中國高分辨率近地面NO2濃度反演

薛文博，武衛(wèi)玲，雷 宇，付 飛

環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012

NO2是影響城市空氣質(zhì)量的重要污染物之一，也是引起區(qū)域復合型大氣污染的主要因素，為此“十二五”期間中國將氮氧化物(NOx)納入總量減排約束性指標，要求2015年全國NOx排放總量相比2010年下降10%。在總量減排工作的實踐中，如何定量評價NOx減排的環(huán)境效果，為總量減排工作提供輔助性監(jiān)督管理顯得非常必要。目前評價空氣中NO2濃度高低的主要方法有地面監(jiān)測和衛(wèi)星遙感2種手段，傳統(tǒng)的地面監(jiān)測手段具有準確、實時性好等優(yōu)點，但監(jiān)測點位密度小、空間覆蓋性較差、探測成本大，監(jiān)測結(jié)果存在“以點代面”的缺陷;衛(wèi)星觀測手段作為一種新的觀測方法，具有時間連續(xù)性強、空間覆蓋面廣等優(yōu)點，能夠為監(jiān)測大尺度、長時間的空氣質(zhì)量狀況提供有效途徑。

衛(wèi)星遙感NO2柱濃度產(chǎn)品的反演算法較為成熟且應用廣泛，Richter等利用 GOME和SCIAMACHY產(chǎn)品獲取了全球?qū)α鲗覰O2垂直柱濃度［1-2］，著重分析了美國、日本、西歐、中國等7個區(qū)域的NO2變化趨勢;Boersma等利用OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)提出實時反演對流層NO2濃度的新算法［3］;張強等利用衛(wèi)星遙感手段分析了中國1996—2010年 NOx排放的變化趨勢［4］，衛(wèi)星遙感技術(shù)在監(jiān)測大氣污染時空演變趨勢方面發(fā)揮著越來越重要的作用［5-8］。衛(wèi)星遙感獲取的NO2柱濃度代表整個對流層在垂直方向上的總濃度，已經(jīng)有大量研究直接建立NO2“遙感柱濃度”與“地面監(jiān)測濃度”間的相關(guān)模型。大量的地面或航空實驗顯示，NO2遙感解譯結(jié)果與地基及航空實測數(shù)據(jù)具有較強的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大都在0.8以上，很好地反映了大氣NO2垂直濃度特征［9］。

通過分析2010年全國333個縣級以上城市衛(wèi)星遙感NO2對流層年均柱濃度與地面監(jiān)測濃度之間的相關(guān)性，建立NO2“遙感柱濃度”與“地面監(jiān)測濃度”之間的關(guān)聯(lián)方程，通過該方程反演了中國0.125°分辨率近地面NO2污染分布特征，并計算NO2人口加權(quán)濃度及健康暴露水平。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

目前，衛(wèi)星遙感監(jiān)測NO2的星載傳感器主要包括 GOME、SCIAMACHY以及臭氧觀測儀(OMI)，相對于 GOME和 SCIAMACHY，OMI不僅具有高光譜分辨率，且天底空間分辨率達(13×24)km2，能夠?qū)崿F(xiàn)每天對 NO2濃度的全球觀測，為研究地球氣候變化與大氣環(huán)境提供重要依據(jù)。OMI是裝載在Aura衛(wèi)星上的臭氧觀測儀，于2004年7月升入太陽同步極地軌道。該傳感器通過觀測地球大氣和表面的后向散射輻射獲取信息，波譜范圍270～500 nm，波譜分辨率為0.5 nm，星下點空間分辨率(13×24)km2，掃描幅寬為2 600 km。

NO2遙感數(shù)據(jù)來源于 OMI傳感器，選用DOMINO柱濃度觀測產(chǎn)品，通過 IDL程序?qū)MI每日數(shù)據(jù)取平均值處理，獲取2010年全國空間分辨率為0.125°的對流層NO2垂直柱濃度年均值，見圖1。2010年全國333個縣級以上城市的NO2地面監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于中國環(huán)境監(jiān)測總站;人口數(shù)據(jù)采用1 km分辨率網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，來源于中國科學院地理科學與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心。其他配套數(shù)據(jù)有1∶400萬中國行政邊界圖，底圖源自國家測繪地理信息局網(wǎng)站(http://map．sbsm．gov．cn/mcp/index．a(chǎn)sp)下載的1∶400 萬行政區(qū)版中華人民共和國底圖。

