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利用GOME卫星资料分析北京大气NO2污染变化
Characterization of NO2 Pollution Changes in Beijing Using GOME Satellite Data
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摘要: 利用GOME (Global Ozone Monitoring Experiment, 全球臭氧监测实验) 1996年1月—2002年12月NO2对流层柱浓度月平均卫星遥感资料以及根据北京市2001年1月1日—2002年12月31日NO2污染指数数据计算出的地面NO2日均质量浓度值, 分析了北京市城市大气NO2污染变化的季节变化特征以及年际变化, 并将2001年1月—2002年12月北京上空GOME NO2对流层柱浓度月平均值变化与北京市地面NO2日均质量浓度月平均值变化进行了比较, 结果表明两者随时间的变化趋势具有较好的一致性, 据此可以利用GOME NO2对流层柱浓度月平均卫星遥感资料来分析特定区域大气NO2的季节变化和年际变化。Abstract: Nitrogen dioxide (NO2) is known to cause respiratory problems for humans in the urban atmosphere and plays a key role in the control of the strong oxidant such asozone of the atmosphere. Measurements of the global distribution of tropospheric NO2 column densities have become available with the Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) instrument which is launched in April 1995 on board the ERS-2 satellite. The seasonal variation and trend of NO2 over Beijing is analyzed using monthly averaged tropospheric NO2 column data from GOME measurements from January 1996 to December 2002. The monthly averaged GOME NO2 column present distinct variation characteristics with high values in January, February, November and December, and with low values in June, July and August. The results of analysis of GOME data reveal that NO2 pollution in Beijing had been aggravated from 1996 to 2002 in general, with serious pollution happening in the years of 2002. The highest monthly averaged NO2 column is found to occur in December 2002 with a value of 3.7×1016 molecules· cm-2, increasing by 45 percent and 125 percent with comparison to the highest GOME monthly averaged NO2 column before December 2002 (that is 2.5×1016 molecules·cm-2 in December 1999) and the monthly averaged NO2 column in November 2002 (that is 1.6×1016 molecules·cm-2), respectively. Furthermore, the seasonal variation of GOME tropospheric NO2 column over Beijing is compared with that of monthly averaged surface mass concentration of NO2, which are calculated according to the daily pollution index of NO2 for Beijing for a period from 1 January 2001 to 31 December 2002. Both GOME tropospheric NO2 column density and surface NO2 mass concentration present the same distinct seasonal variation characteristics, with high values in winter and low values in summer. It shows that for the comparison period the variations of monthly averaged tropospheric NO2 columns over Beijing are well consistent with the variations of the monthly averaged surface NO2 mass concentrations in Beijing. The correlative coefficient is as high as 0.86. It can be concluded that GOME tropospheric NO2 column data can be used to analyze the seasonal variation and trend of NO2 pollution over a specific region.
