1 引言(Introduction)

人类活动除向大气中排放温室气体外，还产生了大量的气溶胶(包括硫酸盐、硝酸盐及矿物沙尘等)(Boucher et al.，2001).这些气溶胶粒子不仅对环境造成污染，还对太阳辐射产生减弱作用，造成地表气温冷却(Ramanathan et al.，2001).随着经济社会的快速发展，大气气溶胶含量也随之增加，在一定浓度范围内，气溶胶粒子阻挡了太阳光线的透过，使到达地面的太阳辐射量减少，从而降低了地面温度.周秀骥等(1998)研究表明，气溶胶的辐射强迫与气溶胶的分布和云覆盖的关系密切.在我国主要表现为2块明显的大值区：一为青藏高原北侧到黄河中上游及河套地区；二为四川盆地、贵州北部到长江中游以南地区.由于气溶胶的影响，中国大陆地区地面气温均有所下降，但各地降温程度不等.罗云峰等(2001)指出，1979—1990年全国41个站点中，气溶胶光学厚度(AOD)以成都和重庆两站最大，四川盆地1980 年代气温的负距平区基本上对应于 AOD 的明显增长及高值区.罗宇翔等(2012)分析了近10年中国大陆MODIS遥感气溶胶光学厚度特征，发现四川盆地是中国年平均 AOD 的最高值中心，年平均 AOD 在0.9 左右.对于不同月份，AOD分布也有许多差异，四川盆地在各月均是大值中心.

已有研究表明，四川盆地的气温变化与全国和全球气温变化不同步.据陈隆勋等(1991)对中国1951—1989年气温变化的分析，在全国大范围地区气温上升的背景下，四川地区气温有显著的下降.Li等(1995)研究了四川省变冷中心的形成机制，表明该地区到达地面的太阳总辐射、日照时数及能见度明显减少，提出人类活动造成的大气气溶胶对低层大气的反向散射是四川盆地底层大气变冷的主要机制.陈隆勋等(2004)发现，自1950年代以来我国存在一个以四川盆地为中心的变冷带，四川盆地的气温在1940年代出现高值中心以后，气温不断下降，直至1980年代达最低值，与全球1980年代的普遍增暖形成了鲜明对比，认为工农业发展造成的气溶胶增加是四川盆地气温降低的主要原因.

研究气溶胶长期变化及其与气温的关系需要AOD的长序列资料，而地基观测和卫星反演两种方法获得的AOD时间序列偏短，Guo等(2011)利用1980—1999年TOMS和2000—2008年MODIS气溶胶产品分析了中国气溶胶的时空分布特征.目前在全球或区域范围内都还缺乏气溶胶光学厚度的长序列资料.赵柏林等(1986)研究了中国能见度及透明度的区域分布情况，邱金桓等(2001)则进一步发展了一种从地面气象能见度和水汽压信息反演大气柱气溶胶光学厚度的参数化方法.采用该方法，杨琨等(2008)分析了 1999—2003年中国气溶胶光学厚度的变化特征，秦世广等(2010)研究了1960—2005年中国气溶胶光学厚度的长期变化趋势，张新宜等(2015)建立了1954—2013年湖北黄石的气溶胶光学厚度长序列.基于此，本文利用西南地区气象台站1961—2013年近53年水平能见度和水汽压资料估算AOD，建立四川盆地AOD的长序列资料，分析四川盆地AOD的长期变化及其与气温的关系.

2 资料和方法(Data and methods) 2.1 资料来源和选取

收集整理了西南地区131个地面气象观测站建站以来逐日的水汽压、天气现象和每天4时次能见度观测资料，发现有47个站在1961—2013年的天气现象和能见度数据存在不同程度缺值现象，因此，本文选取资料完整度高(缺值率低于0.02%)的西南地区的84个气象站.选取四川盆地102.9°~107.9°E、28.7°~32.5°N范围内的都江堰、绵阳、雅安、成都、峨眉山、乐山、宜宾、广元、阆中、巴中、达川、遂宁、南充、重庆共14个气象站1961—2013年的逐日气温和降水资料，并以重庆、成都2个城市为典型代表站，资料均来源于国家气象信息中心.

