“十二五”期間三大城市群對流層NO2柱濃度時空變化及對比

周春艷　高彥華　陳　輝　厲　青　馬鵬飛　張麗娟　姚延娟　檀　暢

(環境保護部衛星環境應用中心，北京　100094)

“十二五”期間三大城市群對流層NO2柱濃度時空變化及對比

周春艷高彥華陳輝厲青馬鵬飛張麗娟姚延娟檀暢

(環境保護部衛星環境應用中心，北京100094)

【摘要】本文基于OMI對流層NO2垂直柱濃度產品，分析了“十二五”期間三大城市群對流層NO2柱濃度時空變化，并進行了比較分析。結果表明：(1)京津冀是濃度最高的城市群，長三角次之，珠三角最低；“十二五”規劃對氮氧化物排放量的約束性減排指標為下降10%，2015年較2010年京津冀、長三角、珠三角分別下降24.74%、27.73%、26.28%；(2)三大城市群對流層NO2柱濃度時空變化特征為：京津冀呈西北低東南高的趨勢，長三角呈中間高、北部次之、南部低的趨勢，珠三角呈中間高、周邊低的趨勢；(3)三大城市群直轄市和地級市的對流層NO2柱濃度“十二五”均值特征為：京津冀城市群中，7個市處于四、五級高濃度水平，其中邯鄲最高為2035.71×1013mole/cm2；長三角城市群中，6個市處于四級高濃度水平，其中蘇州市最高為1827.55×1013mole/cm2；珠三角城市群中，4個市處于三級中濃度水平，其中佛山市最高為1158.98×1013mole/cm2。

【關鍵詞】對流層NO2；Ozone Monitoring Instrument (OMI)；京津冀；長三角；珠三角

1引言

對流層是各層大氣中與人類活動聯系最為密切的一層。對流層大氣最顯著的特點是化學性質活潑，而NOx-有機物體系是造成對流層大氣這種活潑氧化性的主要原因[1]。NOx與氨、水分和其它化合物發生反應形成二次顆粒物，與揮發性有機化合物發生光化學反應生成臭氧。顆粒物與臭氧可以引起或加重呼吸系統疾病，降低肺功能。此外，NOx會引起多種環境問題，如酸雨、灰霾、光化學污染和水體富營養化等。三大城市群是我國經濟最具活力的地區，隨著人口數量持續增長，工業化、城鎮化快速推進，能源消費總量不斷上升，大量排放的NOx遠遠超過環境承載能力，成為影響我國經濟發展的重要制約因素。在當前這樣的社會現實下，大氣環境的監測及治理工作得到前所未有的重視。本文采用對流層NO2柱濃度遙感數據，分析了“十二五”期間三大城市群的對流層NO2柱濃度的時空變化特征，并進行了對比分析。

2研究區與數據

2.1三大城市群概況

京津冀城市群包括北京市、天津市和河北省，共轄2個直轄市和11個地級市.由西北向的燕山-太行山山系構造向東南逐步過渡為平原，呈現出西北高東南低的地形特點.區域面積約占國土總面積的2.3%；人口密度大，常住人口占全國常住人口的8.1%。京津冀是全國主要的高新技術和重工業基地，地區生產總值約占國民生產總值的9.7%。

長三角城市群包括上海市、江蘇省和浙江省，共轄1個直轄市和24個地級市，區域面積約占國土總面積的2.2%。人口密度大，常住人口約占全國常住人口的11.7%。長三角是中國對外開放的最大地區，該地區工業基礎雄厚、商品經濟發達，水陸交通方便，是中國最大的外貿出口基地，地區生產總值約占國民生產總值的18.8%。

珠三角城市群位于廣東中南部，面向中國南海，包括廣州、深圳2個副省級城市，珠海、佛山、中山、東莞、惠州、江門和肇慶7個地級市，區域面積約占廣東全省面積的30.4%，常住人口約占全國常住人口的4.2%。珠三角最早由廣東省政府在1994年確立，地區生產總值約占國民生產總值的8.4%，是僅次于長三角、京津冀的中國大陸第三大經濟總量的都市經濟圈。

