2005~2017年全球大气边界层SO2时空变化

康重阳,赵 军,宋国富

2005~2017年全球大气边界层SO2时空变化

康重阳1,2,赵 军1*,宋国富3

(1.西北师范大学地理与环境学院,甘肃 兰州 730070；2.陇东学院历史与地理学院,甘肃 庆阳 745000；3.西藏自治区生态环境遥感监测中心,西藏 拉萨 850000)

使用2005~2017年遥感数据研究了全球大气边界层SO2时空分布特征及变化趋势.结果表明:空间分布上SO2呈现空间异质性,大气高SO2柱量值集中在以火山喷发为代表的自然源区域和以工业排放为代表的人为源及附近区域;一、二、三级SO2柱量值在全球范围内整体呈现纬度地带性分布特征,北半球受人为影响较为明显,分界线在陆地区域向南凸出,海洋上向北凹陷,而南半球受人为影响较小,分界线呈现与纬线平行趋势;2005~2017年全球大气边界层SO2单元栅格年均值整体呈现先增后减趋势,火山喷发导致2008、2009、2011年夏季出现了明显的波动,其余季节无显著变化;全球范围内大气边界层SO2年内变化,伴随太阳直射点南北移动,2005~2014年一级SO2柱量值延纬向对称轴的纬度,除10~12月份外,其余月份与对应月15日太阳赤纬基本吻合.

全球大气边界层；OMI；OMPS；SO2

二氧化硫(SO2)是一种污染气体,湿沉降危及生态系统、水生动物和植物健康、建筑的寿命[1],干沉降影响大气环境、人体健康,及全球大气环流、季风、区域和局地气候变化[2],甚至会导致平流层水汽含量增加[3].煤炭、石化燃烧为主的人为源,贡献了全球接近70%的SO2排放量[1],其余来自于火山喷发、山火燃烧等为主的自然源.

20世纪发生在全球范围内的八大公害事件,其中4件与大气中的SO2有直接关系,造成众多生命的终结和巨大的经济损失.大气中的SO2存在时间较短,Lee等[4]研究发现,夏季白天SO2的寿命最短,约为19h,冬季白天的寿命约为56h.此外,大气中 SO2还具有易氧化、易沉降的特点,导致其监测比较困难.SO2的监测经过百年的发展[5-6],从早期的化学、电化学法逐渐发展为基于光谱技术的地基监测、机载观测、遥感监测.化学、电化学监测出现在20世纪40~70年代欧美发达国家,易受操作、采集方式等因素限制;地基监测是基于“自下而上”的监测方式,具有实时、高精度的优点,但受制于操作复杂、维护成本高、测量范围小等约束,难以实现大范围SO2监测;机载观测机动性较高,但成本高昂,多应用于数据验证方面;1983年Krueger等[7]利用TOMS数据,第一次从遥感卫星数据提取火山喷发排放的SO2,大气SO2监测从地表转向太空,实现“自上而下”的监测,尤其是在紫外高光谱技术得到广泛应用之后,SO2遥感监测技术取得实质性的进展.遥感监测大气SO2的传感器主要有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].

近年来,国内外学者应用GOME、SCIAMACHY、GOME-2、OMI和OMPS遥感数据,在大气SO2监测方面展开大量研究,研究主要集中在反演算法的开发及其数据准确性的验证[16-21]、区域SO2监测及排放量随时间变化趋势[22-35]、SO2排放源头目录生成[15,36]、火山喷发SO2排放量估算[37-41]等方面, OMI和OMPS凭借其较高的空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的优势,应用更为广泛. NASA科研工作者就OMI和OMPS监测SO2准确性方面进行了相关研究,表明二者在重点监测区域的相关系数高达0.8以上[15],这有利于使用两种不同传感器进行长时间序列变化趋势方的研究.先前的研究主要集中在区域尺度,在全球时空变化方面研究较少.本研究基于2005~2014年OMI SO2L2V003、2015~2017年OMPS NMSO2L2V1.1遥感数据中的PBL(The planetary boundary layer) SO2数据,进行2005~2017年全球大气边界层 SO2空间分布特征,年际、年内变化趋势研究,并定量的分析了全球PBL SO2年内变化与太阳赤纬之间的对应关系,有助于在全球气候变化背景下,进一步认识的大气边界层SO2的空间分布与变化.