2.2 能见度资料的均一化处理

为了用能见度来估算气溶胶光学厚度，需要排除晨曦、降水和雾等天气现象对能见度的影响.因此，对每日观测资料作以下处理：①时间选14：00；②将能见度观测时段有降水(雪)和雾的天气条件的记录排除；③剔除相对湿度≥90%的资料.

1980年以前，地面气象站大气能见度资料用10个等级来表示(表 1)，1980年之后，能见度资料为实际的能见度距离(km).台站水平能见度资料格式在1980年前后的不统一，对能见度长期变化分析会造成较大影响，因此，需对1980年以前的能见度级别赋以合理的能见度距离.秦世广等(2010)对研究区域内所有站点在各能见度等级下的能见度距离进行平均，计算得到10个能见度等级所对应的距离替代值，再用该值取代1980年以前的能见度等级资料，从而消除能见度在1980年前后的不连续.表 1为用上述方法得到的西南地区所有气象站平均后的各能见度等级对应距离区间和估算值，其中，能见度为0级时，其估算值定为距离区间的中值，即0.025 km.从表 1可见，各能见度等级对应的能见度距离值要小于该能见度等级对应能见度距离区间的中值，特别是能见度等级值较大时更为显著，这也就说明了使用区间中值为什么会造成能见度在1980年前后不连续.考虑到西南地区地形地貌复杂，受气象台站地理位置和海拔等因素影响(西南地区84个站海拔在186.7~3948.9 m之间)，各气象站能见度之间差异较大(1980—2013年84个站年平均能见度为6.9~61.3 km)，因此，本文对该方法做了更进一步的处理，即分别对每个台站计算能见度等级的估算值，从而为每个台站建立一个能见度估算值表，即得到84个类似表 1的表，再用各台站表里能见度估算值取代1980年以前所对应的等级，从而建立了1961—2013年能见度长时间连续数据.

图 1给出了1961—2013年四川盆地年平均水平能见度变化，经过能见度资料处理后，有效地保证了四川盆地年平均能见度在1980年前后变化的连续性，1980—2013年能见度估算值和实测值的相关系数高达0.98，采用该方法得到的年平均能见度估算值与观测值之间误差范围为-0.3~0.2 km，这种微小的误差对能见度长期变化趋势分析的影响几乎可忽略.1961—2013年四川盆地能见度估算值的多年均值为16.5 km，总体呈下降趋势.阶段变化特征明显，1960年代初至1980年代初能见度下降显著，1980年代初至1990年代波动增加，进入21世纪以来又波动下降.

2.3 AOD反演计算方法

本文利用的是邱金桓等(2001)发展的一个比较适合中国特点的气溶胶光学厚度模式，即：

(1)

式中，H₁=0.886+0.0222V(km)，H₂=3.77 km，Junge谱参数v^*=-2，波长λ＝0.55 μm.根据Elterman(1970)得到的大气垂直衰减量与地面能见度的关系，以及McClatcheyeta等(1971)归纳得到的气溶胶粒子浓度随高度的分布，在海拔高度Z(km)上的能见度V_Z(km)与订正到海平面的能见度V(km)之间存在如下关系：

(2)

订正系数f对不同地区采用2种不同的模式，对东北区域，f如式(3) 所示，对除东北外的其它中国区域，f如式(4) 所示.

(3)

(4)

式中，p_w为地面水汽压(hPa).根据此方法估算得到了1961—2013年各气象站气溶胶光学厚度长时间序列.

3 结果(Results) 3.1 西南地区AOD空间分布特征

图 2给出了1961—2013年西南地区年AOD均值空间分布，西南地区AOD在四川盆地(图 2中矩形框)形成一高值区，盆地中心包括重庆和成都形成的一高值中心，重庆位于中心最大值处；川西地区为AOD低值区；云贵高原AOD比川西地区略大，但明显低于四川盆地.对比多年均值发现，四川盆地AOD均值为0.63，明显高于西南地区AOD均值0.38；重庆AOD在四川盆地乃至西南地区都最大为1.06，成都为0.74，而贵阳和昆明分别仅为0.41和0.36，明显低于重庆和成都.从四川盆地AOD分布来看，盆地南部地区的AOD明显高于北部地区，盆地东南部形成一高值中心(重庆).四川盆地在西南地区乃至全国都是AOD高值区，主要原因包括以下几个方面：①AOD的分布与海拔高度密切相关，海拔高度下降，大气厚度增加，气溶胶光学厚度增加，因此，海拔高处气溶胶较低，海拔低处气溶胶较高(刘灿等，2014)；②与地形有关，四川盆地四周被山岭和高原环绕，盆地内地面风速小、空气对流较差、湿度大，白天混合层的发展容易受到逆温的限制，扩散条件较差，延长了气溶胶的生存周期；③四川盆地的重庆、成都2个城市比云贵高原的昆明、贵阳人口密度更大，工业和交通等社会经济发展更高，污染源排放更强，人类活动产生的气溶胶排放更大.

