《Atmospheric Environment》：Aerosol optical depth in the Yellow River Basin during 2000-2023: Spatiotemporal variations and potential impacting factors
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本研究利用REOF分析、Mann-Kendall检验及HYSPLIT模型，分析2000-2023年黄河流域气溶胶光学厚度（AOD）时空变化特征，揭示2019年突变事件及区域差异，发现人类活动影响显著。
容珠|姜幽燕|Shipika Sundriyal|王波|张玉兰
兰州大学地球与环境科学学院，甘肃兰州，730000
摘要
空气污染构成了重大的环境风险，因此需要有效的缓解和管理策略。黄河流域（YRB）是空气污染控制的关键区域，该地区包含中国空气质量最差的20个城市，使其成为受雾霾污染影响最严重的地区之一。了解YRB范围内气溶胶光学厚度（AOD）的时空变化、极端事件和突变对于优化空气污染预防和控制措施至关重要。本研究采用了一种综合方法，利用旋转经验正交函数（REOF）分析、Mann-Kendall检验、混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型（HYSPLIT）和环流场合成技术，研究了2000年至2023年YRB不同子区域的AOD变化。结果表明，2019年出现了显著的突变，标志着从增加趋势向减少趋势的转变。在区域上，西部地区的AOD略有增加，而中部和东部地区则显著下降。在不同污染物中，粉尘对AOD的贡献最大，其次是SO2、SO4和OC，海盐和BC的贡献最小。在大尺度上，来自YRB东部地区的空气团块导致AOD值较高，而来自西部地区的空气团块则导致AOD值较低。此外，在高压控制下空气下沉和低行星边界层高度（不包括YRB西部）阻碍了垂直扩散，无法解释观察到的AOD变化，这突显了人类活动的重大影响。人为排放和政策干预是AOD变化的重要驱动因素，表明需要采取有针对性的干预措施来改善空气质量。
引言
气溶胶是由自然来源和人为活动产生的悬浮固体颗粒和液滴，对天气、气候和人类健康有显著影响（Rousseau和Emanuel，2022；Li等人，2022a；Zhang等人，2015）。了解它们的组成、潜在来源及其在不同尺度上的影响对于科学研究和公共管理都至关重要（Chen等人，2023）。AOD作为大气气溶胶最基本的光学参数，代表了大气的浑浊度，是气溶胶消光系数的垂直积分值，涵盖了从地面到大气上界的整个大气柱（Dubovik等人，2002）。卫星观测和现场观测是两种主要的测量方法，由于卫星观测具有近乎实时的能力以及广泛的空间和时间覆盖范围，因此被广泛使用（Vogel等人，2022；Wei等人，2020）。此外，对主要气溶胶类型进行分类对于确定气溶胶对空气质量辐射影响的严重性和后果至关重要（Gao等人，2017）。因此，与空气污染相关的环境风险因素的时空动态对于加强缓解和管理以及促进生态保护和可持续发展至关重要。
AOD研究已经建立了一个综合框架，整合了空间遥感、地面验证和数值建模（Holloway等人，2025；Tahir等人，2024；Rowley和Karaku?，2023；Sokhi等人，2021）。然而，仍然存在一些重大挑战，包括数据不确定性、垂直信息缺口、在复杂环境中的适用性有限以及政策实施的障碍（Dong等人，2024；Qin等人，2021）。通过多源方法研究长期空气质量演变及其驱动因素对于推进污染预防和控制至关重要（Hao等人，2024）。研究采用了多种方法，如统计分析、层次聚类分析、随机森林模型、结合注意力机制的卷积神经网络以及质心偏移模型（Guo等人，2023；Wang等人，2022；Govender和Sivakumar，2020；Kloog等人，2014；Guo等人，2012；Liu等人，2009）。在黄河流域（YRB），中部和东部地区的AOD值较高，西南部的四川盆地和西部地区的塔里木沙漠的AOD值较低（Huang等人，2024；Ma等人，2017）。在实施第11个和第12个五年计划（2006-2015年）以及清洁空气行动计划（2018-2020年）期间，旨在减少气溶胶前体物质，中国西部的AOD减少幅度不大（De Leeuw等人，2022）。随后AOD水平的下降与PM2.5的减少相吻合，这突显了细颗粒物变化的重大贡献（Zheng等人，2017）。然而，仍需深入研究AOD的突变，特别是在YRB地区。研究大气环流对不同地区之间传输的影响尤为重要，尤其是在考虑人为影响的框架内（Ma等人，2021）。
