2005~2017年全球大氣邊界層SO2時空變化

康重陽,趙 軍,宋國富

2005~2017年全球大氣邊界層SO2時空變化

康重陽1,2,趙 軍1*,宋國富3

(1.西北師范大學地理與環境學院,甘肅 蘭州 730070；2.隴東學院歷史與地理學院,甘肅 慶陽 745000；3.西藏自治區生態環境遙感監測中心,西藏 拉薩 850000)

使用2005~2017年遙感數據研究了全球大氣邊界層SO2時空分布特征及變化趨勢.結果表明:空間分布上SO2呈現空間異質性,大氣高SO2柱量值集中在以火山噴發為代表的自然源區域和以工業排放為代表的人為源及附近區域;一、二、三級SO2柱量值在全球范圍內整體呈現緯度地帶性分布特征,北半球受人為影響較為明顯,分界線在陸地區域向南凸出,海洋上向北凹陷,而南半球受人為影響較小,分界線呈現與緯線平行趨勢;2005~2017年全球大氣邊界層SO2單元柵格年均值整體呈現先增后減趨勢,火山噴發導致2008、2009、2011年夏季出現了明顯的波動,其余季節無顯著變化;全球范圍內大氣邊界層SO2年內變化,伴隨太陽直射點南北移動,2005~2014年一級SO2柱量值延緯向對稱軸的緯度,除10~12月份外,其余月份與對應月15日太陽赤緯基本吻合.

全球大氣邊界層；OMI；OMPS；SO2

二氧化硫(SO2)是一種污染氣體,濕沉降危及生態系統、水生動物和植物健康、建筑的壽命[1],干沉降影響大氣環境、人體健康,及全球大氣環流、季風、區域和局地氣候變化[2],甚至會導致平流層水汽含量增加[3].煤炭、石化燃燒為主的人為源,貢獻了全球接近70%的SO2排放量[1],其余來自于火山噴發、山火燃燒等為主的自然源.

20世紀發生在全球范圍內的八大公害事件,其中4件與大氣中的SO2有直接關系,造成眾多生命的終結和巨大的經濟損失.大氣中的SO2存在時間較短,Lee等[4]研究發現,夏季白天SO2的壽命最短,約為19h,冬季白天的壽命約為56h.此外,大氣中 SO2還具有易氧化、易沉降的特點,導致其監測比較困難.SO2的監測經過百年的發展[5-6],從早期的化學、電化學法逐漸發展為基于光譜技術的地基監測、機載觀測、遙感監測.化學、電化學監測出現在20世紀40~70年代歐美發達國家,易受操作、采集方式等因素限制;地基監測是基于“自下而上”的監測方式,具有實時、高精度的優點,但受制于操作復雜、維護成本高、測量范圍小等約束,難以實現大范圍SO2監測;機載觀測機動性較高,但成本高昂,多應用于數據驗證方面;1983年Krueger等[7]利用TOMS數據,第一次從遙感衛星數據提取火山噴發排放的SO2,大氣SO2監測從地表轉向太空,實現“自上而下”的監測,尤其是在紫外高光譜技術得到廣泛應用之后,SO2遙感監測技術取得實質性的進展.遙感監測大氣SO2的傳感器主要有TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer)[7]、GOME (Global Ozone Monitoring Experiment)[8-9]、SCIAMACHY(The Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography )[10-11]、OMI(Ozone Monitor Instrument)[12-13]和OMPS(Ozone Mapping and Profiler Suite)[14-15].

