中国高分辨率近地面NO2浓度反演

薛文博，武卫玲，雷 宇，付 飞

环境保护部环境规划院，北京 100012

NO2是影响城市空气质量的重要污染物之一，也是引起区域复合型大气污染的主要因素，为此“十二五”期间中国将氮氧化物(NOx)纳入总量减排约束性指标，要求2015年全国NOx排放总量相比2010年下降10%。在总量减排工作的实践中，如何定量评价NOx减排的环境效果，为总量减排工作提供辅助性监督管理显得非常必要。目前评价空气中NO2浓度高低的主要方法有地面监测和卫星遥感2种手段，传统的地面监测手段具有准确、实时性好等优点，但监测点位密度小、空间覆盖性较差、探测成本大，监测结果存在“以点代面”的缺陷;卫星观测手段作为一种新的观测方法，具有时间连续性强、空间覆盖面广等优点，能够为监测大尺度、长时间的空气质量状况提供有效途径。

卫星遥感NO2柱浓度产品的反演算法较为成熟且应用广泛，Richter等利用 GOME和SCIAMACHY产品获取了全球对流层NO2垂直柱浓度［1-2］，着重分析了美国、日本、西欧、中国等7个区域的NO2变化趋势;Boersma等利用OMI卫星数据提出实时反演对流层NO2浓度的新算法［3］;张强等利用卫星遥感手段分析了中国1996—2010年 NOx排放的变化趋势［4］，卫星遥感技术在监测大气污染时空演变趋势方面发挥着越来越重要的作用［5-8］。卫星遥感获取的NO2柱浓度代表整个对流层在垂直方向上的总浓度，已经有大量研究直接建立NO2“遥感柱浓度”与“地面监测浓度”间的相关模型。大量的地面或航空实验显示，NO2遥感解译结果与地基及航空实测数据具有较强的相关性，相关系数大都在0.8以上，很好地反映了大气NO2垂直浓度特征［9］。

通过分析2010年全国333个县级以上城市卫星遥感NO2对流层年均柱浓度与地面监测浓度之间的相关性，建立NO2“遥感柱浓度”与“地面监测浓度”之间的关联方程，通过该方程反演了中国0.125°分辨率近地面NO2污染分布特征，并计算NO2人口加权浓度及健康暴露水平。

1 数据与方法

1.1 数据来源

目前，卫星遥感监测NO2的星载传感器主要包括 GOME、SCIAMACHY以及臭氧观测仪(OMI)，相对于 GOME和 SCIAMACHY，OMI不仅具有高光谱分辨率，且天底空间分辨率达(13×24)km2，能够实现每天对 NO2浓度的全球观测，为研究地球气候变化与大气环境提供重要依据。OMI是装载在Aura卫星上的臭氧观测仪，于2004年7月升入太阳同步极地轨道。该传感器通过观测地球大气和表面的后向散射辐射获取信息，波谱范围270～500 nm，波谱分辨率为0.5 nm，星下点空间分辨率(13×24)km2，扫描幅宽为2 600 km。

NO2遥感数据来源于 OMI传感器，选用DOMINO柱浓度观测产品，通过 IDL程序对OMI每日数据取平均值处理，获取2010年全国空间分辨率为0.125°的对流层NO2垂直柱浓度年均值，见图1。2010年全国333个县级以上城市的NO2地面监测数据来自于中国环境监测总站;人口数据采用1 km分辨率网格化数据，来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境数据中心。其他配套数据有1∶400万中国行政边界图，底图源自国家测绘地理信息局网站(http://map．sbsm．gov．cn/mcp/index．asp)下载的1∶400 万行政区版中华人民共和国底图。

图1 2010年OMI NO2垂直柱年均浓度结果

1.2 研究方法

分析2010年全国333个县级以上城市的NO2对流层柱浓度年均值与NO2地面监测年均浓度之间的相关性，建立线性回归方程，进而反演出全国0.125°分辨率NO2近地面浓度;将全国1 km人口栅格数据重采样到0.125°空间分辨率，使得与遥感NO2浓度反演结果空间分辨率一致，进行栅格叠加，计算出全国0.125°分辨率NO2人口加权浓度;基于上述人口数据和NO2浓度分布特征，分析了全国不同地区不同NO2浓度水平下的人口暴露状况。

2 结果分析

2.1 地面浓度反演方程建立

基于2010年全国对流层NO2柱浓度年均值和333个县级以上城市的NO2地面监测浓度，分析了遥感柱浓度数据和地面监测数据之间的线性相关性，遥感柱浓度和地面监测浓度的Pearson相关性分析表明，在样本数为333的情况下，两者线性相关系数为0.54，在0.01置信水平上显著相关(双侧检验)，估计值标准差为0.60，统计参数表明两者有一定相关性。通过线性回归建立遥感柱浓度数据和地面监测数据之间的回归模型，见式(1)。

