基于OMI数据的中国NO2时空分布与人类影响分析

基于OMI数据的中国NO2时空分布与人类影响分析李龙1,2，施润和1,2*，陈圆圆1,2，徐永明3，白开旭1,2，张颉4（1.华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室，上海200241；2.华东师范大学环境遥感与数据同化联合实验室，上海200241；3.南京信息工程大学遥感学院，南京210044；4.佛山市气象局，佛山528000）摘要：近年来，空气质量不断恶化，严重威胁人类身体健康。二氧化氮（NO2）作为人类排放的重要污染物之一，实时监测其时空分布及含量，对空气质量研究及公众安全预警具有重要意义。本研究利用搭载在AURA卫星上的OMI（OzoneMonitoringInstrument）传感器反演获取的2005年1月至2010年12月中国区的NO2数据，探究了NO2的时空分布特征及其人类影响。结果表明：中国NO2浓度上升趋势显著，6年来总NO2柱浓度（TotNO2）和对流层柱浓度（TropNO2）净增值分别为0.61×1015molec/cm2和0.63×1015molec/cm2，年均增长率为2.47%和5.69%；全国绝大部分地区NO2浓度呈增长趋势，但增长速率在空间上有所差异，表现为东部沿海地区大于西部欠发达地区。在全国尺度上，NO2呈现显著的时空分布差异特征：空间上，总体呈东高西低态势；时间上，东部地区的NO2浓度冬季明显高于夏季，西部地区则相反。最后，对比分析了TropNO2/TotNO2与人类足迹的相关性，结果显示二者间呈显著相关，且冬季最大，夏季最小。同时，分析发现各地地区生产总值和全国汽车保有量与对流层NO2间呈较强相关性。表明人类活动和经济发展是导致大气中NO2增多的主要原因。关键词：OMI；NO2；时空分布；人类影响DOI：10.3724/SP.J.1047.2013.006881引言氮氧化物（包括NO和NO2等）是对流层大气中重要的污染气体，是形成酸雨、酸雾的主要污染物，是臭氧、PAN等光化学污染物的重要前体物，对大气和生态环境，以及人体健康危害严重[1]。高温燃烧过程（如化石燃料燃烧、生物质燃烧），闪电和土壤排放等都能产生NOx，其中，人类排放的NOx约占总排放的2/3[2]。NO2已经成为气候变化的一个重要影响因子[3]。它产生的硝酸盐气溶胶存在着很大的辐射强迫，据IPCC第四次评估报告：由NO2产生的硝酸盐气溶胶在大气层顶的全球平均辐射强迫为（-0.10±0.10）w/cm2，且呈现增大趋势。因此，揭示NO2的时空特征及其对人类影响具有重大意义。当前，NO2数据获取来源主要有地基监测、机载观测，以及卫星反演3类。传统的NO2地基监测虽然精度较高但在空间覆盖上具有局限性，机载观测由于成本昂贵而限制了其应用范围，卫星遥感以其连续覆盖及易获取性等优势被广泛应用[5]。NO2卫星资料主要来自无线电掩星全球臭氧监测（GO-MOS），全球臭氧监测实验（GOME/GOME-2），大气层制图扫描成像吸收频谱仪（SCIAMACHY）和臭氧监测仪（OMI）传感器，其中，OMI获取的NO2数据具有相对较高的质量和时空分辨率。目前，关于NO2的研究主要集中在3个方面：（1）采用较成熟的差分吸收光谱技术（DOAS）进行NO2反演[6-8]。（2）研究NO2的时空分布特征[9-10]。（3）对大气NO2的形成机制和人类影响开展研究[3，11-14]。研究表明，秸秆燃烧是大气NO2的重要污染源。然而，以往研究大多针对NO2反演方法、时空特征，或是停留在采用较单一的指标来定性地衡量人类对大气NO2影响的层面，而对其形成原因及人类影响的综合研究较少。人类足迹作为一种集人口压力、土地利用和基收稿日期：2013-03-01；修回日期：2013-05-22.基金项目：上海市科委世博专项（10DZ0581600）；国家重点基础研究发展计划项目(2010CB951603)；国家自然科学基金项目（41201358）。