杜金輝，匡開(kāi)宇，慕金波*

（1. 山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013；2. 山東省核與輻射安全監(jiān)測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250117）

環(huán)境管理

基于OMI數(shù)據(jù)的青島市酸沉降通量估算

杜金輝1，匡開(kāi)宇2，慕金波1*

（1. 山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013；2. 山東省核與輻射安全監(jiān)測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250117）

針對(duì)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位過(guò)少，不能滿足大區(qū)域范圍土壤酸沉降通量研究需求的現(xiàn)狀，建立了基于OMI痕量氣體遙感數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)域酸沉降通量估算方法，并對(duì)青島市硫元素和氮元素沉降通量進(jìn)行了估算。結(jié)果表明，新方法能夠?qū)崿F(xiàn)大區(qū)域范圍土壤酸沉降通量的估算。與傳統(tǒng)估算方法相比，新方法采用大氣痕量氣體遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，是對(duì)酸沉降通量常規(guī)研究手段的有益補(bǔ)充。

OMI數(shù)據(jù)；干沉降通量；濕沉降通量；沉降總通量；青島市

目前，大氣沉降的研究方法主要有野外觀測(cè)和數(shù)值模擬，雖能估算出研究區(qū)大氣沉降通量，但都依賴實(shí)地采樣數(shù)據(jù)支持[1]。國(guó)內(nèi)大氣沉降監(jiān)測(cè)主要集中于濕沉降，干沉降因方法較復(fù)雜開(kāi)展較少，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)位集中分布在城市周邊地區(qū)或者零星分布于農(nóng)村或者背景值地區(qū)[2]。地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)雖能監(jiān)測(cè)低對(duì)流層大氣，但不適用于大范圍的監(jiān)測(cè)[3]。與傳統(tǒng)大氣監(jiān)測(cè)方法相比，遙感具有覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)、連續(xù)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。隨著高光譜遙感技術(shù)和定量遙感理論的發(fā)展，應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展大范圍大氣SO2、NO2等痕量氣體分布的研究引起人們的關(guān)注。目前，OMI痕量數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要應(yīng)用于柱濃度[5]以及排放量的時(shí)空分布研究[6]，用于酸沉降干沉降通量的研究尚不多見(jiàn)。

本研究基于大氣痕量氣體遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品OMI（Ozone Monitoring Tnstrument）SO2e和NO2d、降水遙感產(chǎn)品TRMM（tropical Rainfall Measuring Mission satellite）3B43及地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立區(qū)域酸沉降干、濕沉降及沉降總通量計(jì)算方法，以彌補(bǔ)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較少、不能滿足大范圍酸沉降研究的不足。

1 研究區(qū)域概況

山東省由于地理環(huán)境和氣候的影響，酸雨的區(qū)域性差異較為明顯，沿海地區(qū)和山區(qū)酸雨發(fā)生頻率較高，相對(duì)來(lái)說(shuō)山東半島和泰沂山區(qū)為最嚴(yán)重的酸雨危害區(qū)，而魯西北、魯中及魯南、魯西南等部分地區(qū)的酸雨頻率較低[7]。青島市地處山東半島東南部，瀕臨海洋，海洋性濕潤(rùn)氣候提供了產(chǎn)生酸雨的溫床。根據(jù)“山東省環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)”數(shù)據(jù)，2006—2013年，除2011年青島無(wú)酸雨樣品檢出外，其他年份均為酸雨檢出城市。因此，選取青島市作為山東省典型區(qū)域進(jìn)行酸沉降通量研究。

2 研究方法

2.1 研究方法

不同生態(tài)系統(tǒng)所接受的大氣酸沉降的數(shù)量可用沉降通量來(lái)表征，包括干沉降和濕沉降通量。

2.1.1 干沉降通量計(jì)算方法

2.1.1.1 干沉降日通量計(jì)算方法

干沉降日通量由氣溶膠離子中的元素質(zhì)量濃度（Cd）和該元素干沉降速率（Vd）計(jì)算得到。干沉降速率Vd取值參考山東省酸沉降的有關(guān)研究成果[8]，城區(qū)和郊區(qū)SO2的干沉降速率Vd分別取0.6 cm/s、0.7 cm/s；NO2的干沉降速率參考文獻(xiàn)取值0.1 cm/s[9]。質(zhì)量濃度Cd可用衛(wèi)星觀測(cè)的對(duì)流層SO2和NO2垂直柱密度數(shù)據(jù)計(jì)算得到，SO2和NO2近地表質(zhì)量濃度計(jì)算公式為：

