第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
大气气溶胶通常指悬浮在大气中的细小固体或液体微小颗粒[1-2]，按照大气气溶胶的分类方法，可以将气溶胶分为硫酸盐气溶胶、碳气溶胶（黑碳气溶胶及有机质气溶胶）、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶、海盐气溶胶及沙尘气溶胶等六大类的 7 种气溶胶粒子[3]。气溶胶是地球系统中不可或缺的一种物质。在大气中，气溶胶通过散射和吸收作用以及影响云的特性进而影响辐射平衡[4]，由于气溶胶对太阳辐射的吸收和散射作用，会削减到达地面的太阳辐射量，加之与地球长波辐射的相互作用，将对气候产生一系列消极影响。同时气溶胶作为云凝结核，对云的形成及寿命影响显著，最终影响区域降水乃至全球水循环[5-6]。近地面气溶胶在一定程度上还会影响到生态环境和人类健康，对生态安全和公众健康构成了巨大的威胁。但由于大气气溶胶具有很强的时空变异性，难以在全球范围内精确实时地确定其性质、组成及分布，因而目前对大气气溶胶的研究主要依赖于遥感监测技术手段。
艾比湖作为新疆第一大咸水湖、第二大湖，位于新疆天山北麓极端荒漠区，地属干旱与半干旱气候区。盆地内气候干燥，降水稀少，多大风天气。艾比湖西部的阿拉山口是全国著名的风口，盛行西北风，全年大风日数 164 d，最多高达185 d，最大风速可达 55.0 m/s[7]，艾比湖身处阿拉山口大风通道下，荒漠生态系统极不稳定，具有强烈的敏感性和脆弱性。20 世纪 50 年代以来，在全球气候变化和人类活动共同作用下，艾比湖入湖水量急剧减少，湖泊面积出现干缩，干涸湖底已逐渐沦为盐漠，已成为浮尘天气新的“发源地”，浮尘天气日数增多。艾比湖周边地区年降尘量达 580.86 t/km2，含盐颗粒比例高达 52.36%[8-9]，加速了土壤盐渍化，对当地农牧业和生态环境造成破坏。在西风环流的影响下，盐尘沿天山北坡向疆内外东南方向输送，使得沿线地区空气质量迅速下降，甚至在未出现沙尘天气的地区，大气颗粒物浓度也会受到较大影响，严重威胁当地人民生产生活。
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1.2 国内外研究进展
1.2.1 气溶胶时空演变研究进展
大气气溶胶遥感监测是大气环境中不可或缺的研究领域。国际上卫星气溶胶的研究开始于 20 世纪 70 年代，卫星遥感技术以其较高的空间分辨率及覆盖范围广等优势，实现了传统观测手段无法企及的优势[10]，特别是在地形复杂恶劣的偏远地区，卫星遥感反演得到的大气气溶胶光学厚度（AOD）产品数据对于全球、区域及局地围的大气溶胶研究具有重要作用。美国 Terra 及 Aqua 卫星的中分辨率光谱成像仪 MODIS 提供从可见光到近红外的 36 个波段气溶胶数据，是目前应用最广泛的成像仪。Polissar 等[11]对阿拉斯加大气气溶胶的空间和季节变化进行了研究，发现气溶胶污染源在阿拉斯加西北部，整个地区气溶胶分布呈西北－东南负梯度变化。Michael 等[12]发现 2002 年 7 月~2005 年 6 月黑海地区 AOD 呈明显下降趋势，而非洲西海岸 AOD 则呈显著增加趋势。Bengang Li 等[13]使用MODIS 产品数据集研究了全球范围内陆地 AOD 的时空变化特征，发现全球范围内 AOD 的年际变化并不显著，但在区域范围内的年际变化相对剧烈，AOD 分布较为突出的当属亚洲与非洲，其值几乎是南美、欧洲及北美的 2 倍。
我国科学家于20世纪80年代开始这方面的研究[14]。罗宇翔等[15]利用MODIS产品数据研究了 2001~2012 年中国 AOD 时空分布特征，并选取代表性区域，进行区域尺度分析，结果表明，进 10 年中国年均 AOD 分布大体呈两低两高，两低主要集中在人烟稀少及植被覆盖度较高的区域，两高主要集中于人口密集、工业发达区及沙尘频发的西北干旱区。Xiaofeng Xu 等[16]研究了中国 1993~2012年的 AOD 变化。结果表明，北京和广州的年度 AOD 呈现明显下降趋势，而郑州、上海、昆明、喀什和武汉则呈现增长趋势。虽然没有发现明显的变化趋势，但在其他城市的 20 年间出现了一些波动。Xinyu Liu 等[17]利用 CE-318 太阳光度计数据验证了 MODIS 数据在四川地区的适用性。
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第二章 研究区概况
2.1 自然地理状况
2.1.1 地理位置