近年來,國內外學者應用GOME、SCIAMACHY、GOME-2、OMI和OMPS遙感數據,在大氣SO2監測方面展開大量研究,研究主要集中在反演算法的開發及其數據準確性的驗證[16-21]、區域SO2監測及排放量隨時間變化趨勢[22-35]、SO2排放源頭目錄生成[15,36]、火山噴發SO2排放量估算[37-41]等方面, OMI和OMPS憑借其較高的空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率的優勢,應用更為廣泛. NASA科研工作者就OMI和OMPS監測SO2準確性方面進行了相關研究,表明二者在重點監測區域的相關系數高達0.8以上[15],這有利于使用兩種不同傳感器進行長時間序列變化趨勢方的研究.先前的研究主要集中在區域尺度,在全球時空變化方面研究較少.本研究基于2005~2014年OMI SO2L2V003、2015~2017年OMPS NMSO2L2V1.1遙感數據中的PBL(The planetary boundary layer) SO2數據,進行2005~2017年全球大氣邊界層 SO2空間分布特征,年際、年內變化趨勢研究,并定量的分析了全球PBL SO2年內變化與太陽赤緯之間的對應關系,有助于在全球氣候變化背景下,進一步認識的大氣邊界層SO2的空間分布與變化.

1 數據及方法

1.1 數據來源

臭氧監測儀(OMI),是繼GOME、GOME-2和SCIAMACHY之后的新一代高光譜大氣成分探測傳感器,基于近紫外/可見光波段近地觀測的CCD光譜儀,搭載于NASA地球觀測系統(EOS)Aura衛星之上,該衛星由荷蘭、和芬蘭聯合研發,是一款太陽同步衛星,赤道過境時間為13:45,于2004年7月15日發射升空,同年8月9日開始采集數據,星下點空間分辨率為13×24km2,每日產生14~15景影像,能夠實現日全球覆蓋,每景影像為38MB.其主要目的是研究大氣痕量成分及其對氣候變化的影響,OMI已經被廣泛應用于大中尺度的污染氣體監測等領域[14,21,24-28].

臭氧成像探測儀(OMPS),作為OMI傳感器的繼承者,搭載于美國新一代對地觀測衛星Suomi NPP之上,2011年8月28日發射,2012年1月開始采集數據[14-15],運行高度為839km,赤道過境時間為13:30,比前代傳感器OMI早10~15min,全球范圍內每天產生14~15景影像,每景影像約為1.14MB.主要目的是用于監測全球范圍內平流層O3分布及變化,延續了1970年以來對全球平流層O3時空分布與變化特征長期監測,同時也監測如SO2、NO2、氣溶膠光學厚度、云量等地球物理量.

以上遙感數據都來自于NASA GES DISC數據庫,該數據庫收集了關于大氣成分、水和能量循環、氣候變化相關的遙感數據資料.

1.2 數據及反演算法

PBL SO2數據反映的是剖面高度小于2km大氣中的SO2總柱量值[15].

SO2反演算法:OMI SO2反演算法經歷了DOAS[16](Differential Optical Absorption Spectroscopy)、LF[17](Linear Fit)、BRD[18](Band Residual Difference),到新一代通用的PCA[19](Principal components analysis)算法,監測的準確性不斷得到提升,OMPS NMSO2也延用了PCA算法.PCA[19]算法由Li等2013年提出,該算法使用赤道太平洋無SO2排放區域的輻射值,主成分能夠捕獲接近99.9999%輻射量的變化.前3個主成分為臭氧吸收、表面反射、旋轉拉曼散射效應,其余主成分來源于測量噪聲和探測器偽成像.PCA算法的瞬時視場角的標準偏差,在赤道太平洋30°N~30°S,無SO2排放區域為0.5DU,是前一代反演算法BRD標準偏差的一半,在高緯度區隨著O3傾斜柱量值的增加,標準偏差上升0.7~0.9DU,這依然比BRD算法小一倍.其次使用雅克比行列式代替了先前算法中的空氣質量系數(AMF),相同條件下提高了數據的準確性.本文所使用的遙感數據均由PCA算法反演產生,消除了因反演算法不同導致長時間序列研究的差異問題.

1.3 數據處理方法

參考OMI、OMPS官方文檔,使用VISAN3.7及python編寫程序,完成OMSO2、NMSO2數據提取,處理過程如下:

(1)逐日數據剔除及提取:剔除云參數(Cloud Fraction)>0.3、太陽高度角>70°、SO2柱量值<0DU的數據,提取全球范圍內經、緯度及對應PBL SO2柱量值.

(2)將產生的數據轉成點矢量文件,以0.125°網格做普通克里金插值,并進行投影轉換.

