利用OMI數據對我國西部城市NO2柱濃度的時空分布特征研究
——以天水市為例

王 菁,巨天珍,謝順濤,盧秀娟,王 爽,趙欣鑫,張斌才,張俊峰

(1.西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省測繪地理信息局， 甘肅 蘭州 730000；3.天水市環境監測站，甘肅 天水 741000)

氮氧化物(NOx，主要為NO和NO2)在大氣對流層化學過程中起重要作用，參與臭氧與氣溶膠的生產過程[1-3]。NOx的主要來源包括自然源和人為源兩部分：自然源主要有氨的氧化、閃電過程、微生物過程、土壤[4]和海洋排放等；人為源主要指化石燃料和生物質的燃燒、運輸及工業生產等。有些地區NO2的污染是以人為源為主，有些地區是以自然源為主，有些地區是由自然源和人為源混合影響造成的。目前，我國環保基層部門對大氣中NO2的監測有地面常規監測和污染源監測，而傳統地面監測以人工操作為主，具有監測點位少、范圍小、時間不連續等缺點，污染源的在線監測雖然保證了時間上的連續性，但是由于設備的數量少，覆蓋范圍仍然有局限性。衛星遙感觀測彌補了傳統監測范圍小、成本高的缺點，能夠大尺度、長時間序列、大范圍地捕捉痕量NO2在區域的分布，因而被廣泛應用。20世紀90年代以來，歐美國家相繼發射了一些衛星，搭載了痕量氣體傳感器，如COME、SCIAMACHY和OMI等傳感器，其中OMI傳感器具有有史以來探測空間痕量氣體最高的空間分辨率和敏感度的特點。

國內外學者基于OMI衛星數據產品已經從全球、區域、城市的尺度開展了大量的痕量氣體研究工作。如閆歡歡等[5]利用遙感衛星監測揭示了2004—2014年全球及中國地區的NO2和SO2的時空變化格局；Russell等[6]基于OMI數據使用BEHR檢索算法評估了美國2005—2011年對流層NO2垂直柱密度的觀測結果；張興贏等[7]、李龍等[8]利用衛星遙感數據分析了1997—2006年和2005—2010年中國對流層NO2柱濃度的時空變化和東西部的差異，并探究了其來源以及人類活動對NO2濃度的影響；程苗苗[9]經過研究得到2005—2009年浙江省對流層NO2柱濃度的時空動態分布；周春燕等[10]利用2005—2014年OMI衛星對流層NO2柱濃度產品，研究了10年來山東省NO2時空格局及其影響因素。從學者們的研究[11-13]顯示：對我國人類活動頻繁和經濟發展快速的東部及東南部地區對流層NO2柱濃度的研究較多，而西部地區快速發展區域的關注較少；全球和省域尺度的研究較多，而市域尺度的研究較少。從理論指導實踐的角度來看，市域尺度的研究成果更有利于環保和安全部門開展管理工作。我國天水市2009年成為國家級經濟開發區后經濟發展迅速，導致近幾年大氣環境質量的波動較大，如不能全面掌握大氣污染物的變化規律，僅靠目前市區幾個點的地面監測，西部一些主要縣區環境污染程度便能很快步其東部污染的后塵。因此，未雨綢繆，本文利用OMI數據研究了天水市對流層NO2柱濃度的時空分布動態變化規律及其管控策略，對西部地區大氣環境質量的安全管理和預警控制具有重要的意義。

1 研究區概況與數據來源

1. 1 研究區概況

我國西部城市——天水市位于甘肅省的東南部，處于陜、甘、川三省交界處，現轄秦州、麥積兩區和秦安、甘谷、武山、清水、張家川回族自治縣五縣。天水市境內山脈縱橫，地勢西北低東南高，處于黃土高原溝壑區與西秦嶺山脈的結合地帶，屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為10.9℃，年平均降水量為524.1 mm。該市森林資源豐富，覆蓋率為26.5%，天然林地主要分布在東部、東南部。截至2015年，全市常住人口331.17萬人，其中農村人口占全市人口的65%。全市生產總值達到553.8億元，三次產業結構為17.6∶33.5∶48.9。天水市被評為“羲皇故里”、“中國最具魅力文化旅游城市”，在“十三五”期間，天水市作為“一帶一路”戰略節點，已列入國家層面城市群規劃和區域中心城市,因此加強環境的管控意義重大。