2.2數據

該文所用對流層NO2柱濃度數據為2010-2015年DOMINO version 2.0 OMI對流層NO2垂直柱濃度產品，此產品由荷蘭皇家氣象研究所反演，由TEMIS[6]發布，空間分辨率為0.125°×0.125°。 2004年7月15日美國國家航空航天局發射的Aura地球觀測系統衛星上搭載了臭氧監測儀OMI。此傳感器由荷蘭、芬蘭與NASA合作制造，是繼GOME和SCIAMACHY后的新一代大氣成分探測傳感器，軌道掃描刈幅為2600km，天底空間分辨率是13km×24km，一天覆蓋全球一次，有3個通道，波長覆蓋范圍為270～500nm[7]。

表1　2014年三大城市群經濟社會基本情況[2-5]

3結果與分析

為了分析三大城市群及其直轄市和地級市的NO2年、季、月時空分布及變化情況，該文對2010-2015年對流層NO2垂直柱濃度進行了如下分級：一級(<500)、二級(500-1000)、三級(1000-1500)、四級(1500-2000)和五級(>2000)，單位為1013mole/cm2。

3.1三大城市群對流層 NO2柱濃度的年均值對比

分析三大城市群對流層NO2柱濃度年均變化(如圖1)可知：(1)京津冀是濃度最高的城市群，長三角次之，珠三角最低；(2)2011年濃度均最高，京津冀為1303.36×1013mole/cm2，長三角為1184.07×1013mole/cm2，珠三角為729.25×1013mole/cm2；(3)“十二五”期間，京津冀2011年較2010年上升4.26%，2012-2015年呈逐年下降趨勢，2014、2015年下降尤為顯著，下降率分別為10.44%、13.41%；長三角2011年較2010年上升顯著，為13.65%；2012又顯著下降，2013年有2.02%的上升，2014-2015年持續下降，2015年下降尤為顯著，為20.50%；珠三角2011年較2010年上升5.65%；2012有顯著下降，2013年有3.07%的上升，2014-2015年持續顯著下降，下降率分別為14.45%、10.66%；(4)“十二五”規劃的約束性減排指標為下降10%，2015年較2010年京津冀、長三角、珠三角分別下降24.74%、27.73%、26.28%。

圖1　2010-2015年三大城市群NO2柱濃度年均值變化趨勢

3.2三大城市群對流層 NO2柱濃度的年際時空變化

3.2.1京津冀對流層 NO2柱濃度的年際時空變化

由京津冀對流層NO2柱濃度時空變化(如圖2)可知：(1) 京津冀NO2分布呈西北低東南高的趨勢。 燕山-太行山以北的承德和張家口市均處于一、二級較低濃度水平，北京、天津、唐山、石家莊、邢臺和邯鄲等發達或重工業城市為中心的區域是NO2四、五級高濃度中心；(2) NO2高濃度區范圍變化顯著：2010-2013年，燕山-太行山以南大部分區域處于四、五級高濃度水平；2014年高濃度范圍較2013年大幅縮小，南北兩個污染帶已經分開，石家莊-邢臺-邯鄲污染帶縮小顯著且濃度值降低，北京、天津濃度也有顯著變化，唐山高濃度區范圍不減反增；2015年燕山-太行山以南大部分區域處于三級濃度水平，南北兩個高濃度污染帶較2014年均縮小顯著且濃度值降低。

圖2　2010-2015年京津冀對流層NO2柱濃度年均分布變化

3.2.2 長三角對流層 NO2柱濃度的年際時空變化

由長三角對流層NO2柱濃度時空變化(如圖3)可知：(1) 長三角NO2分布呈中間高、北部次之、南部低的趨勢。長三角中部的上海、蘇州、無錫、常州、鎮江和南京等城市為中心的條帶狀區域是四、五級高濃度中心；浙江中南部一直處于一、二級較低濃度水平；(2) NO2高濃度區年際范圍變化顯著：2010-2014年，長三角中部大范圍地區處于四、五級高濃度水平，北部徐州市也處于高濃度水平；2015年高濃度范圍大幅縮小，只有上海、蘇州、無錫小范圍地區仍處于高濃度水平，長三角南部為一級濃度水平，北部為二級較低濃度水平，中部大致為三級濃度水平。