艾比湖流域（43°38′N-45°52′，79°53′E-85°02′E），主要包括阿拉山口、博乐市、温泉县、精河县、乌苏市、托里县、奎屯市以及克拉玛依市的独山子八个地区。其中阿拉山口、博乐市、温泉县及精河县隶属博尔塔拉蒙古自治州，乌苏市、托里县属塔城地区，奎屯市属伊犁哈萨克自治州[49]。艾比湖是准噶尔盆地最大的湖，也是新疆最大的咸水湖，三面环山，东北部与古尔班通古特沙漠相连，西北部处于阿拉山口风口处，属于典型的“山地-绿洲-荒漠-湖泊”系统[50]。该流域属温带大陆性气候，降水稀少，蒸发强烈，常年多风。艾比湖流域平原区主要土壤类型有灰漠土、风沙土、灰棕漠土、草甸土和沼泽土等，天然植被主要有骆驼刺、梭梭、红柳、灌木、乔木等，人工植被主要有棉花、小麦、甜菜等农作物[51]。
阿拉山口大风口位于整个流域的北部，每到春季地表解冻时，艾比湖盆地及下游地区全部处于风口影响下，艾比湖干涸湖底表层的沉积物以悬浮物的形式浮在大气当中，使得下游地区长期处于强烈的风力侵蚀和浮尘天气状况下。
2.1.2 气候条件
艾比湖流域地处干旱与半干旱区，典型的温带大陆性气候。其主要的气候类型为干旱少雨，蒸发量大，降水稀少。春季时节，由于阿拉山口大风的影响，流域内风力较大且干燥，浮尘天气频发；夏季流域内气温较高，炎热干燥，降水量增加，高山融雪补给和河流径流量增大，但同时也伴随着较大的蒸发量；秋季气温有所下降，空气较干燥；冬季寒冷而漫长，进入采暖期，降雪量增多，山区气温降至全年最低。艾比湖流域年均气温 8.1℃，年均降水量为 91~110 mm，年均蒸发量达 3000 mm 以上[52]。
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2.2 生态危机
艾比湖湖面自上世纪 50 年代开始出现退缩，50 年代至 70 年代[55]退缩较明显，其主要原因是土地开垦和灌溉引水，地表径流基本上全部被引，用以满足开垦引起的农业灌溉用水需求，农业用水需求基本靠挖掘流域内部潜力来解决，上游的引水节流导致下游地区用水不足。而艾比湖的湖水补给主要依靠博尔塔拉河、精河和奎屯河，但自奎屯河出现断流后，艾比湖入湖水量锐减，加剧了艾比湖的退化和干涸。此外，植被在涵养水源中的作用同样不可忽视，由于过度开发，该流域植被破坏严重，水土流失现象突出，径流量减少。博尔塔拉河与精河同样发源于山区，但经历毁林开荒和云杉过度砍伐之后，涵养水源能力受到影响，河水径流减少，艾比湖急剧萎缩，再加上艾比湖湖床平坦的地势特点，裸露的干涸湖底逐渐形成了新的沙（盐）尘源区。干涸湖底表层沉积物（富含硫酸盐和氯化物等）在阿拉山口大风的风蚀下以颗粒物的形式悬浮在大气中，造成大范围地区气溶胶浓度增加[56]，严重威胁到下游地区绿洲农业发展及天山北坡经济带可持续发展。
艾比湖湖面退缩引起一系列生态危机，其中最大的生态危机在于尘暴灾害的频发。产生尘暴灾害的主要条件有两个：一个是大风作用；另一个是尘源地。湖面退缩导致干涸湖区面积迅速扩张，湖床周围地下水位下降，植被死亡，尘源地面积增加。艾比湖已经成为新疆北部尘暴灾害的主要策源地。每年被大风带走的含盐沙尘高达 480 万吨，可输送至数千公里以外，沙尘中含可溶性盐分达 52.36%，其危害不可估量。湖周围土地退化，沙漠化扩展速度与日俱增，直逼绿洲[57-58]。
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第三章 数据获取及研究方法 ............................... 12
3.1 卫星数据的获取与处理 ............................... 12
3.1.1 MODIS 数据的介绍与处理 .................................. 12
3.1.2 土壤湿度数据的获取与处理 ........................ 13
第四章 艾比湖流域气溶胶时空异质性分析 ..................................... 17
4.1 艾比湖流域气溶胶遥感监测.............................. 17
4.1.1 AOD 时空分布及季节性变化 ................................ 17
4.1.2 AOD 年际变化特征 ...................................... 19
第五章 气溶胶光学特性时空异质性影响因素分析 .......................... 26
5.1 降水与气溶胶 ............................... 26
5.1.1 艾比湖流域 TRMM 降水数据精度评价 ...................... 26
5.1.2 TRMM 降水数据与实测降水量时间尺度对比分析 ................ 27
第五章 气溶胶光学特性时空异质性影响因素分析
5.1 降水与气