YRB是一个重要的生态屏障，但目前面临着资源利用不理想和空气质量恶化的重大挑战。2020年和2021年，在全国168个主要城市中，排名最差的20个城市大多位于YRB内（MEEPR，2023）。这一令人担忧的情况表明，YRB是中国受雾霾和空气污染影响最严重的地区。2019年，优先考虑YRB的生态保护和高质量发展成为确保该地区可持续发展和居民福祉的重要国家战略。这一战略方向符合YRB的实际状况，并为加强环境风险预防和控制、生态保护和高质量发展提供了框架。
为解决这些差距并加深对YRB地区AOD动态的理解，本研究采用了一种综合方法，利用旋转经验正交函数（REOF）分析、Mann-Kendall（MK）检验、混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型（HYSPLIT）和环流场合成技术。本研究的主要目标包括：
•研究2000年至2023年YRB地区AOD的特征性子区域划分、突变和极端事件。
•在考虑人为影响的框架内，揭示AOD突变和极端事件的环流驱动机制。
•为YRB地区的有效空气污染管理和政策制定提供可行的见解。
为了更好地支持YRB地区的空气污染预防和控制，本研究采用REOF方法定量划分具有不同AOD变化的子区域，从而进行更系统和深入的调查。然后，我们利用HSPLIT模型识别不同子区域在天气尺度上的极端AOD事件，并追踪其来源。同时，本研究还识别了年际尺度上的突变，并通过分析突变前后环流场的变化来研究其环流驱动因素。此外，还纳入了人为影响，如环境治理政策和排放源，以全面讨论AOD变化的潜在驱动因素。这项工作加深了对YRB地区空气污染区域传输机制的理解，为城市间的空气污染预防和控制提供了技术支持。
研究区域
YRB位于北纬32°10’至41°05’和东经95°53’至119°05’之间，跨越青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和华北平原。该地区人口密度高，资源丰富，是中国重要的生态屏障、经济区和能源枢纽（图1）。多年来，年平均气温在-4至14°C之间，具有明显的空间分布模式，即气温从南部逐渐降低
验证
为了验证MCD19A2 AOD产品的适用性，我们在研究区域及其附近选择了六个Aerosol Robotic Network（AERONET）站点，包括兰州、Sacol（位于兰州的榆中）、民勤、徐州和Mt_WLG，地面观测时间范围从20天到1,471天（约4年）。定量验证结果显示MCD19A2的性能存在显著的区域差异（图S1）。最强的相关性
环流动态
根据MK检验结果，2012年被确定为转折点，将时间线分为增加阶段（2000–2012年）和减少阶段（2013–2023年）。我们计算了2020–2023年和2000–2019年之间500 hPa和850 hPa高度、风速（W）和行星边界层高度（PBLH）的差异，以构建环流场。
AOD差异场（图8）显示西部YRB的青海省呈现增加趋势，而其他地区则呈现下降趋势。值得注意的是，
结论
了解空气污染的时空动态对于加强缓解和管理策略至关重要。本研究旨在利用REOF分析、MK检验、HYSPLIT模型和环流场合成技术，研究YRB不同子区域AOD突变的时间序列信号和环流驱动过程。主要发现如下：
(1)时空变化：AOD以
CRediT作者贡献声明
王波：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。张玉兰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。姜幽燕：软件、方法论、正式分析、数据整理。Shipika Sundriyal：撰写 – 审稿与编辑。容珠：撰写 – 初稿撰写、方法论、正式分析
未引用的参考文献
Chen等人，2023；Chen，2023；Claudaud等人，2020；中华人民共和国生态环境部，2023；中华人民共和国生态环境部，2023；Rousseau-Rizzi和Emanuel，2022；Song，2023。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了甘肃省基础研究计划软科学专项项目（Grant 25JRZA206）、甘肃省陇原青年人才项目（文件编号[2025] 11）、甘肃省杰出青年基金（23JRRA612）以及中国气象局创新与发展专项项目（CXFZ2025J036）的支持。