3.2 四川盆地AOD模拟结果与已有研究对比

对于该方法计算出的AOD的可靠性，已有学者做过一些检验，Chen等(2009)用2002 年中国100°E以东地区反演的AOD与MODIS、MISR的AOD产品进行对比表明，能见度和卫星资料反演结果的空间相关性很高.秦世广等(2010)利用此方法模拟中国地区AOD与罗云峰等(2000)的结果对比验证后表明，该方法模拟的AOD能较好地反映出中国地区气溶胶光学厚度长期变化特征.表 2给出了本文对四川盆地AOD的模拟结果与之前专家学者研究结果的对比，本文中四川盆地的AOD平均值为0.63，与关佳欣等(2009)的研究结果(0.64) 几乎一致.四川盆地AOD中心范围在为0.8~1.1之间(图 2)，与秦世广等(2010)、罗宇翔等(2012)、白淑英等(2012)的结果都比较一致.重庆AOD值(1.06) 与杨琨等(2008)的研究结果(1.01) 非常接近；成都AOD值为0.74，略高于罗云峰等(2000)与宗雪梅等(2005)的研究结果(0.69) .总的来说，本文反演的四川盆地AOD结果与前人的研究结果都较接近，研究结果之间的差异可能是数据来源、气溶胶反演方法、波段、研究选择站点和时段不同所引起的.

3.3 四川盆地AOD长期变化趋势

图 3给出了四川盆地及重庆和成都AOD的距平变化，9点二项式平滑曲线反映年代际变化.四川盆地AOD阶段变化显著，从1960年代到1990年代中后期一直为持续增加趋势，其中，在1980年代显著增加(转为正距平)，到1990年代中后期(1996年左右)转为下降趋势.突变检验表明(图略)，四川盆地AOD在1976年突变为显著增大趋势，1996年突变为显著减小趋势.

选择重庆、成都两个城市作为四川盆地的代表站，1961—2013年重庆AOD与四川盆地AOD相关系数高达0.81，变化趋势基本一致，在1980年代显著增加，到1990年代中后期(1996年左右)转为下降趋势，2006年后显著减少.成都AOD与四川盆地AOD相关系数为0.60，变化与重庆较相似，转折时间略有不同，在1970年代中期转为显著增加，到1990年代中期显著减少(图 3).

从线性趋势看，1961—2013年四川盆地和重庆AOD呈显著增加趋势，趋势分别为0.018/10 a和0.069/10 a，成都线性变化趋势不明显.而在四川盆地AOD突变转折为下降趋势之前，1961—1996年四川盆地、重庆和成都AOD都呈十分显著的增加趋势，分别为0.046/10 a、0.196/10 a、0.053/10 a(表 3).逐年代对比来看(表略)，四川盆地AOD在1960年代偏低最多，1980年代偏高最多，其次偏高是1990年代.

从四季AOD的变化来看(表 4)，四川盆地冬季最大，秋季次之，春季和夏季相对小些.重庆和成都都是冬季最大，秋季次之，重庆春季第3，夏季最小，成都春季和夏季相当.从四季AOD的线性趋势来看，1961—2013年四川盆地和重庆春、夏、秋、冬四季都呈显著增加趋势，成都四季线性变化趋势则不明显.四川盆地AOD突变前的时期(1961—1996年)，四川盆地、重庆和成都春、夏、秋、冬四季都为显著的线性增加趋势，趋势通过了非常高的信度检验.

