基于OMI卫星数据的河北省对流层NO2垂直柱浓度时空变化研究

摘要：利用对流层排放监测网（TEMIS）提供的OMI NO2浓度数据，应用ENVI和ArcGIS等技术平台开展河北省2005-2012年对流层NO2垂直柱浓度的时空分布特征的研究。结果表明，河北省对流层NO2垂直柱浓度值在秋、冬季明显高于春、夏季，冬季最高，夏季最低。2005-2012年河北省对流层NO2垂直柱浓度呈逐年增加的趋势，2011 年达到最高值。河北省NO2垂直柱浓度值空间分布不平衡，呈现出由东南向西北递减的趋势。河北省的气候特点和日益增长的机动车数量对河北省对流层NO2垂直柱浓度时空分布及持续增加贡献最大。

关键词：OMI卫星；对流层NO2垂直柱浓度；河北省；时空分布特征

中图分类号：TP79文献标识码：A文章编号：0439-8114（2014）10-2290-06

Spatiotemporal Changes of Tropospheric NO2 Vertical Column Densities in Hebei Province Based on Data of OMI Satellite

XIN Ming-wei，YUAN Jin-guo，MA Jing-jing

（College of Resource and Environmental Sciences，Hebei Normal University/Hebei Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction，Shijiazhuang 050024，China）

Abstract： Based on data of OMI NO2 column densities provided by tropospheric emission monitoring network（TEMIS） and the support of ENVI and ArcGIS technology platforms，temporal and spatial distribution characteristics of tropospheric NO2 vertical column density in Hebei province from 2005 to 2012 were studied. The results showed that tropospheric NO2 vertical column density values in autumn and winter in Hebei Province were significantly higher than those in spring and summer. The highest NO2 value appeared in winter，while the lowest one appeared in summer. The tropospheric NO2 vertical column density in Hebei province had an increasing trend from 2005 to 2012 and the NO2 value reached the maximum in 2011. The spatial distribution of tropospheric NO2 vertical column density in Hebei Province was not balanced with a decreasing trend from southeast to northwest. The climate characteristics and the increasing number of motor vehicles in Hebei Province made the largest contribution to the spatial and temporal distribution and the increase of local tropospheric NO2 vertical column densities.

Key words：OMI （Ozone Monitoring Instrument） satellite； tropospheric NO2 vertical column density； Hebei province； Temporal and spatial distribution characteristics

基金项目：河北省自然科学基金项目（D2012205084）；河北师范大学博士基金项目（L2008B15）；河北师范大学重点基金项目（L2009Z08）；河北省自然地理学省级重点学科建设项目

NO2是对流层中一种重要的痕量气体，是臭氧、酸雨和光化学烟雾的重要前体物，也是主要的大气污染气体，主要存在于低层大气中。对流层NO2来源可以分为人为源和自然源两种，人为源主要有化石燃料燃烧、生物质燃烧等；自然源主要有氨的氧化、土壤排放、闪电、平流层输送等；其中人类排放占总排放的2/3。汽车尾气排放、工业排放、飞机排放、轮船排放和农业烧荒等产生的NO2成为对流层NO2的主要来源，其中最主要的人为源是汽车尾气排放，所以城市地区的NO2一般比较高。

虽然NO2在大气中的含量很少，但是它是形成硝酸性酸雨、酸雾以及光化学烟雾的主要污染物。当在一定范围的大气内其浓度和持续时间发生改变时，就可能对人、动植物、材料、环境等产生不利的影响：它对肺组织产生强烈的刺激和腐蚀作用，引起呼吸窘迫、支气管炎和肺气肿等疾病；它助燃、有毒、具有刺激性，能使人昏厥；对水体、土壤和大气可造成污染；对植物生长有不良影响。

NO2在大气平流层和对流层化学中均发挥着重要作用。它在0.30～0.57 μm的紫外和可见光波段以及红外波段的6.8 μm处对太阳光吸收较强，具有明显的起伏。NO2对光的吸收对大气有着直接影响，它在大气中的浓度含量被视为衡量大气污染强弱的指标之一，因此对流层大气NO2浓度变化研究是目前大气环境的一个热点研究方向。