(3)在時間尺度上,獲取大氣邊界層SO2年均柱量值、季均柱量值和月均柱量值,并在空間上完成SO2年均空間分布圖、季節變化、月均變化趨勢圖.

2 結果與討論

以往研究以等間距作為標準進行劃分,有0.2DU、0.5DU.通過前期研究發現[37],自然斷點法更能夠準確反映SO2的空間分布,本文對全球SO2柱量值的劃分如表1所示.

表1 全球SO2柱量值七級劃分標準

自然斷點法是一種基于自然分組,將屬性值相近的值進行合并,是類內差異最小,類間差異最大,方差和最小的一種統計學分類方法.該方法可以將分類間隔加以識別,對相似值進行七級分組,并能使各個類之間的差異最大化.要素被劃分為多個類,對于這些類,會在數據值得差異相對較大的位置設置分類邊界.

2.1 全球大氣邊界層SO2空間分布

全球范圍內大氣邊界層SO2在空間上呈現異質性,六、七級高柱量值呈現聚集狀分布,一、二、三級柱量值區域呈現緯度地帶性,南、北半球表現出不均勻對稱性.

圖1 2005~2017年全球范圍內大氣邊界層SO2平均柱量值空間分布

圖中南美洲異常值區域(South Atlantic Anomaly),以下統一簡稱為SAA

火山噴發向大氣中排放大量的SO2氣體,大部分火山活動強烈,對SO2濃度的影響高至平流層,而少部分火山比較溫和噴發高度低,主要引起大氣邊界層SO2濃度增加.如圖1,西太平洋菲律賓海東北馬里納亞群島的安納塔漢(Anatahan)火山、澳大利亞東北部瓦努阿圖共和國的瓦努阿圖群島(Vanuatu)火山、非洲剛果民主共和國東部的尼拉貢戈(Nyiragongo)火山、美國夏威夷的冒納凱阿(Mauna Kea)火山、厄瓜多爾的阿蘇爾(Cerro Azul)火山、巴布亞新幾內亞獨立國(Papua,New Guinea)境內火山等,都引起大氣邊界層SO2濃度的增加(詳細區域請參照NASA全球SO2監測首頁:https://so2.gsfc. nasa.gov/).石油、煤炭等化學能源的大量使用,向大氣集中排放大量SO2氣體,形成人為高SO2排放地區.如:俄羅斯北部克拉斯諾亞爾斯克邊疆區的諾里爾斯克,是俄羅斯主要的有色金屬工業基地,周邊存在大型火電站,煤炭消耗量巨大;墨西哥合眾國的中部地區,以其首都墨西哥城為中心,形成的六級SO2柱量值區域,受地理條件、地形特點的影響,燃料難以充分燃燒,SO2擴散困難,產生堆積現象[42];中國高柱量值區域涵蓋北京、天津、河北、山東全境,遼寧大部、山西中部和南部、河南中部和北部以及安徽省和江蘇省北部,發達的鋼鐵、石化、火電傳統高耗能產業,排放大量的SO2氣體;非洲南非共和國的東北部,電廠、工業排放、擴散,造成該地區出現人為高SO2柱量值[43].

45°N~45°S區域內,空間上整體呈現緯度地帶性分布,熱帶地區最低,伴隨緯度增加,SO2柱量值增加,表現出不均勻對稱性.一級柱量值區域SO2年均柱量值小于0.512DU,包含了熱帶(23.5°N~ 23.5°S)、部分北溫帶地區(23.5°N~30°N)和部分南溫帶地區(23.5°S~30°S),是全球大氣邊界層SO2柱量值最低的區域;二級柱量值區域包含了北溫帶30°N~45°N和南溫帶30°S~45°S區域,SO2柱量值處于0.512~ 0.615DU,南半球一、二級SO2柱量值分界線與緯線平行,平行效果優于北半球.

圖中SAA區域的SO2明顯高于周邊地區,是由于地球的磁場捕獲高能帶電粒子,該粒子會對低地球軌道衛星探測器造成影響,使得該區域的輻照度高于正常值,產生了高SO2柱量值現象[15],所以本文在討論全球SO2空間及時空變化時不考慮該區域的變化,如何剔除SAA區域的地磁影響,有待進一步工作的開展.

