意思是任何趋势都可能很小，所以我们不需要担心它，第二个意思是我们不知道趋势是大还是小，因为它的不确定性很高，所以我们需要改进监控技术和/或准备应对潜在的大趋势。这两种微不足道的趋势之间的区别超出了本文的范围。

总而言之，我们的结果表明，在过去十年中，华东地区的空气质量一直在改善，而印度次大陆则没有。为了应对严重的空气污染问题，印度政府于 2019 年 1 月启动了国家清洁空气计划，旨在到 2024 年将颗粒污染物浓度显着降低 20-30%，甚至在20-25 年的长期计划。因此，在将于 2026 年左右结束的 Terra 任务之后使用新的卫星平台来持续监测印度次大陆和亚洲其他地区的气溶胶污染并解决相关的经济和气候影响非常重要。不幸的是，我们将面临一个缺口，因为没有计划的美国卫星平台具有当地时间上午 10:30 的赤道穿越时间。然而，有一些潜在的候选卫星可用于扩展 Terra 在气溶胶观测方面的任务。例如，赤道穿越时间为下午 1 点 30 分的 Suomi 国家极轨合作伙伴（S-NPP）卫星和 NASA-NOAA 联合极地卫星系统（JPSS）。当地时间已计划持续到 2031 年。这些卫星上的可见红外成像辐射计套件 (VIIRS) 具有与 Terra-MODIS 非常相似的光谱带和更高的空间分辨率。此外，MODIS 气溶胶反演算法已在 VIIRS 中得到应用并表现出良好的一致性。鉴于另一个事实，即 Terra-MODIS 和 Aqua-MODIS AOD 之间的早午偏移 (~0.01) 归因于传感器校准或检索人工制品而不是气溶胶系统的时间成分，将来可能会被移除。除了极轨卫星之外，来自不同空间机构的多颗地球静止卫星的融合可以提供另一个机会来扩展 Terra 的全球气溶胶观测记录，但具有每小时分辨率。随着轨道上卫星数量的增加，开发一致的气溶胶反演算法并将其应用于具有相似配置的各种传感器变得非常重要，以便气候和环境社区可以获得长期一致的气溶胶数据集。

引用格式：

Hu, Z., et al. (2021). "Temporal evolution of aerosols and their extreme events in polluted Asian regions during Terra's 20-year observations." Remote Sensing of Environment 263.

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