近年来，国内外学者应用卫星遥感数据不仅对NO2浓度分布、来源解析、反演技术、地面验证等方面进行了客观地研究。Velders等[1]把GOME（Global Ozone Monitoring Experiment，全球臭氧监测实验）资料和三维模式相结合，研究全球对流层中NO2柱总量分布的情况。Lamsal等[2]使用大气化学传输模式输出的NO2廓线信息和卫星遥感数据计算了北美部分地区地面NO2浓度，并和地面观测进行了比较研究。Boersma等[3]利用GOME资料和模式模拟方法重点比较研究了闪电在对流层产生的NO2的时空分布状况。JAEGL等[4]也利用GOME卫星数据研究由于生物质燃烧产生的NOx的时空分布和季节变化特征。2005年Richter等[5]，利用1996-2004年GOME和SCIAMACHY（Scanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric Chartography，扫描成像大气吸收光谱仪）的对流层NO2资料研究全球的NO2变化趋势，结果表明中国东部以及香港地区对流层NO2增长显著，而且增长速度高于其他主要NO2的高值区。

目前中国利用卫星遥感技术对对流层大气NO2的相关研究主要集中在全国区域，省市地区应用较少，而且大多使用GOME和SCIAMACHY 数据，较少使用OMI（Ozone Monitoring Instrument，臭氧层观测仪）数据。张兴赢等[6]2007年利用SCIAMACHY和GOME卫星遥感资料研究了近10年来中国的对流层NO2柱浓度，结果表明中国对流层NO2柱浓度呈现明显的增长趋势，NO2污染最严重的地区主要集中在人口聚居和工业发达的京津冀、长江三角洲、珠江三角洲以及四川盆地等地区。李莹[7]把SCIAMACHY卫星对流层NO2垂直柱浓度数据与地基DOAS 观测反演得到的大气层NO2柱总量数据进行了比较研究，结果表明中国东部以及香港地区NO2增长显著。张彦军等[8]利用OMI数据，开展了不同类型城市的NO2分布及变化趋势的研究。本研究主要利用美国NASA发射的Aura卫星上搭载的臭氧层观测仪OMI对流层NO2浓度数据，开展河北省2005-2012年对流层NO2柱浓度时空分布特征及其影响因素的研究，对华北地区的大气环境研究和空气质量的提升具有重要的现实意义。

1材料与方法

1.1材料

研究所用的数据是由荷兰皇家气象研究所（KNMI）提供的NO2对流层垂直柱总量浓度轨道数据，在对流层排放监测网（TEMIS）http：//.cn/qkpdf/hbny/hbny201410/hbny20141015-1.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文

冬季，河北省大部地区受大陆高压控制，高压系统强度大，范围广，持续时间长，使污染物的持续积累和汇聚作用时间变长，导致NO2柱浓度值明显偏高，大气污染最严重。另外，寒冷的冬季，当风速较小时对流层会出现逆温，且时常伴随有雾霾等天气，更不利于污染物扩散，这也导致NO2柱浓度明显偏高。

2.1.3河北省对流层NO2柱浓度的年际变化河北省2005-2012年8年间对流层NO2柱浓度年均值变化如图4所示，2005年到2011年7年间河北省对流层NO2垂直柱浓度逐年增长趋势明显，2011年达到最大值，比2005年增加近6×1015 molec/cm2。与2011年相比，2012年河北省对流层NO2柱浓度稍有回落，但仍高于2010年。

随着河北省人口基数持续增大，人为NO2的排放量不断增多，尤其是机动车尾气排放的逐年增大，是河北省流层NO2垂直柱浓度逐年增长的主要原因。2012年河北省政府印发了《河北省机动车氮氧化物总量减排实施方案》，其中明确要求“十二五”期间，河北省必须完成机动车氮氧化物减排27.73万t。省委省政府加强生态强省建设力度，严格控制污染物的排放，减少汽车尾气的排放，这可能是2012年对流层NO2柱浓度降低的原因之一。