2.2 2005~2017年全球SO2年際變化特征

OMI傳感器從2007年開始出現數據壞道,并逐年增加,雖然NASA工作人員嘗試修復壞道數據,但大范圍上較難準確的反映大氣邊界層SO2柱量值,所以本研究選用2005年1月1日至2014年12月31日OMISO2遙感數據,及2015年1月1日~2017年12月31日OMPS遙感數據,以進行近13年全球大氣邊界層SO2年際變化研究.

由于OMI、OMPS傳感器自身的局限性,采集數據受制于太陽照射,太陽直射點及地球在公轉軌道的位置不同,采集數據的區域有所差別,再加上火山噴發排放SO2對大氣邊界層的影響具有不確定性,所以在進行年際變化比較時,本文采用單元柵格年均值,即該區域內年均SO2總柱量值除以該區域的總柵格數.如圖2所示,2005~2017年全球SO2單元柵格年均值整體呈現先增后減趨勢,最大值出現在2011年,單元柵格年均值為0.613DU,最小值在2016年,單元柵格年均值為0.302DU.2005~2007年單元柵格年均值基本保持不變,約為0.55DU,從2008年開始緩慢增加,到2011年出現最大值,隨后2012~ 2013年有所下降,2014年出現第二峰值,約為0.588DU, 2014~2015年出現較大幅度降低,較2014年降低幅度高達45%,這種較大幅度的變化很大一部分可能是由于傳感器的不同造成,如何消除不同傳感器之間的差異,進行長時間序列的時空變化特征研究,有待新的估算算法的開發.

圖2 2005~2017年全球范圍內大氣邊界層SO2單元柵格年平均柱量值變化趨勢

圖中2014~2015年之間的巨大降幅主要源于傳感器的差異,圖4同

2.3 全球大氣邊界層SO2季節變化

為研究不同季節大氣邊界層SO2時空分布特征,分別取12月、次年1、2月為冬季,3、4、5月為春季,6、7、8月為夏季,9、10、11月為秋季,六、七級柱量值區域主要集中在火山噴發影響區域,如非洲中部的尼拉貢戈火山、美國的夏威夷火山等,和嚴重的人為排放區域,如南非共和國、俄羅斯的諾里爾斯克、中國的華北平原、墨西哥合眾國的墨西哥城等.一、二、三級區域分界線,在北半球人為排放較為嚴重的區域向南凸出,海洋上向北凹陷,南半球基本不受人為排放影響,表現出與緯線平行跡象.北半球一、二、三級柱量值分界線隨季節發生變化,夏季分界線向北達到最大,隨后隨太陽直射點的南移向南變化,與冬季一、二級分界線到達北回歸線附近,到達年內最南端,南半球相反.

2.4 2005~2017年SO2季均值年際變化趨勢

通過圖2發現,2005~2017年全球SO2單元柵格年均值整體呈現先增加后降低過程,為了解2005~2017年不同季節的變化趨勢,本文通過計算2005~2017 年不同季節單元柵格季節均值,來估算不同季節SO2的年際變化狀況.如圖4,2005~2017年SO2單元柵格季均值均出現不同程度的變化,變化幅度最大的季節是夏季,其余季節SO2單元柵格季均值在2005~2017年間無明顯變化,夏季在2008、2009、2011年出現突變,主要受火山噴發排放大量SO2在大氣邊界層隨高空氣流擴散,出現大面積SO2柱量值增加.

圖3 2005~2017年全球范圍內大氣邊界層SO2平均柱量值季節變化

Fig.3 Global seasonal variation of averaged PBL SO2 columns between 2005 and 2017

2.5 2005~2017年全球SO2年內變化特征

太陽直射點的南北移動,引起全球范圍內眾多氣象要素的周期性變化,如氣壓、溫度、降水等,而這些氣象要素的周期性變化直接影響到大氣邊界層SO2的干沉降、濕沉降、光化學反應等,大氣邊界層SO2柱量值也表現出周期性變化的特征.