1 数据及方法

1.1 数据来源

臭氧监测仪(OMI),是继GOME、GOME-2和SCIAMACHY之后的新一代高光谱大气成分探测传感器,基于近紫外/可见光波段近地观测的CCD光谱仪,搭载于NASA地球观测系统(EOS)Aura卫星之上,该卫星由荷兰、和芬兰联合研发,是一款太阳同步卫星,赤道过境时间为13:45,于2004年7月15日发射升空,同年8月9日开始采集数据,星下点空间分辨率为13×24km2,每日产生14~15景影像,能够实现日全球覆盖,每景影像为38MB.其主要目的是研究大气痕量成分及其对气候变化的影响,OMI已经被广泛应用于大中尺度的污染气体监测等领域[14,21,24-28].

臭氧成像探测仪(OMPS),作为OMI传感器的继承者,搭载于美国新一代对地观测卫星Suomi NPP之上,2011年8月28日发射,2012年1月开始采集数据[14-15],运行高度为839km,赤道过境时间为13:30,比前代传感器OMI早10~15min,全球范围内每天产生14~15景影像,每景影像约为1.14MB.主要目的是用于监测全球范围内平流层O3分布及变化,延续了1970年以来对全球平流层O3时空分布与变化特征长期监测,同时也监测如SO2、NO2、气溶胶光学厚度、云量等地球物理量.

以上遥感数据都来自于NASA GES DISC数据库,该数据库收集了关于大气成分、水和能量循环、气候变化相关的遥感数据资料.

1.2 数据及反演算法

PBL SO2数据反映的是剖面高度小于2km大气中的SO2总柱量值[15].

SO2反演算法:OMI SO2反演算法经历了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,监测的准确性不断得到提升,OMPS NMSO2也延用了PCA算法.PCA[19]算法由Li等2013年提出,该算法使用赤道太平洋无SO2排放区域的辐射值,主成分能够捕获接近99.9999%辐射量的变化.前3个主成分为臭氧吸收、表面反射、旋转拉曼散射效应,其余主成分来源于测量噪声和探测器伪成像.PCA算法的瞬时视场角的标准偏差,在赤道太平洋30°N~30°S,无SO2排放区域为0.5DU,是前一代反演算法BRD标准偏差的一半,在高纬度区随着O3倾斜柱量值的增加,标准偏差上升0.7~0.9DU,这依然比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气质量系数(AMF),相同条件下提高了数据的准确性.本文所使用的遥感数据均由PCA算法反演产生,消除了因反演算法不同导致长时间序列研究的差异问题.

1.3 数据处理方法

参考OMI、OMPS官方文档,使用VISAN3.7及python编写程序,完成OMSO2、NMSO2数据提取,处理过程如下:

(1)逐日数据剔除及提取:剔除云参数(Cloud Fraction)>0.3、太阳高度角>70°、SO2柱量值<0DU的数据,提取全球范围内经、纬度及对应PBL SO2柱量值.

(2)将产生的数据转成点矢量文件,以0.125°网格做普通克里金插值,并进行投影转换.

(3)在时间尺度上,获取大气边界层SO2年均柱量值、季均柱量值和月均柱量值,并在空间上完成SO2年均空间分布图、季节变化、月均变化趋势图.

2 结果与讨论

以往研究以等间距作为标准进行划分,有0.2DU、0.5DU.通过前期研究发现[37],自然断点法更能够准确反映SO2的空间分布,本文对全球SO2柱量值的划分如表1所示.

表1 全球SO2柱量值七级划分标准

自然断点法是一种基于自然分组,将属性值相近的值进行合并,是类内差异最小,类间差异最大,方差和最小的一种统计学分类方法.该方法可以将分类间隔加以识别,对相似值进行七级分组,并能使各个类之间的差异最大化.要素被划分为多个类,对于这些类,会在数据值得差异相对较大的位置设置分类边界.