圖3　2010-2015年長三角對流層NO2柱濃度年均分布變化

3.2.3珠三角對流層 NO2柱濃度的年際時空變化

由珠三角對流層NO2柱濃度時空變化(如圖4)可知：(1) 珠三角NO2分布呈中間高、周邊低的趨勢。珠三角中部的佛山、廣州市等發達城市為中心的區域是四、五級高濃度中心；肇慶、惠州、江門處于一、二級較低濃度水平；(2)NO2高濃度區范圍變化顯著：2010-2011年高濃度區覆蓋佛山、廣州和東莞接壤的小范圍區域；2012-2013年，四、五級高濃度范圍逐漸縮小至佛山、廣州接壤處小范圍區域；2014-2015年，珠三角已經沒有四、五級高濃度出現。

3.3三大城市群直轄市及地級市對流層NO2柱濃度的統計分析

統計京津冀13個直轄市和地級市的“十二五”均值(表2)發現：承德和張家口對流層NO2柱濃度處于一級水平，其中承德一直是京津冀濃度最低的城市；邯鄲、石家莊、邢臺、唐山、天津、廊坊、衡水等重工業城市處于四、五級高濃度水平，其中“十二五”邯鄲對流層NO2柱濃度均值為2035.71×1013mole/cm2，是京津冀濃度最高的城市；北京市“十二五”對流層NO2柱濃度均值為1263.78×1013mole/cm2，僅高于承德、張家口。“十二五”期間京津冀城市群各市的對流層NO2柱濃度均有下降趨勢，邯鄲、張家口、邢臺、石家莊四市下降幅度大于30%，其中邯鄲最高為33.89%；北京、滄州、天津、衡水、保定五市下降幅度大于20%小于30%；秦皇島下降幅度最小為9.39%。

統計長三角直轄市和地級市的“十二五”均值(表3)發現：長三角南部的麗水、溫州、衢州和臺州4市對流層NO2柱濃度處于一級水平，其中麗水一直是長三角濃度最低的城市；蘇州、無錫、上海、常州、鎮江和嘉興等重工業或發達城市均值處于四級高濃度水平，其中“十二五”蘇州市對流層NO2柱濃度均值為1827.55×1013mole/cm2，是長三角濃度最高的城市；上海市均值為1709.73×1013mole/cm2，是長三角濃度第三高的城市；杭州市均值為818.81×1013mole/cm2，僅高于麗水、溫州、衢州、臺州和金華5市；南京市濃度水平第七高，為1497.66×1013mole/cm2。 “十二五”期間長三角城市群各市對流層NO2柱濃度除麗水市上升28.67%外，其他各市均有不同程度的下降，下降幅度大于30%的有14個市，其中湖州市降幅最大為36%；衢州、溫州、舟山降幅較小。

圖4　2010-2015年珠三角對流層NO2柱濃度年均分布變化

2010年2011年2012年2013年2014年2015年“十二五”均值比率(2015/2010)承德363.44308.02386.44294.45309.81309.02321.55-14.97%張家口500.07493.49519.98391.68374.77333.81422.75-33.25%北京1490.611269.021422.861300.921222.751103.361263.78-25.98%秦皇島1246.171419.461325.121190.461401.191129.121293.07-9.39%保定1379.681469.911413.951440.141152.681074.671310.27-22.11%滄州1588.861703.871681.901499.561390.341189.201492.97-25.15%衡水1550.981817.181660.461597.891340.861200.911523.46-22.57%廊坊1810.681851.861880.411728.051675.071495.681726.21-17.40%天津2066.642069.321900.791812.411882.071547.291842.38-25.13%唐山1929.681956.731865.201774.141962.781654.451842.66-14.26%邢臺1964.182160.762000.062114.031661.491328.831853.03-32.35%石家莊1986.392306.542046.152195.711669.171390.131921.54-30.02%邯鄲2186.822425.842175.232389.711742.061445.722035.71-33.89%

表3　2011-2015年長三角各市對流層NO2柱濃度變化(單位：1013mole/cm2)

