中国NO2的季节分布及成因分析

尉 鹏，任阵海，苏福庆，程水源，张 鹏，高庆先

1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100022

2.中国环境科学研究院，北京 100012

3.中国气象局，国家卫星气象中心，北京 100081

中国NO2的季节分布及成因分析

尉 鹏1，任阵海2*，苏福庆2，程水源1，张 鹏3，高庆先2

1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100022

2.中国环境科学研究院，北京 100012

3.中国气象局，国家卫星气象中心，北京 100081

利用OM I卫星观测的对流层NO2柱浓度和113个重点城市地面ρ(NO2)监测数据，结合753个监测站降水资料以及中国气象局气象信息综合分析处理系统(M ICAPS)气压场数据，研究了中国NO2的季节分布特征及其影响因素.结果表明:卫星遥感数据和地面监测数据同步显示了中国NO2浓度冬季峰值、夏季谷值的季节分布特征;月降水量与地面监测的ρ(NO2)呈负相关，相关系数为0.71.气压场平均结果表明，边界层气压场的特征是影响NO2浓度季节分布的另一个主要因素.

大气遥感;NO2;季节分布;成因分析

Abstract:Using tropospheric NO2columns derived from OMI observations，NO2measurements at 113 major monitoring sites，753 meteorological observations of rainfall and sea-level pressure field data from MICAPS，this paper studies seasonal distribution characteristics of NO2in China and influencing factors.The findings indicate that the satellite remote sensing data and observation data on the ground synchronously reveal the seasonal characteristics of NO2concentration in China，which reaches peaks in winter and is lowest in summer.Monthly mean rainfall and seasonal distribution of NO2concentration were inversely correlated，with a correlation coefficient of 0.71.The average air pressure field result showed that the characteristics of planetary boundary layer (PBL)pressure field was anothermain factor influencing seasonal variability of NO2concentration.

Keywords:atmospheric remote sensing;NO2;seasonal distribution;cause analysis

NO2是主要的大气污染物之一，也是臭氧、酸雨和光化学烟雾的重要前体物，严重影响着大气环境质量，危害人体健康［1］.随着经济的快速发展，我国NO2排放量逐年升高，污染日益严重.卫星观测结果表明，2005—2006年我国 NO2柱浓度比1996—1997年增加了93%.我国NO2污染超过北美、西欧和日本等发达国家和地区，成为全球污染最为严重的地区之一［2-3］.因此，我国的 NO2污染问题也成为了关注的热点之一.

研究［4-8］指出，区域性大气环境污染浓度的变化受天气过程的影响，天气要素如边界层气压场和降水等与区域大气污染有明显相关性［9-11］.边界层反气旋系统对污染物有明显积累作用，而锋区清除系统和降水系统是造成区域污染物浓度下降的主要气象影响要素［12-13］.

随着卫星遥感技术的发展，大范围 NO2浓度的连续分布 可通过 SCIAMACHY，OMI和GOME－2等传感器观测.国内外学者应用卫星遥感数据对中国的NO2浓度分布及其来源解析进行了 大 量 研 究［14-19］. RICHTER 等［3］应 用SCIAMACHY和GOME传感器资料对1996—2004全球对流层的NO2垂直柱浓度月均值的空间分布进行了研究，指出我国东部地区有显著增长.张兴赢等［17］应用 SCIAMACHY资料对1997—2006年我国NO2的时空分布及污染源解析进行了研究，指出人为活动影响了NO2浓度的空间分布.江文华等［18］利用 GOME卫星资料研究了北京地区的NO2分布.王跃启等［19］计算了我国自然分区的NO2柱浓度，证明了人类活动影响了对流层 NO2柱浓度的分布.

上述研究大多是单独应用卫星遥感资料研究我国NO2时间和空间的变化趋势，对NO2季节变化及天气要素对其的影响研究较少.由于卫星遥感观测具有分辨率高、范围大的优点，笔者利用卫星观测以及相应地面监测数据，研究了 2007—2009年我国区域性NO2季节演变趋势;并应用天气过程理论，结合气象观测资料，分析了降水量以及边界层气压场对我国NO2季节分布的影响.

1 数据来源

卫星遥感数据来自美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Adm inistration，NASA)提供的全球对流层 NO2垂直柱浓度遥感产品，时间为2007—2009年，OMI的过境时间一般在当地13:30左右.经插值计算，空间分辨率为0.1°×0.1°.

气象资料为中国气象局气象信息综合分析处理系统(MICAPS)观测数据，时间段选为2007年1月和8月，每3 h一次，其中降水量包括753个监测站的数据.地面监测 NO2数据来自中国环境监测总站，每日地面监测值为前一日12:00─当日12:00的平均值，时间为2007年.