2.1 全球大气边界层SO2空间分布

全球范围内大气边界层SO2在空间上呈现异质性,六、七级高柱量值呈现聚集状分布,一、二、三级柱量值区域呈现纬度地带性,南、北半球表现出不均匀对称性.

图1 2005~2017年全球范围内大气边界层SO2平均柱量值空间分布

图中南美洲异常值区域(South Atlantic Anomaly),以下统一简称为SAA

火山喷发向大气中排放大量的SO2气体,大部分火山活动强烈,对SO2浓度的影响高至平流层,而少部分火山比较温和喷发高度低,主要引起大气边界层SO2浓度增加.如图1,西太平洋菲律宾海东北马里纳亚群岛的安纳塔汉(Anatahan)火山、澳大利亚东北部瓦努阿图共和国的瓦努阿图群岛(Vanuatu)火山、非洲刚果民主共和国东部的尼拉贡戈(Nyiragongo)火山、美国夏威夷的冒纳凯阿(Mauna Kea)火山、厄瓜多尔的阿苏尔(Cerro Azul)火山、巴布亚新几内亚独立国(Papua,New Guinea)境内火山等,都引起大气边界层SO2浓度的增加(详细区域请参照NASA全球SO2监测首页:https://so2.gsfc. nasa.gov/).石油、煤炭等化学能源的大量使用,向大气集中排放大量SO2气体,形成人为高SO2排放地区.如:俄罗斯北部克拉斯诺亚尔斯克边疆区的诺里尔斯克,是俄罗斯主要的有色金属工业基地,周边存在大型火电站,煤炭消耗量巨大;墨西哥合众国的中部地区,以其首都墨西哥城为中心,形成的六级SO2柱量值区域,受地理条件、地形特点的影响,燃料难以充分燃烧,SO2扩散困难,产生堆积现象[42];中国高柱量值区域涵盖北京、天津、河北、山东全境,辽宁大部、山西中部和南部、河南中部和北部以及安徽省和江苏省北部,发达的钢铁、石化、火电传统高耗能产业,排放大量的SO2气体;非洲南非共和国的东北部,电厂、工业排放、扩散,造成该地区出现人为高SO2柱量值[43].

45°N~45°S区域内,空间上整体呈现纬度地带性分布,热带地区最低,伴随纬度增加,SO2柱量值增加,表现出不均匀对称性.一级柱量值区域SO2年均柱量值小于0.512DU,包含了热带(23.5°N~ 23.5°S)、部分北温带地区(23.5°N~30°N)和部分南温带地区(23.5°S~30°S),是全球大气边界层SO2柱量值最低的区域;二级柱量值区域包含了北温带30°N~45°N和南温带30°S~45°S区域,SO2柱量值处于0.512~ 0.615DU,南半球一、二级SO2柱量值分界线与纬线平行,平行效果优于北半球.

图中SAA区域的SO2明显高于周边地区,是由于地球的磁场捕获高能带电粒子,该粒子会对低地球轨道卫星探测器造成影响,使得该区域的辐照度高于正常值,产生了高SO2柱量值现象[15],所以本文在讨论全球SO2空间及时空变化时不考虑该区域的变化,如何剔除SAA区域的地磁影响,有待进一步工作的开展.

2.2 2005~2017年全球SO2年际变化特征

OMI传感器从2007年开始出现数据坏道,并逐年增加,虽然NASA工作人员尝试修复坏道数据,但大范围上较难准确的反映大气边界层SO2柱量值,所以本研究选用2005年1月1日至2014年12月31日OMISO2遥感数据,及2015年1月1日~2017年12月31日OMPS遥感数据,以进行近13年全球大气边界层SO2年际变化研究.