全球范圍內大氣邊界層SO2年內變化,伴隨太陽直射點南北移動,一級SO2柱量值區域周期性變化.1、2、12月份,一級SO2柱量值區域包含了整個熱帶及大部分的南溫帶,這三個月南半球處于夏季,高溫多雨不利于SO2在大氣中單獨存在.伴隨太陽直射點由南回歸線向赤道轉移,一級SO2柱量值區域開始向北半球轉移,北半球氣溫回暖,采暖結束,二、三級SO2柱量值區域緯度范圍增大,至5月份,除俄羅斯大部分區域外,二級SO2柱量值區域包含了整個北溫帶及北寒帶的部分地區,南半球氣溫降低,三、四級柱量值區域面積明顯擴大;6、7、8月,北半球處于夏季,SO2的干、濕沉降速度快,大氣逆溫層強度降低、高度升高,SO2擴散增強,正常情況下,三級及以上SO2柱量值區域面積急劇減少,2009年6、7月份美國阿拉斯加火山、俄羅斯東部的勘察加火山噴發,火山噴發排放的大量SO2,在大氣環流和行星風系的影響下,一部分呈緯度地帶性向東延伸至加拿大境內,最遠延伸至格陵蘭島,另一部分在西風帶內受極地西風擴散,在北半球中緯、中高緯、高緯度地區出現大面積的五、六、七級SO2柱量值區域;9月份開始,太陽直射點轉入南半球,北半球進入秋季,氣溫降低,降水減少,北半球SO2柱量值升高,而南半球進入春季,大氣中SO2的生存時間逐漸縮短,南半球大部分處于三級及以下SO2柱量值區域,并且伴隨南極進入極晝,南極大氣邊界層出現SO2空洞.

2.6 全球大氣邊界層SO2年內變化與太陽赤緯關系

太陽輻射作為地球最主要的能量來源和基本動力,推動地球表層幾乎全部的自然物理過程,使地理環境得以形成和有序發展[44].通過上文發現地球大氣邊界層SO2在空間分布上呈現緯度地帶性,通過圖5發現全球范圍內大氣邊界層SO2年內變化表現出一定運動的特征,為定量研究其特征,本文選取太平洋無SO2排放區域(經度范圍150°W~170°W、緯度范圍70°S~70°N),測量一級SO2柱量值延緯向對稱軸的緯度,發現除10~12月份外,其余月份對稱軸緯度與對應月15日太陽赤緯基本吻合,10~12月份,相差較大與南半球大面積二級柱量值區域有關,導致一級柱量值區域被壓縮.如表3所示,基于OMI遙感數據,2005年~2014年一級SO2柱量值區域緯向對稱軸與每月15日太陽赤緯之間存在較好的對應關系,且存在相近的運動趨勢.

太陽赤緯的計算:太陽直射點的變化決定著太陽高度的變化,直接影響到地區的太陽輻射量.本文采用黃玫生太陽直射點的計算方法[45],計算每月15日的太陽直射點緯度位置.

表2 2005~2014年一級柱量值緯向對稱軸與每月15日太陽赤緯對應關系

月份一級柱量值對稱軸緯度位置 200920102011201220132014 118.19°S17.69°S17.9°S15.93°S17.67°S18.3°S 211.44°S13.43°S7.6°S9.56°S11.67°S13.56°S 30.63°S4.3°S5.31°S0°2.38°S4.56°S 44.375°N2.9°N3.75°N8.88°N3.75°N2.69°N 514.31°N12.5°N13.06°N16.19°N13.81°N12.9°N 65.75°N17.85°N18.81°N19°N17°N17.38°N 711.25°N15.4°N18.06°N16.69°N16.31°N16.38°N 816.06°N10.3°N9.37°N13.6°N10.68°N7.5°N 98.94°N6.3°N6.88°N6.88°N5°N1.88°N 102.25°N2.6°S14.88°S1.38°N0.2°N2°N 1115.38°S16.88°S18.31°S18.43°S11.5°S7.31°S 1220.19°S19.43°S20.31°S18.85°S20.79°S15.8°S

緯向對稱軸緯度=

A

-(

A

-

B

)/2 (2)

式中:為研究區域北半球一、二級柱量值分界線最大緯度,為研究區域南半球一、二級柱量值分界線最大緯度.