作者简介：李龙（1988-）,男,硕士生,主要从事大气环境遥感研究。E-mail：[e-mail]*通讯作者：施润和（1979-）,男,副教授,硕导,现从事定量遥感模型与验证研究。E-mail：[e-mail]地球信息科学学报JOURNALOFGEO-INFORMATIONSCIENCEVol.15,No.5Oct.,2013第15卷第5期2013年10月5期李龙等：基于OMI数据的中国NO2时空分布与人类影响分析础设施、交通运输等为一体的综合性归一化指标，能客观和全面地反映人类影响的程度及空间分布。本研究采用OMI卫星遥感数据，同时，在揭示中国NO2时空分布特征的基础上，结合人为因素定量分析人类活动对NO2时空分布的影响。2研究数据与方法2.1OMI数据及预处理研究选用的NO2数据OMNO2e来自搭载于AURA卫星上的臭氧监测仪（OMI）。AURA是一颗太阳同步轨道的近极轨卫星，过境时间一般在当地时间13:40-13:50。其搭载的OMI传感器波长范围是270~500nm，光谱分辨率为0.5nm，空间分辨率范围为13km×24km（星下点）至40km×160km，时间分辨率是1天[15-17]。本文采用来自NASA官方网站[18]的OMI三级产品OMNO2e，其存储格式为HDF-EOS5，文件中包含了对流层NO2柱浓度（TropNO2）和总NO2柱浓度（TotNO2）数据，空间分辨率为0.25°×0.25°，产品的不确定性约为15%[19]。由于OMNO2e的每日NO2数据存在较严重的数据缺失，为了便于研究，本文运用IDL8.2对各月有效值天数大于20天的每日NO2数据进行月平均合成。得到研究区内完整的无数据缺失的月合成图像，作为本研究的最小数据单元。2.2人类足迹数据人类足迹（HumanFootprint,HFP）是一种人类影响相对于各生物群落最高影响记录百分比的归一化数据。它是由人口压力（人口密度），人类土地利用和基础设施（城市、NOAA夜间灯光数据、土地覆盖/土地利用），人类涉及（海岸线、公路、铁路、通航河流）这8个全球数据层生成的人类影响指数（Hu-manInfluenceIndex,HII）通过归一化得到的[20]。具体算法如下：（1）将反映人类活动的主要数据层，即人口密度、土地利用等8组数据作为输入，结合缓冲区叠加分析，得到综合指数-人类影响指数HII，表1为各数据层的影响指数。（2）根据世界自然基金会（WWF）的陆地生物群落划分方法将全球划分为15个生物群落[20]，计算陆地及每一群落中HII的最大、最小值，运用公式（1）对HII进行归一化。Z=(X-Xmin)×(Xmax-Xmin)(Ymax-Ymin)+Xmin(1)其中，Z是人类足迹数据值；Xmin是HII在某一生物群落的最小值；Xmax是HII在该生物群落的最大值；Ymin是陆地HII最小值（0）；Ymax是陆地HII最大值（64）；X是HII输入值。HFP提供了一个全新的全球陆地范围内人为作用对环境影响分布的地图，可用于自然资源管理、人类与环境相互作用等的研究。该数据集来自哥伦比亚大学和国际野生生物保护学会的国际地球科学信息网络中心（CIESIN）[21]。2.3社会经济数据地区生产总值（GRP）指本地区所有常住单位在一定时期内生产活动的最终成果。中国是一个工业大国，工业产值占GRP的比例很大，研究各地GRP与TropNO2之间的相关关系可以在一定程度上反映由工业所排放的NO2量。此外，为了研究汽车尾气与TropNO2的关系，本文还用到了2005-2010年全国民用汽车保有量。GRP与汽车保有量数据均来自中国国家统计局[22]。