1. 2 數據來源

本研究借助美國國家航天航空局(NASA)提供的AURA衛星搭載的臭氧監測儀(Ozone Monitoring Instrument，OMI)數據產品。OMI是搭載在EOS-AURA 衛星上用于臭氧監測的紫外光纖光譜儀，由荷蘭和芬蘭與NASA合作制造[14]。該傳感器通過觀測地球大氣及表面在 270～500 nm 波譜范圍內的后向散射獲取信息，其波譜分辨率為 0.5 nm，空間分辨率范圍為13 km×24 km(星下點)至40 km×160 km，時間分辨率為1 d，主要監測大氣層中的痕量氣體、云量、輻射等基本參數，提供全球天際O3、SO2、NO2、BrO、HCHO等痕量氣體數據[15]。OMI數據產品等級分為Level 1B、 Level 2、 Level 2G、 Level 3[16]，本研究所用的為Level 2數據產品，該數據產品的數據格式為HDF-EOS5,下載得到的數據擴展名為he5。經過大量航空以及地面實驗表明，NO2的解譯結果與地面監測實測數據的相關系數多在0.8以上，具有顯著的相關性，一定程度上驗證了衛星反演的可信度，能夠真實地反映大氣層中NO2的垂直濃度特征[17-18]。

1. 3 數據處理

本研究所用的OMI NO2數據的時間尺度為2007—2015年每天的NO2柱濃度均值，空間尺度上覆蓋整個地球表層，數據空間分辨率為26 km×48 km，數據單位為1015molec/cm2。研究區域天水市的范圍為104.58°～106.72°E、34.08°～35.19°N。首先利用VISAN軟件進行過濾和提取，剔除云量影響，得到研究區內NO2柱量值；然后為了減小研究中區域邊界插值精度的影響，將提取邊界向外擴大0.5°～1°，即lat_min=33°、lat_max=36°、lon_min=104°、lon_max=108°；最后運用ArcGIS 10.2軟件進行克里金空間插值獲得柵格圖像，并進行掩膜提取，繪制研究區2007—2015年對流層NO2柱濃度的時空分布及其變化趨勢圖，解譯NO2柱濃度的時空分布及其變化趨勢。

2 結果與分析

2. 1 天水市對流層NO2柱濃度的空間分布特征

圖1為天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度均值的空間分布圖。

圖1 天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度均值空間分布圖(單位：×1015 molec/cm2)Fig.1 Spatial distribution of multi-year averages of the tropospheric NO2 column concentration of Tianshui City during 2007—2015 (unit:×1015 molec/cm2)

由圖1可見，整體上看，天水市對流層NO2柱濃度的空間分布梯度明顯，從東向西依次遞減，呈現“東高西低”的空間分布格局;其中回族自治縣7個縣(區)中，張家川回族自治縣、清水縣和麥積區的東部地區呈現NO2柱濃度高值區，甘谷縣和秦安縣次之，秦州區和武山縣的西部和南部地區呈現NO2柱濃度低值區；天水市9年來對流層NO2柱濃度均值約為4.497×1015molec/cm2，最大值為5.34×1015molec/cm2，最小值為4.07×1015molec/cm2，平均值遠低于我國東部地區的平均值(20×1015molec/cm2)[19],約是京津冀地區[20]對流層NO2柱濃度平均值的一半；在天水市各縣區，NO2柱濃度增長幅度最大的區域為張家川回族自治區和清水縣，增長率均達14%，秦安縣增長幅度最小，僅為10%。