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Keywords:
- satellite remote sensing /
- GOME /
- NO2 air pollution index /
- urban environment
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引言
二氧化氮 (NO2) 是对流层一种重要的痕量气体, 它是臭氧及其他光化学二次污染物 (如PAN、二次气溶胶等) 最重要的前体物之一, 是形成硝酸性酸雨、酸雾以及光化学烟雾的主要污染物, 主要影响呼吸系统, 可引起支气管炎和肺气肿等疾病, 对植物生长有不良影响, 对大气环境、生态环境、人体健康都有很大的危害[1]。从辐射来说, NO2对光的吸收及大气能见度有着直接影响[2]。NO2在对流层中变化很大, 主要来自化石燃料燃烧、生物质燃烧、氨的氧化、土壤排放、闪电、平流层输送[3-4]。燃烧过程产生的含氮物质主要是一氧化氮 (NO), 但在大气中NO和NO2在臭氧和自由基的作用下可以相互转化, 并在日光照射下很快达到稳态平衡[5]。
近年来, 随着我国产业结构由粗放型向集约型的转变和能源消耗结构的优化调整, 能源消耗导致的NOx排放不断增加的趋势有所缓解, 但NOx排放在行业、燃料及地区分布上极为不平衡的特征并没有得到根本改变, 排放NOx较多的依然是工业、电力和交通运输部门, 占排放总量的90%以上, 并且交通运输排放的NOx无论是绝对量还是所占比例均在逐年稳步增长, 全国由交通运输排放的NOx从1995年的1.17 Mt增加到1998年的1.45 Mt, 排放比例也由10.4%快速上升到13.0%。随着经济的持续发展, 机动车保有量将持续快速增长, 尤其是私人汽车数量的迅速增加, 必将使交通运输对NOx的贡献率越来越大[6], 其对环境的影响也越来越严重。研究表明[7], 北京2000年机动车NOx排放量已经超过地表人为污染源NOx总排放量的一半。据统计, 北京市机动车保有量1993年约为71万辆, 2003年突破了212万辆, 10年增长了近200%(http://www.chinahighway.com/news/2004/79568.php), 机动车排放的迅速增加, 势必对北京市NOx污染以及O3污染造成重要的影响。2001年1月—3月3个不同时段在北京城市地区大气边界层进行的大气化学和气象现场观测表明[8], 北京城市冬季、初春低层大气中主要的气体污染物为NOx, 在逆温、大气层结稳定天气条件下, 易发生严重的NOx污染, 2月19—22日出现逆温天气, 车道沟莲花小区楼顶测点的观测显示, 在这次严重空气污染过程中, 该测点NOx浓度长时间维持在150×10-9以上, 在21日13:00高达298.8×10-9;在1月、2月观测时段车道沟一测点NO2浓度最高值超过了110×10-9, 高浓度的NOx污染势必对北京城市环境、人体健康造成严重危害。
卫星遥感资料具有覆盖范围广、实时、连续、分辨率高等优点, 目前已广泛应用于气象、环境、海洋等领域。GOME NO2对流层柱浓度卫星资料是德国Bremen大学环境科学学院研究人员通过对搭载于欧洲空间局发射的ERS-2遥感卫星上的GOME仪器425~450 nm波段的光谱数据进行反演得到的。这些资料有很高的科学应用价值, 如可以利用它们研究对流层NO2分布和大尺度输送、根据区域和季节变化研究各种人为源和自然源对对流层NO2量的影响以及对全球化学-气候模式验证[9-12]。
本文利用北京市环保局公布在互联网 (http://www.bjepb.gov.cn) 上的NO2污染指数以及德国Bremen大学环境科学学院提供的GOME NO2对流层柱浓度月平均资料 (第二版)(http://www-iup.physik.uni-bremen.de/gome/), 对北京市近年来大气NO2污染变化进行了研究。
1. 北京市地面NO2日均质量浓度变化
空气污染指数 (air pollution index:API) 是一种定量反映和评价空气质量状况的指标, 是将常规监测的几种空气污染物简化成为单一的数值形式, 是表征空气污染程度的一种方法, 适合于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势[13]。我国城市空气质量日报API分级标准如表 1 (http://www.zhb.gov.cn/quality/background.php)。
表 1 我国城市空气污染指数对应的污染物浓度限值
污染指数API的计算如下[13]:
设I为某污染物的污染指数, C为该污染物的浓度, 则
(1) 式 (1) 中, C大与C小是在API分级限值表 (表 1) 中最接近C值的两个值, C大为大于C的限值, C小为小于C的限值; I大与I小是在API分级限值表 (表 1) 中最接近I值的两个值, I大为大于I的值, I小为小于I的值。
根据表 1中NO2污染指数对应的浓度限值和污染指数的计算方法, 推导下列分段函数, 通过NO2污染指数计算地面NO2日均质量浓度值 (单位: μg/m3):
(2) 
从式 (2) 可以看出, NO2污染指数与其质量浓度呈线性正相关关系。
根据北京市2001年1月1日—2002年12月31日NO2污染指数数据计算这段时段地面NO2日均质量浓度值, 作时间序列图。北京市2001年、2002年地面NO2日均质量浓度日变化如图 1所示。