3.4 气溶胶与四川盆地气温的关系

已有研究表明，四川盆地气候变化相对滞后，翟盘茂等(1997)的研究表明，1951—1990年期间四川盆地最高温度和最低温度都呈降低趋势.陈超等(2010)研究表明，四川盆地的显著升温开始于1995年左右，比全国的跃变相对滞后.四川盆地自1960年代以来气温不断下降，到1980年代达到最低值，并一直持续到1990年代中期(图 4a)，与全球1980年代中期的显著增暖形成了鲜明对比.我国是在1986年前后开始的普遍增温(丁一汇等，1994；林学椿等，1995)，四川盆地显著增暖时间比全球和全国滞后了约10年，这与白莹莹等(2010)和张天宇等(2012)研究得出重庆显著增暖时间在1997年，比全国1980年代中期的增暖滞后是一致的.

图 4给出了1961—2013年四川盆地、重庆、成都年平均气温和AOD距平变化，不难发现，无论是四川盆地还是重庆和成都，气温在1980年代到1990年代中期负距平正好对应着AOD的正距平，在1980年代中期全球增暖大背景下，四川盆地的气温则处于显著偏低时期，除去区域自身变率的影响，人类活动形成的大气气溶胶起到了一定的作用，气溶胶的冷却效应在一定程度上可以解释四川盆地在1980—1990年代中期气温偏低，此结论与Li等(1995)和陈隆勋等(2004)研究得出的气溶胶增加是四川盆地1980年代气温变冷的主要原因是吻合的.利用9年滑动T检验来检验突变(图略)，四川盆地AOD和平均气温都是在1996年发生突变，AOD突变为减小趋势，平均气温突变为增加趋势，两者突变时间一致.1990年代中期以来，四川盆地的AOD逐渐减小，成都AOD减小较重庆提前些，此时四川盆地、重庆、成都的气温开始显著变暖，气溶胶的冷却作用越来越小，温室气体起到了导致升温的最主要作用.

把年尺度降为季节尺度，图 5给出了1961—2013年重庆春、夏、秋、冬季节平均气温和AOD距平变化.发现重庆四季AOD都是从1960年代初到1990年代中期呈波动增加趋势，1990年代中期后呈波动降低趋势.1980年代到1990年代中期的气温距平变化对应的AOD距平变化4个季节存在一定差异.成都四季的阶段变化情况与重庆比较一致(图略).

表 5给出了突变转折前1961—1996年AOD和气温线性变化趋势，由表可见，1961—1996年四川盆地、重庆和成都AOD都呈显著增加趋势，信度超过99.9%.此时段的四川盆地年平均气温和年平均最高气温都为显著降低趋势(信度超95%)，重庆和成都年平均气温和年平均最高气温也都为线性降低趋势，其中，年平均最高气温降温趋势显著(信度分别超99%和95%).按季节来看，春季降温最为显著，除了重庆春季平均最低气温下降趋势未达到高信度检验外，四川盆地、重庆和成都春季平均气温、平均最高气温、平均最低气温都为显著的线性降温趋势，说明四川盆地春季AOD的显著增加对春季气温变冷的作用相对最为明显.这点与陈隆勋等(2004)得出的结论“四川盆地和长江中游气温从季节而言，与 AOD变化一致，以春季变冷最大，AOD作用可以大部分解释从1960年代到1980年代四川及长江中游气温变冷带的存在”是一致的.除春季外，1961—1996年夏季的降温比秋冬季要明显，说明夏季AOD的增加对夏季气温的降温作用大于秋、冬季.周秀骥等(1998)利用区域气候模式模拟了中国地区气溶胶气候效应，发现中国区域气溶胶冷却效应是春、夏大，秋、冬小.与本研究得到的四川盆地的季节冷却效应大小分布也是基本一致的.

此外，表 6给出了1980年代和1981—1996年四川盆地、重庆、成都年平均气温和AOD的距平值.无论是四川盆地、重庆还是成都，1980年代的年和四季AOD都显著偏多.1980年代四川盆地、重庆和成都四季平均气温、平均最高气温和平均最低气温都偏低，平均最高气温偏低幅度明显大于平均最低气温.把年份扩展到1996年，1981—1996年平均也表现出AOD明显偏高对应着同时期的四川盆地气温明显偏低，同样平均最高气温偏低幅度明显大于平均最低气温.从空间上看，1980年代和1981—1996年四川盆地AOD都为正距平且偏高明显，而对应的年平均气温都为负距平且偏低显著(图略).1980年代到1990年代中期四川盆地AOD和气温距平的反向对应关系很一致，说明此段时期AOD在四川盆地的冷却作用能得到一定程度上的解释.