圖1 2010年OMI NO2垂直柱年均濃度結(jié)果

1.2 研究方法

分析2010年全國333個縣級以上城市的NO2對流層柱濃度年均值與NO2地面監(jiān)測年均濃度之間的相關(guān)性，建立線性回歸方程，進而反演出全國0.125°分辨率NO2近地面濃度;將全國1 km人口柵格數(shù)據(jù)重采樣到0.125°空間分辨率，使得與遙感NO2濃度反演結(jié)果空間分辨率一致，進行柵格疊加，計算出全國0.125°分辨率NO2人口加權(quán)濃度;基于上述人口數(shù)據(jù)和NO2濃度分布特征，分析了全國不同地區(qū)不同NO2濃度水平下的人口暴露狀況。

2 結(jié)果分析

2.1 地面濃度反演方程建立

基于2010年全國對流層NO2柱濃度年均值和333個縣級以上城市的NO2地面監(jiān)測濃度，分析了遙感柱濃度數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)性，遙感柱濃度和地面監(jiān)測濃度的Pearson相關(guān)性分析表明，在樣本數(shù)為333的情況下，兩者線性相關(guān)系數(shù)為0.54，在0.01置信水平上顯著相關(guān)(雙側(cè)檢驗)，估計值標準差為0.60，統(tǒng)計參數(shù)表明兩者有一定相關(guān)性。通過線性回歸建立遙感柱濃度數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的回歸模型，見式(1)。

式中:NO2ground表示 NO2地面站點的監(jiān)測濃度，mg/m3;NO2column表示NO2柱濃度，1016mol/cm2。兩者相關(guān)性見圖2。

圖2 地面監(jiān)測濃度和遙感柱濃度間的線性模型

2.2 NO2反演結(jié)果

通過式(1)反演2010年全國0.125°分辨率近地面NO2濃度分布，見圖3。

圖3 遙感柱濃度反演的全國地面NO2濃度

由圖3可見，全國NO2濃度高值區(qū)主要集中在華北平原、長三角和珠三角地區(qū)，尤其是太行山東麓河北南部至河南北部、山東中部、北京、天津、唐山和上海周邊地區(qū)，NO2污染嚴重。以特大城市為中心的區(qū)域污染特征顯著，其中北京、天津、上海、成都、石家莊、鄭州等城市NO2濃度值均高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)要求的年均濃度二級標準(0.04 mg/m3)，西安、重慶、武漢等城市均出現(xiàn)高值，逼近0.04 mg/m3，并由城市中心向周邊遞減。相比之下，烏魯木齊、哈爾濱、長春、沈陽等城市NO2污染較輕，濃度均低于0.03 mg/m3。

2.3 NO2人口加權(quán)濃度分布

由全國1km人口數(shù)據(jù)和遙感反演得到近地面NO2分布空間疊加得到全國NO2人口加權(quán)濃度分布。人口加權(quán)濃度值越大，反映NO2污染對人的危害程度越嚴重。高值區(qū)集中在中東部發(fā)達地區(qū)，尤其是華北地區(qū)和長三角地區(qū)大中型城市高值顯著，呈現(xiàn)連片分布的特征，見圖4。

圖4 全國NO2人口加權(quán)濃度分布圖

上海、天津2個城市人口加權(quán)濃度值超過1 300人·毫克/千米2，人口加權(quán)濃度值達到1 000人·毫克/千米2的有蘇州、無錫、常州、鹽城、淮陰、宿遷等長三角地區(qū)經(jīng)濟高速發(fā)展的城市，見圖5。這些城市機動車保有量大，煤炭等能源消費量大，導致人為源NO2排放量大，加上人口密集使得NO2人口加權(quán)濃度較高。已有研究表明，機動車保有量對空氣中NO2濃度有明顯影響［10］。