2.2河北省对流层NO2柱浓度年际变化空间分布特征

2005-2012年河北省NO2浓度空间分布如图5所示。可以看出，河北省NO2浓度大小空间分布极其不平衡，北部地区和南部地区形成明显的反差，总体呈现出由南向北递减的空间分布趋势，西南部最高，主要分布在石家庄、邢台和邯郸市。从年际变化上来看，2005-2012年河北省NO2浓度低值区分布范围没有太大的变化，都是集中在燕山和太行山以北、坝上高原的张家口、承德以及唐山市和秦皇岛市的北部；河北省NO2浓度中高值的空间分布范围有一定的变动。2005年全省NO2浓度属于中低值范畴，基本上没有高值区。从2006年到2009年，NO2浓度中高值范围都不断扩大分布于河北平原中北部和西南部地区，包括保定、石家庄、邢台、邯郸、沧州和廊坊市等。2010-2012年，高值区范围开始缩小，中值区范围进一步扩大，由河北省中南部的平原地区向东南部沿海地区蔓延。2012年沧州和廊坊市也出现了NO2高值区。

河北省对流层NO2浓度值与河北省的地理位置、地形特征及植被覆盖特征密切相关。坝上高原气候较寒冷，山地地形植被覆盖率高，人类活动和工业发展对大气环境影响较小。因此，在坝上高原的张家口和承德市以及唐山和秦皇岛市的北部，对流层NO2浓度值较低。平原地貌的地势低平开阔，人口密集，人类活动频繁，汽车拥有用量多，其汽车尾气排放、工业排放、飞机和轮船排放及农业烧荒等都大大增加了对流层 NO2的浓度[10]。所以位于河北平原区的石家庄、邢台、邯郸、保定和廊坊市等对流层NO2浓度值较高，尤其是石家庄、邢台、邯郸等市对流层NO2浓度值一直居高不下。

2.3基于对流层NO2柱浓度的河北省城市类型划分

根据河北省对流层NO2柱浓度总体空间分布特征和河北省各市NO2柱浓度年均值大小，把河北省11个城市分成高值城市、中值城市、低值城市三类，如表1所示。不同类型城市2011年NO2浓度逐月变化特征见图6。

高值城市是指NO2浓度各月数值比较高，都在20×1015 molec/cm2 以上，各月差值较大，年分布曲线比较平滑，NO2浓度最大值均出现在12、1月，最小值出现在7、8月。3个城市均为较发达的工业城市，工矿企业多，而且是京广线上重要的交通枢纽，工尘、扬尘及汽车排放相对很大，空气污染较为严重，NO2浓度整体数值偏高。

中值城市是指NO2浓度数值中等，在10×1015和20×1015 molec/cm2之间。由图6可知，除了秦皇岛市有很大波动，即4月份浓度在全年最大外，其他城市大致变化平缓，各月差值不是很大。各市NO2浓度最大值也出现在12、1月，最小值出现在7、8月。廊坊、保定、沧州、衡水市位于河北平原中北部，距离京津地区较近，人口集中，人类活动对大气污染的影响较大。唐山市GDP产值全省最高，是重要的重工业城市，NO2浓度均值却位列中等，可能是由于濒临渤海，利于NO2等污染气体的扩散，导致NO2浓度不是很高。

低值城市是指NO2浓度各月数值都很低，基本上都小于10×1015 molec/cm2，全年各月差值最小，年分布曲线比较平滑，没有明显的峰谷变化。张家口、承德市位于燕山和太行山以北，坝上高原地势较高，气候寒冷，人口较少，工业发展落后，NO2浓度很低且全年变化不大。

2.4对流层NO2垂直柱浓度的影响因素

2.4.1自然因素地形特征。高原和山地地形区，地势高，气候较寒冷，人类活动和工业发展对大气环境影响较小，NO2浓度偏低；平原、盆地地形区，地势平坦开阔，人口密集高，人类活动和工业发展对大气环境影响大，NO2浓度偏高。河北省对流层NO2浓度低值区集中在坝上高原的张家口、承德、唐山和秦皇岛市的北部，高值区分布在在中南部平原区石家庄、邢台、邯郸、保定、唐山市。