2 NO2季节演变特征

2.1 地面监测值

图1为2007年北京、上海、广州、重庆以及武汉五城市地面监测的ρ(NO2)变化曲线.由图1可知，各城市的ρ(NO2)在1月，2月，11月和12月较高，7月和8月较低.1月各城市ρ(NO2)为0.055～0.083 mg/m3;2月以后各城市ρ(NO2)震荡下降;7月，武汉、北京和广州降到谷值，ρ(NO2)分别为0.033，0.034和0.051 mg/m3，重庆和上海在8月降至全年谷值，ρ(NO2)依次为 0.032和 0.033 mg/m3.9月开始各城市ρ(NO2)逐月上升，武汉和重庆在11月分别达到0.090和0.055 mg/m3，为全年最高值.可见，各城市的ρ(NO2)季节变化明显，冬季较重，夏季较轻.

图1 2007年五城市地面监测ρ(NO2)变化Fig.1 Observed NO2mass concentration sequences of five cities in 2007

2.2 卫星观测结果

图2为2007—2009年1月，4月，7月和10月对流层NO2柱浓度(以月均值表示)分布.由图2可知NO2柱浓度的季节变化特征，其中1月污染最重，华北地区(32°N～42°N，110°E～122°E)NO2柱浓度在3.0×1016molec/cm2以上;4月较1月明显降低，全国大部地区 NO2柱浓度在 1.0×1016molec/cm2以下;7月则降至 0.5×1016molec/cm2以下;10月上升，东部地区大多在0.5×1016～2.0 ×1016molec/cm2.卫星遥感观测结果表明，我国NO2柱浓度的季节变化明显，但相同月份的 NO2柱浓度变化不大.

2.3 地面与卫星观测结果综合分析

图3为2007年各月NO2柱浓度及113个重点城市地面监测的ρ(NO2)的变化.由图3可知，在全国范围内，NO2柱浓度同地面监测的ρ(NO2)变化趋势一致，均在冬季出现峰值，夏季出现谷值.可见，卫星遥感观测的 NO2柱浓度随时间的演变趋势与地面监测的ρ(NO2)相一致，其平均值均反映出NO2的季节变化特征.

图2 2007—2009年各月NO2柱浓度演变Fig.2 Monthly NO2column density between 2007 and 2009

图3 2007年各月NO2柱浓度及地面监测ρ(NO2)演变Fig.3 Monthly NO2concentration and colum density in 2007

3 NO2季节变化影响因素

3.1 降水量

研究［12-20］发现，降水的湿清除作用可明显降低大气中的污染物浓度.图4为2007年1月，4月，7月和10月的降水量分布.由图4可知，1月北方降水量多在40 mm以下，东南沿海、云南南部部分地区在80～90 mm;4月较1月降水量有所增加，降水量的30和40 mm线均向北方移动，华中地区降水量增至70～80 mm，广东和广西降水量超过100 mm;7月，各地降水量均明显增加，华北、华中、华东、华南、四川及贵州东部、陕西及云南南部降水量大多超过140 mm，东北和西北地区降水量分别上升至80和40 mm以上;10月降水量显著下降，除广东、广西和云南南部外，各地降水量多在100 mm以下，北方大部地区降至60 mm以下.可见，月降水量的变化呈现季节特征，1月和7月分别出现降水量的谷值和峰值，对应月份的ρ(NO2)变化(见图1)却出现峰值和谷值，因此，降水量的季节演变同ρ(NO2)变化趋势相反.

图4 2007年降水量分布Fig.4 Monthly precipitation evolution in 2007

图5 2007年五城市的月降水量与同月ρ(NO2)的相关关系Fig.5 Relationship between monthly NO2mass concentration and precipitation evolution of 5 cities in 2007

为进一步说明降水量同ρ(NO2)的季节变化关系，将2007年北京、上海、广州、重庆和武汉五城市的月降水量与ρ(NO2)进行统计，结果见图5.由图5可知，各城市降水量和ρ(NO2)呈负相关，相关系数为 0.71.由此可知，降水的湿清除作用是ρ(NO2)季节分布不均的主要影响因素之一.

3.2 边界层气压场

除降水因素外，边界层气压场的月际演变是影响我国NO2柱浓度季节变化的另一主要因素.研究［5，11］表明，春、夏季节特别是8月，大陆高压强度减弱，范围变小，持续时间缩短(见图6)，区域污染物的积累时间短，因而NO2污染较轻.高压、低压对污染物分别具有持续积累和汇聚作用.秋、冬季节，中国大部地区受大陆高压控制(见图7)，高压系统强度大，范围广，持续时间长，对污染物的持续积累和汇聚作用时间长.全年中以12月和1月最为严重，污染范围最大.因此，边界层气压场和降水量的季节变化是造成NO2季节变化的主要影响因素.