2.2 天水市對流層NO2柱濃度的空間動態變化特征

圖2為天水市2007─2015年9年間對流層NO2柱濃度均值的空間分布動態變化情況。

由圖2可見，天水市9年間對流層NO2柱濃度呈現自東向西逐漸遞減的空間動態變化特征，分布規律明顯為“東高西低”，且其空間變化分為5個階段：第一階段為2007—2008年，高值區和次高值區約占全市一半地區，其中高值區分布較少，僅分布在張家川回族自治縣和麥積區的東部地區，而次高值區和中值區分布廣泛，幾乎沒有低值區；第二階段為2009年，高值區基本消失，次高值區也大幅度減少，中值區占全市大部分地區，并在西部地區的武山縣和秦州區開始出現低值區；第三階段從2011年開始，高值區和次高值區再次擴散，占全市面積逐漸超過50%，并延伸至中部及西部地區，低值區再次減少至消失；第四階段從2014年開始，高值區幾乎消失，次高值區也大幅度減少，僅分布于東部縣(區)的少數地區，中值區占全市大部分地區；截至2015年，高值區再次出現，分布于麥積區和清水縣的東部少數地區，次高值區遍布市內全部縣(區)，中值區僅分布在秦安縣、甘谷縣和秦州區的少部分地區以及武山縣大部分地區。

2.3 天水市對流層NO2柱濃度的時間變化特征

(1) 年變化：圖3為天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度的年際變化趨勢。由圖3可見，9年來天水市對流層NO2柱濃度年際變化總體呈現小幅增長的趨勢，主要有三升三降的變化。其中，三個階段的增長：第一階段為2009—2011年，NO2柱濃度年均值由4.214×1015molec/cm2增至4.587×1015molec/cm2，年均增長率為2.96%；第二階段為2012—2013年，NO2柱濃度年均值由4.443×1015molec/cm2快速增至9年中最大值4.756×1015molec/cm2，年均增長率為3.52%；第三階段為2014—2015年，NO2柱濃度年均值由4.376×1015molec/cm2增至4.700×1015molec/cm2，年均增長率為3.70%；三次的增長率呈現逐次增大的趨勢。三個階段的下降：第一階段為2007—2009年，NO2柱濃度年均值從4.532×1015molec/cm2降至4.214×1015molec/cm2,年均下降率為2.34%；第二階段為2010—2011年，NO2柱濃度年均值從4.587×1015molec/cm2降至4.443×1015molec/cm2,年均下降率為1.57%；第三階段為2013—2014年，NO2柱濃度年均值從4.456×1015molec/cm2降至4.376×1015molec/cm2，年均下降率為3.99%；三次的下降率呈現中期減小、后期增大的趨勢。天水市2007—2015年9年間對流層NO2柱濃度的年均增長率為0.41%，低于我國東部地區近幾年的增幅(京津冀2005—2013年NO2柱濃度的年均增長率為5.69%[20]，長江三角洲2005—2014年NO2柱濃度的年均復合增長率為2.10%[21]，山東省2005—2014年NO2柱濃度的年均增幅為28.5%[22])。天水市9年間對流層NO2柱濃度的最大增長率是8.87%，出現在2009—2011年；NO2柱濃度的最大下降率是7.97%，出現在2013—2014年；天水市區縣對流層NO2柱濃度的最大增長率是10%～14%和最大下降率是10%，變化幅度較大。天水市對流層NO2柱濃度在2008—2009年出現下降，然后在2013年之前急劇增加，在2013年之后開始減少，2015年又出現回升，這與我國其他地區的研究結果存在時間上的一致性[23]。2008年全球金融危機致使天水市許多企業停產停工，成為天水市9年來對流層NO2柱濃度最低的年份，可見天水地區工業的發展對環境存在一定的影響；到2009年年底，連霍高速公路寶天段的通車，加之關中-天水經濟發展規劃，使該地區的NO2柱濃度逐年上升；2012年國家的新空氣質量標準推出，天水市政府出臺了一系列政策，其中對“國家重點污染源”實行在線監測，企業內部實行優化改革，對限期完不成整改任務、超標排放的鍋爐以及零散小型常壓鍋爐依法進行關閉，削弱了NO2柱濃度的增加幅度，但仍然有部分未安裝在線監測設備的企業管理松懈，導致排放得不到控制的情況存在，致使2013年NO2柱濃度再次提高；同年9月國務院下發“大氣污染防治行動計劃”，當地大型電廠、水泥廠安裝和改進了脫硝設施，故2014年實現了NO2柱濃度的大幅度降低；2015年，NO2柱濃度又有抬升，與經濟快速發展有關。根據本研究的實地調查與比較，天水市大型企業都有在線監測設備，且環保人員加強監督以提高達標率，但小型企業缺少在線監測設備，環保人員較少且任務重，因此建議該地區環保部門今后應逐步加大環保人力、監測設備和物聯網投入，以提高綜合管理效率。