統計珠三角直轄市和地級市的“十二五”均值(表4)發現：肇慶和惠州市對流層NO2柱濃度處于一級水平；佛山、中山、東莞、深圳等重工業或發達城市處于三級中濃度水平，其中佛山市“十二五”對流層NO2柱濃度均值為1158.98×1013mole/cm2，是珠三角濃度最高的城市；廣州市“十二五”對流層NO2柱濃度均值為794.61×1013mole/cm2，僅高于肇慶、惠州、江門和珠海4市。 “十二五”期間珠三角城市群中各市均有不同程度的下降，其中下降幅度大于30%的有3個市，中山市降幅最大為40.71%；惠州市降幅較小。

表4　2011-2015年珠三角各市對流層NO2柱濃度變化(單位：1013mole/cm2)

4結論

(1)京津冀是濃度最高的城市群，長三角次之，珠三角最低；“十二五”規劃氮氧化物排放量的約束性減排指標為下降10%，2015年較2010年京津冀、長三角、珠三角分別下降24.74%、27.73%、26.28%。

(2)京津冀對流層NO2柱濃度時空變化特征為：NO2分布呈西北低東南高的趨勢。 燕山-太行山以北的承德和張家口市均處于一、二級較低濃度水平，其中承德一直是京津冀濃度最低的城市；邯鄲、石家莊、邢臺、唐山、天津、廊坊、衡水等重工業城市處于四、五級高濃度水平，其中“十二五”邯鄲對流層NO2柱濃度均值為2035.71×1013mole/cm2，是京津冀濃度最高的城市；北京市“十二五”對流層NO2柱濃度均值為1263.78×1013mole/cm2，僅高于承德、張家口。

(2)長三角對流層NO2柱濃度時空變化特征為：NO2分布呈中間高、北部次之、南部低的趨勢。長三角南部的麗水、溫州、衢州和臺州4市對流層NO2柱濃度處于一級水平，其中麗水一直是長三角濃度最低的城市；蘇州、無錫、上海、常州、鎮江和嘉興等重工業或發達城市均值處于四級高濃度水平，其中“十二五”蘇州市對流層NO2柱濃度均值為1827.55×1013mole/cm2，是長三角濃度最高的城市。

(3)珠三角對流層NO2柱濃度時空變化特征為：NO2分布呈中間高、周邊低的趨勢。 肇慶和惠州市對流層NO2柱濃度處于一級水平；佛山市、中山市、東莞市、深圳市等重工業或發達城市處于三級中濃度水平，其中佛山市“十二五”對流層NO2柱濃度均值為1158.98×1013mole/cm2，是珠三角濃度最高的城市。

參考文獻：

[1]唐孝炎，張遠航，邵敏.大氣環境化學[M].2版.北京：高等教育出版社，2006：214.

[2]中華人民共和國國家統計局.全國各省市地區生產總值[DB/OL].[2016-4-12].http：//data.stats.gov.cn/index.

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[7]OMI TEAM.Ozone Monitoring Instrument (OMI) data user′s guide (OMI-DUG-5.0)[R].USA：NASA，2012：8.

Spatio-temporal Change and Comparison of Tropospheric NO2Column Density over the Three Urban Agglomerations during the Period of “Twelfth Five-year”

ZHOU ChunyanGAO YanhuaCHEN HuiLI QingMA PengfeiZHANG LijuanYAO YanjuanTAN Chang

(Satellite Environmental Center，Ministry of Environmental Protection of the People′s Republic of China，Beijing 100094)

Abstract：Based on satellite derived NO2 column data from OMI，we analysed and compared the characteristics of spatio-temporal distribution of tropospheric NO2 column density over the three urban agglomerations during the Period of “Twelfth Five-year”.

Keywords：Tropospheric NO2 column density；Ozone Monitoring Instrument (OMI)；Beijing-Tianjin-Hebei Region；Yangtze River Deltal；Pearl River Delta

作者簡介：周春艷，博士，高級工程師，主要從事大氣環境遙感研究

通訊作者：陳輝，碩士，工程師，主要從事大氣環境遙感研究

中圖分類號：X87

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)03-0065-05

項目資助：國家高技術研究發展計劃(863計劃)(編號：2014AA06A508)；國家自然科學基金(編號：41271349)

引用文獻格式：周春艷等.“十二五”期間三大城市群對流層NO2柱濃度時空變化及對比[J].環境與可持續發展，2016，41(3)：65-69.