计算了1961—1996年AOD与气温的相关系数(表略)，发现四川盆地、重庆和成都AOD与气温之间的存在负相关关系，AOD与年平均最高气温的相关系数大于AOD与年平均最低气温的相关系数；春季的负相关系数绝对值在4个季节中最大.

有研究表明，气溶胶与气温日较差关系密切，气溶胶在白天通过散射和吸收太阳辐射使得最高气温下降而夜间通过长波辐射使得夜间最低气温上升，气溶胶的存在能够使日较差变小(汪凯等，2010).图 6给出了1961—2013年四川盆地、重庆、成都气温日较差和AOD距平变化，同时表 7给出了1961—2013年和突变前1961—1996年四川盆地、重庆、成都AOD与气温日较差的相关系数.不难发现，四川盆地AOD与气温日较差存在显著的负相关关系，就季节来看，春季的负相关系数绝对值相比其他季节的都大.四川盆地AOD高值中心的重庆，AOD与气温日较差负相关关系显著，1961—2013年和1961—1996年两段时期，无论是年还是季节，相关系数都通过非常高的显著性检验.成都AOD与气温日较差的负相关系数绝对值相比重庆要小，从季节来看也是春季相比其他季节的负相关系数绝对值更高.总的来说，四川盆地气溶胶与日较差负相关关系显著，四川盆地AOD从1961—1996年不断增加，在1980年代到1990年代中期维持在较高值，边界层更稳定，到达地面的太阳辐射减少，对四川盆地温度日变化幅度有明显减缓作用.从季节来看，春季AOD与气温日较差的负相关系数绝对值相比其他季节更大.

3.5 不确定性讨论

本文在对1980年前后能见度资料均一性处理的基础上，利用邱金桓等(2001)发展的地面气象能见度和水汽压反演建立四川盆地AOD长序列，虽然反演的结果与多种其它结果比较很接近，但仍然存在一定的不确定性.研究表明(Rosenfeld et al.，2007)，相对湿度对能见度可能会产生一定影响，相对湿度大于40%可能会导致观测能见度比实际能见度偏低，这种误差的存在使得按照该方法反演的AOD可能会偏高.数据来源、反演方法、站点和时段选择都会使得AOD反演结果存在差异，深入研究地面气象资料与观测或卫星资料反演结果的异同，对于利用多元数据研究AOD的长期变化及其与区域气候变化的关系有着重要的意义.

4 结论(Conclusions)

1) 西南地区AOD在四川盆地形成一高值区，四川盆地AOD明显大于云贵高原和川西地区.四川盆地AOD均值0.63，明显高于西南地区的AOD均值0.38；重庆AOD在西南地区最大为1.06，成都为0.74，而云贵高原的贵阳和昆明分别仅为0.41和0.36.海拔、地形和人为因素是形成此分布的主要原因.

2) 四川盆地AOD阶段变化明显，从1960年代到1990年代中后期一直为持续增加趋势，其中，在1980年代显著增加(转为正距平)，到1990年代中后期(1996年左右)转为下降趋势.重庆AOD与四川盆地AOD相关系数高达0.81，在1980年代显著增加，到1990年代中后期转为下降趋势，2006年后显著减小.成都AOD在1970年代中期转为显著增加，到1990年代中期显著减少.

3) 四川盆地气温自1960年代以来不断下降，到1980年代达到最低值，在1990年代中后期(1997年左右)开始显著增暖，比全国和全球1980年代中期开始的增暖明显滞后.而四川盆地AOD从1961—1996年不断增加，线性增加趋势十分显著，尤其是从1980年代到1990年代中期显著增加且维持在较高值，气溶胶的冷却效应在一定程度上可以解释四川盆地在此段时期气温偏低.就季节而言，春季AOD的显著增加对四川盆地春季气温变冷的作用相比其它季节要明显.此外，四川盆地AOD与气温的负相关关系表明，1961—1996年AOD与平均最高气温的相关系数绝对值要明显高于与平均最低气温.

4) 四川盆地AOD与气温日较差存在显著的负相关关系，AOD从1961—1996年不断增加，在1980年代到1990年代中期维持在较高值，边界层更稳定，到达地面的太阳辐射减少，对四川盆地温度日变化幅度有明显减缓作用.从季节来看，春季AOD与气温日较差的负相关系数绝对值相比其他季节更高.