圖2 天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度的空間分布動態變化情況(單位：×1015 molec/cm2)Fig.2 Spatial distribution of annual means of annual means of tropospheric NO2 column concentration during 2007—2015 in Tianshui City(unit:×1015 molec/cm2)注：NO2柱濃度均值高值區為5×1015 molec/cm2以上,次高值區為4.5×1015～5×1015 molec/cm2,中值區為4×1015～4.5×1015 molec/cm2,低值區為4×1015 molec/cm2以下

圖3 天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度的年際變化Fig.3 Interannual variation of the tropospheric NO2 column concentrations of Tianshui during 2007—2015

(2) 季節變化：對每年相關月份NO2柱濃度進行柵格計算求取平均值，得到天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度四季的空間分布，見圖4(春季為3、4、5月，夏季為6、7、8月，秋季為9、10、11月，冬季為12、1、2月)，結合天水市不同年份對流層NO2柱濃度年均值的季節變化折線圖(見圖5)、四季風向玫瑰花圖(見圖6)、數字高程模型圖(見圖7)進行分析,結果表明：天水市對流層NO2柱濃度的四季多年均值排序為：春季>夏季>冬季>秋季;對流層NO2柱濃度的四季變化折線的規律表現出春夏趨勢相似、秋冬趨勢相似，且有“春夏高、秋冬低”的特征，這與Zhou等[24]對阿爾卑斯地區農村和郊區的研究結果相吻合，與我國東部地區“冬高夏低”的研究結果相反；天水市春季和夏季對流層NO2柱濃度分布以河谷為分界線，呈現“北高南低”的空間分布格局，秋冬兩季河谷的分界線消失，秋季高值分布在天水東部、中部地區以及武山縣西北部地區，冬季高值范圍縮小至天水東部地區。天水市對流層NO2柱濃度四季的分布格局與當地氣流的運動有密切的關聯。進一步分析天水市東部兩縣一區對流層NO2柱濃度的四季變化還可以發現，張家川回族自治縣、清水縣和麥積區的秋冬季NO2柱濃度高于春夏季。根據本研究會同當地環保部門在天水市全境的實地調研，天水市四季NO2柱濃度的分布格局，一方面，由當地NO2源在四季風的推送下形成，如春夏季農業用地中土壤微型生物釋放大量的NO2、冬季燃煤生物質燃燒以及四季的運輸業和較弱的工業排放有關；另一方面，天水市東部持續NO2高濃度的聚集與東北部相鄰的甘肅省平涼市、東部陜西省等輸送有密切關系。綜上所述，天水市對流層NO2柱濃度四季的空間分布是起于東部并逐步向中部和西部擴展，這種分布除了與當地地理條件(如張家川回族自治區、清水縣、麥積區森林覆蓋率高，草甸層厚，微生物活動頻繁，自然排放導致NO2柱濃度的增加)、產業因素(采礦業、發電廠、水泥廠等)有關以外，與常年盛行的東風、東南風的輸送也有密切的關系。

圖4 天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度四季的空間分布圖Fig.4 Seasonal variation of spatial distribution of the tropospheric NO2 column concentration of Tianshui City during 2007—2015