式中:NO2ground表示 NO2地面站点的监测浓度，mg/m3;NO2column表示NO2柱浓度，1016mol/cm2。两者相关性见图2。

图2 地面监测浓度和遥感柱浓度间的线性模型

2.2 NO2反演结果

通过式(1)反演2010年全国0.125°分辨率近地面NO2浓度分布，见图3。

图3 遥感柱浓度反演的全国地面NO2浓度

由图3可见，全国NO2浓度高值区主要集中在华北平原、长三角和珠三角地区，尤其是太行山东麓河北南部至河南北部、山东中部、北京、天津、唐山和上海周边地区，NO2污染严重。以特大城市为中心的区域污染特征显著，其中北京、天津、上海、成都、石家庄、郑州等城市NO2浓度值均高于《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)要求的年均浓度二级标准(0.04 mg/m3)，西安、重庆、武汉等城市均出现高值，逼近0.04 mg/m3，并由城市中心向周边递减。相比之下，乌鲁木齐、哈尔滨、长春、沈阳等城市NO2污染较轻，浓度均低于0.03 mg/m3。

2.3 NO2人口加权浓度分布

由全国1km人口数据和遥感反演得到近地面NO2分布空间叠加得到全国NO2人口加权浓度分布。人口加权浓度值越大，反映NO2污染对人的危害程度越严重。高值区集中在中东部发达地区，尤其是华北地区和长三角地区大中型城市高值显著，呈现连片分布的特征，见图4。

图4 全国NO2人口加权浓度分布图

上海、天津2个城市人口加权浓度值超过1 300人·毫克/千米2，人口加权浓度值达到1 000人·毫克/千米2的有苏州、无锡、常州、盐城、淮阴、宿迁等长三角地区经济高速发展的城市，见图5。这些城市机动车保有量大，煤炭等能源消费量大，导致人为源NO2排放量大，加上人口密集使得NO2人口加权浓度较高。已有研究表明，机动车保有量对空气中NO2浓度有明显影响［10］。

图5 华北地区和长三角地区NO2人口加权浓度分布图

2.4 不同浓度水平下的人口暴露

NO2污染严重影响居民公共健康，统计不同NO2浓度下的人口暴露水平对研究公共健康状况具有重要意义。利用GIS统计分析发现，5.7%的人口生活在NO2浓度大于0.04 mg/m3的重污染地区，国土面积约5.95万平方千米。29.4%的人口居住在浓度介于0.03、0.04 mg/m3之间的地区，浓度在 0.025、0.03 mg/m3之间的地区有21.5%的人口居住，其余人口均生活在NO2污染相对小的地区。

3 结论与讨论

3.1 结论

通过分析2010年全国333个县级以上城市NO2对流层柱浓度年均值与地面实际监测NO2年均浓度之间的相关性，建立相关性方程，反演得到全国NO2近地面浓度。结合全国1 km人口数据，得到NO2人口加权浓度分布图，经统计分析，得到不同浓度水平下的人口暴露。主要结论为

1)遥感数据反演的全国NO2近地面浓度超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级浓度限值(0.04 mg/m3)的区域约为5.95万平方千米，超标地区主要集中在太行山脉东侧、山东半岛、河南北部以及以上海为中心的长三角地区。

2)全国约5.7%的人口生活在NO2不达标地区，健康暴露水平高。

3)NO2人口加权浓度高值区主要集中在上海、重庆、苏州、无锡、常州、盐城、淮阴、宿迁等城市化水平高、人口众多、机动车保有量大的地区。

3.2 讨论

全国333个城市对流层NO2柱浓度与近地面NO2监测浓度之间相关性相对较低，相关系数为0.54。原因可能是地基观测为近地表NO2浓度，而遥感柱浓度监测为对流层整层NO2柱浓度，且遥感观测值受云量等因素的影响，存在一定的不确定性。此外，由于目前反演算法的局限性导致OMI对流层NO2柱浓度存在一定的反演误差。因此，需要利用地基观测仪器MAX-DOAS对OMI对流层NO2产品进一步校验。以后的研究中也可以采用区域气候模式和空气质量模型提高卫星遥感NO2柱浓度和近地面监测浓度之间的相关性。

［1］Richter A，Burrows J．Tropospheric NO2from GOME measurements［J］．Advances in Space Research，2002，29(11):1 673-1 683．

［2］Richter A，Burrows J P，Nüss H，et al．Increase in tropospheric nitrogen dioxide over China observed from space［J］．Nature，2005(437):129-132．

［3］Boersma K F，Eskes H J，Veefkind J P，et al．Nearreal time retrieval of tropospheric NO2from OMI［J］．Atmospheric Chemistry and Physics，2007，7(8):2 103-2 118．

［4］张强，耿冠楠，王斯文，等．卫星遥感观测中国1996—2010年氮氧化物排放变化［J］．科学通报，2012(16):1 446-1 453．

［5］程立刚，王艳姣，王耀庭．遥感技术在大气环境监测中的应用综述［J］．中国环境监测，2005，21(5):17-23．

［6］何立明，王文杰，王桥，等．中国秸秆焚烧的遥感监测与分析［J］．中国环境监测，2007，23(1):42-50．

［7］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(1):67-72．

［8］王桥．卫星遥感技术在环境保护领域中应用的进展与挑战［J］．中国环境监测，2009，25(4):53-56．

［9］王英，李令军，刘阳．京津冀与长三角区域大气NO2污染特征［J］．环境科学，2012(11):3 685-3 692．

［10］闫静，王文川，杨枬，等．浅析成都市机动车保有量的增加对大气污染物中二氧化氮浓度的影响［J］．四川环境，2012(1):34-36．