3中国NO2时空分布及其特征分析3.1中国NO2的分布对2005-2010年间中国区域NO2月均值数据的表1数据层不同缓冲区的影响指数Tab.1Theinfluenceindexesofdatalayers变量人口密度(人/km2)土地覆盖级别0~0.50.6~1.51.6~2.52.6~3.53.6~4.54.6~5.55.6~6.56.6~7.57.6~8.58.6~9.59.5城区灌溉农业区雨养农业区其他类型II01234567891010830变量夜间灯光通航河流海岸线城市铁路公路级别01~3839~888915km15km15km15km城市郊外2km2km2km2~15km15kmII03610404010080840689地球信息科学学报2013年处理，得到中国6年的NO2平均值情况。结果显示，2005-2010年间中国TropNO2区域均值为2.45×1015molec/cm2，而TotNO2为5.18×1015molec/cm2；TropNO2/TotNO2为47.30%。6年的TropNO2平均柱浓度空间分布情况如图1所示。图12005-2010年中国对流层NO2平均柱浓度空间分布（1015molec/cm2）Fig.1ThespatialdistributionoftroposphericNO2averagecolumnconcentrationfrom2005to2010inChina（1015molec/cm2）TropNO2的空间分布特征为：东部沿海地区的NO2浓度远高于西部欠发达地区（如华北地区Trop-NO2月均值一般为6.00~15.00×1015molec/cm2，而西藏地区则为0.30~0.80×1015molec/cm2）；高值区均分布在华北、江浙沪（特别是长三角）地区、辽宁（特别是辽东半岛）、广东（主要是珠三角）；四川、新疆北部为次高值区，湖南、湖北部分地区的柱浓度也较高；疆南、西藏、青海等区域为低值区。TotNO2与TropNO2的空间分布特征基本一致。3.2NO2年际变化特征表2是2005-2010年中国NO2柱浓度区域年均值变化情况。表22005-2010年中国NO2年区域均值（1015molec/cm2）Tab.2TheannualaveragesofNO2columnconcentrationfrom2005to2010inChina（1015molec/cm2）柱浓度TropNO2TotNO2年份20052.184.9320062.244.8620072.515.2120082.415.1520092.565.3820102.805.542005-2010年间，中国TropNO2年均值从2.18×1015molec/cm2上升到2.80×1015molec/cm2，年均增长率为5.69%；TotNO2从4.93×1015molec/cm2上升到5.54×1015molec/cm2，年均增长率为2.47%。TotNO2和TropNO26年间的净增值分别为0.61×1015molec/cm2和0.63×1015molec/cm2。对于中国不同区域，通过计算各像元2005-2010年NO2的每年均值，获取相应的散点图趋势线斜率的空间分布特征，以反映像元尺度上的NO2年变化特征，其空间分布如图2所示。年均值散点图趋势线的斜率能很好地展现相应地区NO2的变化趋势：斜率的绝对值越大，表明该地区NO2变化越快，反之越慢；斜率为正，表明NO2柱浓度呈上升的趋势，反之则呈下降的趋势。图22005-2010年中国NO2像元浓度多年变化趋势的空间分布Fig.2ThespatialdistributiontrendofNO2from2005to2010inChinaonpixelscale6905期李龙等：基于OMI数据的中国NO2时空分布与人类影响分析2005-2010年，全国绝大部分地区的TropNO2和TotNO2呈上升的趋势（图2中大部分地区斜率为正）。北京大部分地区、天津、河北、山东、辽宁，以及江苏、安徽等省市为NO2增加趋势最快；四川、湖北等地次之；台西、珠江三角洲、上海、呼伦贝尔西部、新疆乌鲁木齐的东北方向出现下降的趋势。整体上TropNO2和TotNO2增长趋势在空间上分布类似，大部分地区增长较慢。