图6 2007年8月我国边界层高气压系统Fig.6 Atmospheric pressure of planetary boundary layer，August，2007

4 结论

a.中国 NO2区域柱浓度和地面监测的ρ(NO2)均显示出NO2污染冬季重、夏季轻的季节分布特征.

b.月降水量和ρ(NO2)的季节分布呈明显负相关，相关系数为0.71.

c.边界层气压场的季节特征是影响 NO2污染季节变化的另一个主要因素.

［1］Environmental Protection Agency(EPA).National air quality and emissions trends report1997［R］.Washington DC:EPA，1998:18-20.

［2］SACHIN D G，VANDER A，BEIG G.Satellite derived trends in NO2over the major global hotspot regions during the past decade and their inter-comparison［J］.Environ Pollut，2009， 157(3):1873-1878.

［3］RICHTER A，BURROWS J P，NU B H，et al.Increase in tropospheric nitrogen dioxide over China observed from space［J］.Nat，2005，437(1):129-132.

［4］任阵海，苏福庆.大气输送的环境背景场［J］.大气科学，1998，22(9):454-459.

［5］苏福庆，杨明珍，钟继红，等.华北地区天气型对区域大气污染的影响［J］.环境科学研究，2004，17(1):16-20.

［6］LEIGHTON R M，SPARK E.Relationship between synoptic climatology and pollution events in Sydney［J］.International Journal of Biometeorology，1997，41(2):76-89.

［7］SHAHGEDANOVA M，BURT T P，DAVIES T D.Synoptic climatology of air pollution in Moscow［J］.Theoretical and Applied Climatology，1998，61(2):85-102.

［8］PETER A T，PO-TAK L.Effects of synoptic weather systems upon the air quality in an asian megacity［J］.Water Air Soil Pollut，2002，136(9):105-124.

［9］任阵海，万本太，虞统.不同尺度大气系统对污染边界层的影响及其水平流场输送［J］.环境科学研究，2004，17(1): 7-13.

［10］苏福庆，任阵海，高庆先，等.北京及华北平原边界层大气中污染物的汇聚系统:边界层输送汇［J］.环境科学研究，2004，17(1):22-25.

［11］任阵海，苏福庆，高庆先，等.边界层内大气排放物形成重污染背景解析［J］.大气科学，2005，29(1):57-63.

［12］董继元，王式功，尚可政.降水对中国部分城市空气质量的影响分析［J］.干旱区资源与环境，2009，23(12):43-48.

［13］范清，程水源，苏福庆，等.北京夏季典型环境污染过程个例分析［J］.环境科学研究，2007，20(5):12-19.

［14］VE LDERS G J M，GRANIER C，PORTMANN R W，et al. Global tropospheric NO2column distributions:comparing three-dimensionalmodel calculationswith GOMEmeasurements［J］.JGeophysi Res，2001，106(12):12643-12660.

［15］江文华，马建中，颜鹏.利用 GOME卫星资料分析北京大气NO2污染变化［J］.应用气象学报，2006，17(1):67-71.

［16］李莹.地基DOAS观测反演的NO2柱总量与SCIAMACHY卫星NO2数据的比较及 NO2时空分布研究［D］.北京:北京大学，2006:11-34.

［17］张兴赢，张鹏，张艳，等.近10 a中国对流层 NO2的变化趋势、时空分布特征及其来源解析［J］.中国科学:D辑，2007，37(10):1409-1416.

［18］江文华，马建中，颜鹏，等.利用 GOME卫星资料分析北京大气NO2污染变化［J］.应用气象学报，2006，17(1):67-72.

［19］王跃启，江洪，张秀英，等.基于 OMI卫星遥感数据的中国对流层 NO2时空分布［J］.环境科学研究，2009，22(8): 992-997.

［20］FENG Z W，HUANG Y Z，FENG Y W，et al.Chemical composition of precipitation in Beijing Area，Northern China［J］.Water Air Soil Pollut，2001，125(1):345-356.

Seasonal Distribution and Cause Analysis of NO2in China

WEIPeng1，REN Zhen-hai2，SU Fu-qing2，CHENG Shui-yuan1，ZHANG Peng3，GAO Qing-xian2

1.College of Environmental＆Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China
2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
3.National Satellite Meteorological Center，China Meteorological Bureau，Beijing 100081，China

X51

A

1001－6929(2011)02－0155－07

2010－09－20

2010－11－09

中央级公益性科研院所基本科研业务专项(2010KYYW 08)

尉鹏(1981－)，男，北京人，weipeng_1981@htomail.com.

*责任作者，任阵海(1932－)，男，河南新乡人，中国工程院院士，博导，主要从事大气实验物理和区域大气环境质量规划控制研究，fenglihua99@sina.com