地理位置。对流层NO2垂直柱浓度的空间分布与海陆位置差异相关。沿海地区，距海洋较近利于NO2等污染气体的扩散，NO2的浓度不高且全年变化不大。唐山市是重要的重工业城市，GDP 产值全省最高，但NO2浓度值却位列中等，主要原因是濒临渤海，NO2等污染气体容易扩散。

气象要素。污染气体NO2等被排放到大气中不是一成不变的，受当时的气象条件的影响，它们不断地扩散、流动、迁移和转化[11]。人为排放的NO2进入大气后其扩散程度与NO2垂直柱浓度有明显的负相关，扩散程度越大，浓度就越小，相反浓度就越大。风向、风速、大气稳定度、太阳辐射量、逆温、降水量等都是影响大气污染物扩散的气象因子。

2.4.2社会因素人为NO2的排放。人为NO2的排放主要包括工业生产排放、交通运输排放、人类生活排放。其中占比例最大的是燃料燃烧排放和汽车尾气排放，燃料燃烧主要有生物质燃烧、人为化石燃料燃烧等。这些排放渠道是NO2的主要来源，也是对流层NO2垂直柱浓度最直接的影响因素。河北省冬季处于采暖期，也会增加NO2的浓度。

人口密集度及经济发展状况。人口密集度和经济发展状况是影响对流层大气NO2浓度分布的重要社会因素[12]。河北省NO2垂直柱浓度的高值城市前五位是邯郸、石家庄、邢台、保定、唐山。根据河北省统计局的经济年鉴[13]，这5个城市的人口总数和生产总值位于前5位。经济发展好、人口多、人为活动频繁的地区也是NO2浓度高值区。

机动车拥有量。机动车尾气排放是NO2的主要人为来源之一，机动车的拥有量是影响其尾气排放的重要因素，所以也是影响NO2浓度的必不可少的因素。目前，随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对汽车的需求也越来越大，汽车产业发展迅速，汽车的拥有量也持续增多，大量的汽车尾气排放到空气中，大大增加了对流层NO2的浓度。

将河北省统计局的2005-2011年河北省年机动车拥有量数据与河北省对流层NO2柱浓度年均值数据做相关性分析，结果如图7所示，河北省年机动车拥有量与对流层NO2柱浓度具有一定的正相关性（R2=0.655 7），可见机动车的尾气排放对河北地区对流层NO2浓度的贡献很大。

3小结与讨论

本研究以河北省为研究区，以TEMIS提供的2005年1月-2012年12月的OMI数据为数据源，利用 ENVI4.5 和 ArcGIS10.0等技术平台，得到河北省及11个市的对流层NO2柱浓度均值，分析了河北省NO2柱浓度时空分布特征及其影响因素，得到以下结论。

1）从月际变化来看，河北省对流层NO2柱浓度月均值呈现年周期性变化，最大值出现在1月或12月，最小值在7月或8月。从季节变化来看，河北省秋、冬季节对流层NO2柱浓度值明显高于春、夏季节，最高值出现在冬季，最低值出现在夏季。从年际变化来看，2005-2011年河北省对流层NO2柱浓度呈逐年增加趋势，2011 年达到最高值，2012年有所回落。

2）河北省NO2柱浓度空间分布极其不平衡，北部地区和南部地区形成明显的反差，呈现由东南向西北递减的趋势。河北省NO2浓度高值区分布在河北平原区西南部的石家庄、邢台、邯郸市，中值区分布在位于河北平原区中北部的保定、廊坊、衡水、唐山和秦皇岛市的中南部，低值区分布在燕山和太行山以北，坝上高原的张家口和承德市以及唐山和秦皇岛市的北部。

3）影响对流层NO2垂直柱浓度时空分布的因素很多，河北省位于人类活动强烈的华北区，对流层NO2以人为排放为主，研究发现，河北省的气候特点和日益增长的机动车数量对河北省对流层NO2垂直柱浓度时空分布及持续增加贡献最大。

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[13] 河北省统计局，河北经济年鉴，2005-2011.http：//.cn/qkpdf/hbny/hbny201410/hbny20141015-3.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文

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