3 結論

3.1 全球范圍內大氣邊界層SO2柱量值空間上呈現空間異質性,六、七級高柱量值呈現聚集狀分布,主要集中在以火山噴發為代表的自然源和以工業排放為代表的人為源及附近區域; SO2柱量值在熱帶地區最低,伴隨緯度增加而增長,南、北半球表現出不均勻對稱性.

3.2 2005~2017年全球大氣邊界層SO2單元柵格年均值整體呈現先增后減趨勢,最大值出現在2011年,最小值出現在2016年,受傳感器影響,2014年之后出現較大幅度的下降,很大一部分由傳感器不同引起;除夏季外,單元柵格季均SO2柱量值在2005~2017年之間沒有出現較大幅度的變化,火山噴發導致2008、2009、2011年夏季出現了明顯的突變,火山噴發排放大量SO2在大氣邊界層隨高空氣流擴散,出現大面積SO2柱量值增加.

3.3 全球范圍內大氣邊界層SO2整體呈現緯度地帶性分布特征,北半球受人為影響較為明顯,一、二、三級分界線在陸地區域向南凸出,海洋上向北凹陷,而南半球受人為影響較小,分界線呈現與緯線平行趨勢.

3.4 全球范圍內大氣邊界層SO2年內變化,受太陽直射點南北移動的影響.2005~2014年月均一級柱量值緯向對稱軸緯度與每月15日太陽赤緯之間存在良好的對應關系,太陽輻射是造成大氣邊界層SO2柱量值年內變化的最主要因素.

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Temporal and spatial distribution characteristics of global atmospheric boundary layer SO2based on remote sensing data from 2005 to 2017.

KANG Chong-yang1,2, ZHAO Jun1*, SONG Guo-fu3

(1.College of Geography and Environmental Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China；2.History and Geography Department, Long Dong College, Qingyang, 745000, China；3.Tibet Autonomous Region Remote Sensing Monitoring Center, Lhasa 850000, China)., 2019,39(10)：4033~4042

As the main precursor of the smog and acid rain in the atmosphere, SO2plays an important role to the near-surface O3pollution. Meanwhile, SO2also affects the global and local atmospheric circulations because its strong absorption on the ultraviolet influences the solar radiation dramatically. Therefore, it is beneficial to study the temporal and spatial distributions of SO2and their variations. In this paper, the spatial and temporal distributing features of SO2at global atmospheric boundary layer were studied by the remote sensing data from 2005 to 2017. A spatial heterogeneity was observed from the analyzing results. Specifically, the high columns of SO2mainly concentrated on the volcanic eruption areas as a natural source and on the industrial emission areas as an anthropogenic source. The first, second and third grades of SO2columns distributed zonally in the whole world. It was evidently affected by the human emissions in the Northern Hemisphere that the boundary line of SO2column grades protruded southward on the land and sunk northward on the ocean. In the Southern Hemisphere, on the contrary, the boundary line paralleled to the latitude. From 2005 to 2017, the annual average of SO2unit grid values at the global atmospheric boundary layer was increasing before 2011 and then decreasing. During this period of time, the volcanic eruptions led to obvious variations in the summer of 2008, 2009 and 2011. The alteration of SO2at the atmospheric boundary layer was associated with the movement of the direct solar radiation point within each year. From 2005 to 2014, the latitudinal axis of symmetry of the first grade SO2columns matched with the 15thday’s solar declination of each month, except October, November, and December.

global atmospheric boundary layer；OMI；OMPS；SO2

X511

A

1000-6923(2019)10-4033-10

康重陽(1983-),男,甘肅寧縣人,碩士,主要從事環境遙感與GIS應用研究.發表論文2篇.

2019-03-10

* 責任作者, 教授, zhaojun@nwnu.edu.cn