由于OMI、OMPS传感器自身的局限性,采集数据受制于太阳照射,太阳直射点及地球在公转轨道的位置不同,采集数据的区域有所差别,再加上火山喷发排放SO2对大气边界层的影响具有不确定性,所以在进行年际变化比较时,本文采用单元栅格年均值,即该区域内年均SO2总柱量值除以该区域的总栅格数.如图2所示,2005~2017年全球SO2单元栅格年均值整体呈现先增后减趋势,最大值出现在2011年,单元栅格年均值为0.613DU,最小值在2016年,单元栅格年均值为0.302DU.2005~2007年单元栅格年均值基本保持不变,约为0.55DU,从2008年开始缓慢增加,到2011年出现最大值,随后2012~ 2013年有所下降,2014年出现第二峰值,约为0.588DU, 2014~2015年出现较大幅度降低,较2014年降低幅度高达45%,这种较大幅度的变化很大一部分可能是由于传感器的不同造成,如何消除不同传感器之间的差异,进行长时间序列的时空变化特征研究,有待新的估算算法的开发.

图2 2005~2017年全球范围内大气边界层SO2单元栅格年平均柱量值变化趋势

图中2014~2015年之间的巨大降幅主要源于传感器的差异,图4同

2.3 全球大气边界层SO2季节变化

为研究不同季节大气边界层SO2时空分布特征,分别取12月、次年1、2月为冬季,3、4、5月为春季,6、7、8月为夏季,9、10、11月为秋季,六、七级柱量值区域主要集中在火山喷发影响区域,如非洲中部的尼拉贡戈火山、美国的夏威夷火山等,和严重的人为排放区域,如南非共和国、俄罗斯的诺里尔斯克、中国的华北平原、墨西哥合众国的墨西哥城等.一、二、三级区域分界线,在北半球人为排放较为严重的区域向南凸出,海洋上向北凹陷,南半球基本不受人为排放影响,表现出与纬线平行迹象.北半球一、二、三级柱量值分界线随季节发生变化,夏季分界线向北达到最大,随后随太阳直射点的南移向南变化,与冬季一、二级分界线到达北回归线附近,到达年内最南端,南半球相反.

2.4 2005~2017年SO2季均值年际变化趋势

通过图2发现,2005~2017年全球SO2单元栅格年均值整体呈现先增加后降低过程,为了解2005~2017年不同季节的变化趋势,本文通过计算2005~2017 年不同季节单元栅格季节均值,来估算不同季节SO2的年际变化状况.如图4,2005~2017年SO2单元栅格季均值均出现不同程度的变化,变化幅度最大的季节是夏季,其余季节SO2单元栅格季均值在2005~2017年间无明显变化,夏季在2008、2009、2011年出现突变,主要受火山喷发排放大量SO2在大气边界层随高空气流扩散,出现大面积SO2柱量值增加.

图3 2005~2017年全球范围内大气边界层SO2平均柱量值季节变化

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

2.5 2005~2017年全球SO2年内变化特征

太阳直射点的南北移动,引起全球范围内众多气象要素的周期性变化,如气压、温度、降水等,而这些气象要素的周期性变化直接影响到大气边界层SO2的干沉降、湿沉降、光化学反应等,大气边界层SO2柱量值也表现出周期性变化的特征.

全球范围内大气边界层SO2年内变化,伴随太阳直射点南北移动,一级SO2柱量值区域周期性变化.1、2、12月份,一级SO2柱量值区域包含了整个热带及大部分的南温带,这三个月南半球处于夏季,高温多雨不利于SO2在大气中单独存在.伴随太阳直射点由南回归线向赤道转移,一级SO2柱量值区域开始向北半球转移,北半球气温回暖,采暖结束,二、三级SO2柱量值区域纬度范围增大,至5月份,除俄罗斯大部分区域外,二级SO2柱量值区域包含了整个北温带及北寒带的部分地区,南半球气温降低,三、四级柱量值区域面积明显扩大;6、7、8月,北半球处于夏季,SO2的干、湿沉降速度快,大气逆温层强度降低、高度升高,SO2扩散增强,正常情况下,三级及以上SO2柱量值区域面积急剧减少,2009年6、7月份美国阿拉斯加火山、俄罗斯东部的勘察加火山喷发,火山喷发排放的大量SO2,在大气环流和行星风系的影响下,一部分呈纬度地带性向东延伸至加拿大境内,最远延伸至格陵兰岛,另一部分在西风带内受极地西风扩散,在北半球中纬、中高纬、高纬度地区出现大面积的五、六、七级SO2柱量值区域;9月份开始,太阳直射点转入南半球,北半球进入秋季,气温降低,降水减少,北半球SO2柱量值升高,而南半球进入春季,大气中SO2的生存时间逐渐缩短,南半球大部分处于三级及以下SO2柱量值区域,并且伴随南极进入极昼,南极大气边界层出现SO2空洞.