圖5 華北地區(qū)和長三角地區(qū)NO2人口加權(quán)濃度分布圖

2.4 不同濃度水平下的人口暴露

NO2污染嚴重影響居民公共健康，統(tǒng)計不同NO2濃度下的人口暴露水平對研究公共健康狀況具有重要意義。利用GIS統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，5.7%的人口生活在NO2濃度大于0.04 mg/m3的重污染地區(qū)，國土面積約5.95萬平方千米。29.4%的人口居住在濃度介于0.03、0.04 mg/m3之間的地區(qū)，濃度在 0.025、0.03 mg/m3之間的地區(qū)有21.5%的人口居住，其余人口均生活在NO2污染相對小的地區(qū)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過分析2010年全國333個縣級以上城市NO2對流層柱濃度年均值與地面實際監(jiān)測NO2年均濃度之間的相關(guān)性，建立相關(guān)性方程，反演得到全國NO2近地面濃度。結(jié)合全國1 km人口數(shù)據(jù)，得到NO2人口加權(quán)濃度分布圖，經(jīng)統(tǒng)計分析，得到不同濃度水平下的人口暴露。主要結(jié)論為

1)遙感數(shù)據(jù)反演的全國NO2近地面濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)二級濃度限值(0.04 mg/m3)的區(qū)域約為5.95萬平方千米，超標地區(qū)主要集中在太行山脈東側(cè)、山東半島、河南北部以及以上海為中心的長三角地區(qū)。

2)全國約5.7%的人口生活在NO2不達標地區(qū)，健康暴露水平高。

3)NO2人口加權(quán)濃度高值區(qū)主要集中在上海、重慶、蘇州、無錫、常州、鹽城、淮陰、宿遷等城市化水平高、人口眾多、機動車保有量大的地區(qū)。

3.2 討論

全國333個城市對流層NO2柱濃度與近地面NO2監(jiān)測濃度之間相關(guān)性相對較低，相關(guān)系數(shù)為0.54。原因可能是地基觀測為近地表NO2濃度，而遙感柱濃度監(jiān)測為對流層整層NO2柱濃度，且遙感觀測值受云量等因素的影響，存在一定的不確定性。此外，由于目前反演算法的局限性導致OMI對流層NO2柱濃度存在一定的反演誤差。因此，需要利用地基觀測儀器MAX-DOAS對OMI對流層NO2產(chǎn)品進一步校驗。以后的研究中也可以采用區(qū)域氣候模式和空氣質(zhì)量模型提高衛(wèi)星遙感NO2柱濃度和近地面監(jiān)測濃度之間的相關(guān)性。

［1］Richter A，Burrows J．Tropospheric NO2from GOME measurements［J］．Advances in Space Research，2002，29(11):1 673-1 683．

［2］Richter A，Burrows J P，Nüss H，et al．Increase in tropospheric nitrogen dioxide over China observed from space［J］．Nature，2005(437):129-132．

［3］Boersma K F，Eskes H J，Veefkind J P，et al．Nearreal time retrieval of tropospheric NO2from OMI［J］．Atmospheric Chemistry and Physics，2007，7(8):2 103-2 118．

［4］張強，耿冠楠，王斯文，等．衛(wèi)星遙感觀測中國1996—2010年氮氧化物排放變化［J］．科學通報，2012(16):1 446-1 453．

［5］程立剛，王艷姣，王耀庭．遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應用綜述［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2005，21(5):17-23．

［6］何立明，王文杰，王橋，等．中國秸稈焚燒的遙感監(jiān)測與分析［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2007，23(1):42-50．

［7］江文華，馬建中，顏鵬，等．利用GOME衛(wèi)星資料分析北京大氣 NO2污染變化［J］．應用氣象學報，2006(1):67-72．

［8］王橋．衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境保護領(lǐng)域中應用的進展與挑戰(zhàn)［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2009，25(4):53-56．

［9］王英，李令軍，劉陽．京津冀與長三角區(qū)域大氣NO2污染特征［J］．環(huán)境科學，2012(11):3 685-3 692．

［10］閆靜，王文川，楊枬，等．淺析成都市機動車保有量的增加對大氣污染物中二氧化氮濃度的影響［J］．四川環(huán)境，2012(1):34-36．