圖5 天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度年均值的 季節變化折線圖Fig.5 Time series of seasonal means of the tropospheric NO2 column concentrations of Tianshui City during 2007—2015

圖6 天水市全年四季風向玫瑰圖Fig.6 Seasonal wind roses of Tianshui City

圖7 天水市數字高程模型圖Fig.7 Digital Elevation Model of Tianshui City

(3) 月變化：圖8為天水市2007年1月至2015年12月期間對流層NO2柱濃度月均值柱狀圖及趨勢線圖。

圖8 天水市2007年1月至2015年12月對流層NO2柱濃度月均值的變化趨勢圖Fig.8 Variation of the multi-year monthly means of the tropospheric NO2 column concentration of Tianshui City during 2007—2015

由圖8可見，天水市對流層NO2柱濃度月均值中部高兩端低，呈現倒“U”型；本研究4月、5月和6月分別是天水市NO2柱濃度月均值出現高濃度前三位的月份，與前文“春夏高秋冬低”的規律一致。圖9為天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度逐月月均值時間序列圖。

圖9 天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度逐月 月均值時間序列圖Fig.9 Time series of monthly means of tropospheric NO2 column concentration of Tianshui City during 2007—2015

由圖9可見，天水市對流層NO2柱濃度逐月月均值的極端最高值出現在2013年5月，次高值出現在2008年5月，極端最低值出現在2012年1月和2010年1月；9年間天水市對流層NO2柱濃度月均值為4.520×1015molec/cm2，月際變化趨勢沒有明顯的周期性，從而驗證了天水地區NO2柱濃度的自然影響大于人為干預。了解這些規律可為天水市大氣環境質量的管理提供參考。

3 結 論

本文通過分析天水市2007—2015年對流層NO2柱濃度的時空動態變化，結合本研究的實地調研與當地環保人員的意見，并與我國東部地區進行比較，總結出天水市大氣對流層NO2柱濃度的時空分布規律如下：

(1) 從空間分布上來看，9年來天水市對流層NO2柱濃度的區域空間分布梯度明顯，始終表現為東高西低的特點，其中東高是指張家川回族自治縣、清水縣和麥積區(兩縣一區)東部地區的高值區，西低是指秦州區和武山縣(一縣一區)中南大部分地區的中低值區；區域空間分布格局波動較大，9年間出現了5次高值區與低值區的交替擴張；在空間分布的動態上，具有從東部向西部逐漸擴展并降低的規律。

(2) 從時間分布上來看，9年來天水市對流層NO2柱濃度年際變化總體呈現小幅上升趨勢，年均值為4.497×1015molec/cm2，年均增長率為0.41%，期間出現三升三降，其中三升具有增長率逐次增大的規律，三降具有中期降低后期增大的規律；季節變化的周期性明顯，整體表現為“春夏高秋冬低”，與我國東部地區季節變化規律相反；對流層NO2柱濃度月均值為4.520×1015molec/cm2，一年中的4月份的月均值最高，一年中極端最高值出現在5月份。

(3) 與我國東部城市比較，天水地區對流層NO2柱濃度較低，但是9年來縣(區)域的增長率(10%～14%)和下降率(10%)以及市域年度變化幅度都比較大，如2009—2011年達到天水市9年來的最大增長率8.87%，2013—2014年達到最大下降率7.97%。

衛星遙感監測能夠大尺度、長時間序列、大范圍地捕捉痕量氣體在區域的分布及變化規律，本文利用OMI數據對天水市對流層NO2柱濃度的時空分布特征進行研究，得出對流層NO2柱濃度時空分布格局與當地地理條件、污染物來源和匯以及上風向污染的輸送有密切的關系的結論，該研究結果很好地彌補了地面監測只限于市區幾個點的局限性，使得城市大氣污染的控制建立在掌握全市污染物時空動態格局的基礎上，這對縣(區)域環保工作因地制宜強化環境管理措施，有效地保障環境質量朝著健康的目標發展，意義重大。

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