图 1显示, 北京市2001年地面NO2日均质量浓度超过120 μg/m3的重污染日为16 d, 出现在1月、2月、3月、10月、11月、12月, 其中10月、11月地面NO2日均质量浓度超过120 μg/m3的日数分别为5 d和6 d, 全年最高值出现在2月19日, 达到180.8 μg/m3 (约为88.0×10-9, 标准条件下, 1 μg/m3≈0.487×10-9), 2002年北京市地面NO2日均质量浓度超过120 μg/m3的日数为28 d, 出现在1月、2月、3月、4月、9月、10月、11月、12月, 其中1月、12月地面NO2日均质量浓度超过120 μg/m3的日数分别为6 d, 8 d, 全年最高值出现在1月10日, 达到203.2 μg/m3 (约为98.9×10-9)。与2001年相比, 北京市2002年NO2重污染日数有所增加, 其重污染程度有所加重, 重污染出现的时间范围有所扩大。大气NO2是一种高度活性的气体, 其浓度主要受局地源排放、大气扩散、太阳辐射影响。北京市大气NO2重污染多出现在1月、2月、11月、12月, 与其特有的地形特征、气候特征密切相关。北京市位于华北平原的北部边缘, 地处太行山山脉、燕山山脉与华北平原的交接地带, 西部、北部和东北部三面环山, 东部和南部为地势比较平坦的平原, 山区约占全市面积的62%, 平原约占38%, 为半干旱、半湿润的地区, 具有典型的暖温带大陆性季风气候特征, 稳定类型天气出现频率较高, 受地面辐射、地形气候和天气形势的影响, 冬春季易出现持续时间较长的强逆温[14], 当强逆温生成时, 湍流运动受到抑制, 大气扩散能力弱, 污染物难以扩散。一方面, 1月、2月、11月、12月北京处于采暖期, 煤使用量较非采暖期有较大的增加, 使得NOx的排放量大为增加, 另一方面, 这段时间太阳辐射较弱, 光化学反应较为缓慢, 与夏秋相比NO2寿命更长, 加上这段时间低空易出现较厚的逆温层, 因此易出现严重NO2污染。
北京市2001年、2002年地面NO2日均质量浓度月平均变化如图 2所示。
从北京市2001年、2002年地面NO2日均质量浓度月平均变化上看, 2001年北京市地面NO2污染程度在1月、10月、11月较重, 在5月、6月、7月、8月相对较轻, 2002年北京市地面NO2污染程度在1月、2月、12月较重, 在4月、6月、7月相对较轻。2002年12月北京大气NO2污染总体上比较严重。
2. 北京上空NO2对流层柱浓度月平均变化
GOME NO2对流层柱浓度卫星资料是德国Bremen大学环境学院研究人员通过对搭载于欧洲空间局发射的ERS-2上遥感卫星的GOME仪器425~450 nm波段的光谱数据进行反演得到的。ERS-2遥感卫星于1995年4月21日发射, 采用了先进的微波遥感技术来获取全天时的图像, 比起传统的光学遥感图像有着独特的优点, 它采用椭圆形太阳同步轨道, 卫星高度约为777 km, 轨道倾角为98.52°, 节点周期为100.465 min, 每天运行轨道数为14.3, 降交点的当地时间为10:30, 它载有主动微波装置 (AMI)、雷达高度计 (RA)、沿轨迹扫描辐射计 (ATSR-M)、全球臭氧监测实验仪器 (GOME)、精确测距设备 (PRARE) 和激光回反射装置 (LRR) (http://earth.esa.int/ers/satconc/)。GOME仪器由欧洲航天局开发, 用于监测大气O3, NO2等痕量或微量气体以及气溶胶含量和分布。
根据北京的地理位置, 我们选择了GOME NO2对流层柱浓度月平均资料中心在39.75°N, 116.75°E格点的数据来反映北京市大气NO2污染的变化。
NO2是一种高度活性的污染气体, 主要存在于排放源的附近以及低层大气中, 其日均质量浓度反映了局地地面大气NO2污染程度, NO2对流层柱浓度值则反映了局地低层大气NO2污染程度。为了反映GOME NO2对流层柱浓度值与地面NO2日均质量浓度值之间的相关性, 我们将2001年1月—2002年12月北京上空GOME NO2对流层柱浓度月平均变化与北京市地面NO2日均质量浓度的月平均变化进行了比较, 见图 3。从图 3可以看出, 两曲线变化趋势具有较好的一致性。
图 4为2001年1月—2002年12月北京上空GOME NO2对流层柱浓度月平均值与北京市地面NO2日均质量浓度月平均值的相关性分析图。从图 4可以看出, 两者呈现较好的正相关关系, 相关系数达0.86。据此可以利用该卫星遥感资料来分析特定区域大气NO2污染的季节变化和年际变化。
1996年1月—2002年12月北京上空GOME NO2对流层柱浓度月平均变化如图 5所示。由图 5可以看到, 北京上空GOME NO2对流层柱浓度月平均值呈现明显的季节变化, 在1月、2月、11月、12月较高, 在6月、7月、8月较低。从其年际变化来看, 北京市大气NO2污染程度在1996年—2002年总体上呈现加重趋势, 与1996年相比, 1997年大气NO2污染变化不大, 1998年、1999年大气NO2污染总体上呈现加重趋势, 1998年12月、1999年12月北京市发生了严重大气NO2污染, 与1999年相比, 2000年、2001年大气NO2污染总体上有所改善, 与2001相比, 2002年大气NO2污染总体上有所加重, 2002年12月北京市发生了严重NO2污染。与此前北京上空GOME NO2对流层柱浓度月平均值最大值 (1999年12月月平均值2.5×1016个分子数·cm-2) 以及2002年11月月平均值 (1.6×1016个分子数· cm-2) 相比, 2002年12月的月平均值 (3.7×1016个分子数·cm-2) 分别增加了45%, 125%, 其原因有待进一步研究。
3. 结论
根据北京市2001年、2002年NO2污染指数数据计算出的地面NO2日均质量浓度值分析了北京市大气NO2污染的日变化和季节变化, 并将2001年1月—2002年12月北京上空GOME NO2对流层柱浓度月平均变化与北京市地面NO2日均质量浓度月平均变化进行了比较, 结果表明, 两者随时间的变化趋势具有较好的一致性, 相关性分析表明, 两者呈现较好的正相关关系, 相关系数达0.86, 据此可以利用该卫星遥感资料来分析特定区域大气NO2的季节变化和年际变化。
从1996年1月—2002年12月北京上空GOME NO2对流层柱浓度月平均变化来看, 1996年—2002年北京市大气NO2污染程度总体呈现加重趋势, 1998年12月、1999年12月、2002年12月北京市发生了严重NO2污染。与此前北京上空GOME NO2对流层柱浓度月平均值的最大值 (2.5×1016个分子数·cm-2) 以及2002年11月月平均值 (1.6×1016个分子数·cm-2) 相比, 2002年12月月平均值 (3.7×1016个分子数·cm-2) 分别增长了45%, 125%, 其原因需作进一步深入研究。
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