2.6 全球大气边界层SO2年内变化与太阳赤纬关系

太阳辐射作为地球最主要的能量来源和基本动力,推动地球表层几乎全部的自然物理过程,使地理环境得以形成和有序发展[44].通过上文发现地球大气边界层SO2在空间分布上呈现纬度地带性,通过图5发现全球范围内大气边界层SO2年内变化表现出一定运动的特征,为定量研究其特征,本文选取太平洋无SO2排放区域(经度范围150°W~170°W、纬度范围70°S~70°N),测量一级SO2柱量值延纬向对称轴的纬度,发现除10~12月份外,其余月份对称轴纬度与对应月15日太阳赤纬基本吻合,10~12月份,相差较大与南半球大面积二级柱量值区域有关,导致一级柱量值区域被压缩.如表3所示,基于OMI遥感数据,2005年~2014年一级SO2柱量值区域纬向对称轴与每月15日太阳赤纬之间存在较好的对应关系,且存在相近的运动趋势.

太阳赤纬的计算:太阳直射点的变化决定着太阳高度的变化,直接影响到地区的太阳辐射量.本文采用黄玫生太阳直射点的计算方法[45],计算每月15日的太阳直射点纬度位置.

表2 2005~2014年一级柱量值纬向对称轴与每月15日太阳赤纬对应关系

月份一级柱量值对称轴纬度位置 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

纬向对称轴纬度=

A

-(

A

-

B

)/2 (2)

式中:为研究区域北半球一、二级柱量值分界线最大纬度,为研究区域南半球一、二级柱量值分界线最大纬度.

3 结论

3.1 全球范围内大气边界层SO2柱量值空间上呈现空间异质性,六、七级高柱量值呈现聚集状分布,主要集中在以火山喷发为代表的自然源和以工业排放为代表的人为源及附近区域; SO2柱量值在热带地区最低,伴随纬度增加而增长,南、北半球表现出不均匀对称性.

3.2 2005~2017年全球大气边界层SO2单元栅格年均值整体呈现先增后减趋势,最大值出现在2011年,最小值出现在2016年,受传感器影响,2014年之后出现较大幅度的下降,很大一部分由传感器不同引起;除夏季外,单元栅格季均SO2柱量值在2005~2017年之间没有出现较大幅度的变化,火山喷发导致2008、2009、2011年夏季出现了明显的突变,火山喷发排放大量SO2在大气边界层随高空气流扩散,出现大面积SO2柱量值增加.

3.3 全球范围内大气边界层SO2整体呈现纬度地带性分布特征,北半球受人为影响较为明显,一、二、三级分界线在陆地区域向南凸出,海洋上向北凹陷,而南半球受人为影响较小,分界线呈现与纬线平行趋势.

3.4 全球范围内大气边界层SO2年内变化,受太阳直射点南北移动的影响.2005~2014年月均一级柱量值纬向对称轴纬度与每月15日太阳赤纬之间存在良好的对应关系,太阳辐射是造成大气边界层SO2柱量值年内变化的最主要因素.

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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

康重阳(1983-),男,甘肃宁县人,硕士,主要从事环境遥感与GIS应用研究.发表论文2篇.

2019-03-10

* 责任作者, 教授, zhaojun@nwnu.edu.cn