式中：Cd為質(zhì)量濃度（g·（m3·d）-1）；M為分子量（g/mol）；V為對(duì)流層垂直柱密度（SO2e為2.69×1016分子/cm2，NO2d為分子/cm2）；NA為阿伏伽德羅常數(shù)（6.02×1023分子/mol）；H為近地表混合層高度（m），取值參考文獻(xiàn)[1，4]。

2.1.1.2 干沉降年通量計(jì)算方法

由干沉降日通量加和得到SO2和NO2沉降月通量、年通量。由于氣溶膠SO42-的濃度不易獲得，假定SO2和氣溶膠SO42-分別占干沉降的89%和11%[8]，根據(jù)SO2干沉降年通量計(jì)算氣溶膠SO42-的干沉降年通量。根據(jù)SO2和SO42-中硫元素所占比例計(jì)算得到硫元素的總干沉降年通量。NO2干沉降年通量乘以0.30得到氮元素干沉降年通量。

2.1.2 濕沉降通量計(jì)算方法

根據(jù)降水月值及離子濃度月值計(jì)算得到濕沉降月通量，逐月加和得到濕沉降年通量。降水SO42-的濕沉降年通量乘以1/3得到硫元素濕沉降年通量。根據(jù)降水量及降水離子濃度柵格分別計(jì)算出NH4+_N和NO3-_N濕沉降年通量，二者加和得到氮元素濕沉降年通量。

2.1.3 沉降總通量計(jì)算方法

利用ARCGIS空間分析功能，將硫元素和氮元素干、濕沉降年通量分別加和得到各自沉降年總通量。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

2.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

可同時(shí)檢測(cè)SO2和NO2的傳感器有GOME、SCIMACHY和OMI[4，10]。與GOME和SCIMACHY相比，臭氧層觀測(cè)儀（OMI）具有更高的空間分辨率和每日一次全球覆蓋的優(yōu)勢(shì)，并首次提供每日O3、SO2、NO2等污染物的全球觀測(cè)結(jié)果[11]，其痕量數(shù)據(jù)產(chǎn)品在反演大氣SO2和NO2量值中取得了較好的效果[12，13]。選取最新的OMI Level-3日數(shù)據(jù)產(chǎn)品OMSO2e和OMNO2d對(duì)流層SO2垂直柱濃度和NO2垂直柱密度數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣硫和氮干沉降通量的計(jì)算。濕沉降通量降水?dāng)?shù)據(jù)采用TRMM 3B43月降水?dāng)?shù)據(jù)，降水離子濃度數(shù)據(jù)為地面監(jiān)測(cè)站每次降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為1 km×1 km的ArcGIS柵格格式，UTM坐標(biāo)系。根據(jù)各數(shù)據(jù)來(lái)源的時(shí)間跨度，選取2005—2010年作為研究時(shí)段。利用ArcGIS，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、提取有效值點(diǎn)、插值、投影變換、裁切、單位轉(zhuǎn)化、柵格計(jì)算（NO2d數(shù)據(jù)需要考慮權(quán)重）等預(yù)處理，生成計(jì)算所需的各種柵格數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 青島市酸沉降通量計(jì)算結(jié)果

青島市酸沉降通量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)表1，2005—2010年青島市硫干沉降通量平均值為2 145.21 kg/（km2·a），濕沉降通量平均值為2 673.03 kg/（km2·a），總通量平均值為4 818.24 kg/（km2·a），干濕沉降比例平均值分別為44.86%、55.14%，說(shuō)明青島市硫沉降通量以濕沉降為主。青島市氮干沉降通量平均值為49.85 kg/（km2·a），濕沉降通量平均值為1 375.25 kg/（km2·a），總通量平均值為1 425.1 kg/（km2·a），干濕沉降比例平均值分別為3.61%、96.39%，說(shuō)明青島市氮沉降通量以濕沉降為主，而青島市氮沉降分布趨勢(shì)與降水分布大致相似也說(shuō)明這一點(diǎn)。

表1 2005—2010年青島市硫和氮沉降總通量及干、濕沉降貢獻(xiàn)率

3.2 青島市酸沉降通量空間分布

青島市酸沉降通量空間分布見(jiàn)圖1（以2009年和2010年為列）。由于硫干沉降速率城區(qū)和郊區(qū)不同，在硫沉降通量空間計(jì)算中通過(guò)柵格計(jì)算器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一差別，圖（a）和圖（b）中圖斑即為城鎮(zhèn)及村莊。氮采用統(tǒng)一的干沉降速率，沉降通量分布圖中未區(qū)分城區(qū)和郊區(qū)。由圖1可見(jiàn)，青島市硫元素和氮元素沉降總通量均以東北、東南和西南部沿海區(qū)域數(shù)值較高，內(nèi)陸區(qū)域相對(duì)較低，與降水分布呈現(xiàn)大體相似趨勢(shì)。

圖1 2009—2010年青島市酸沉降總通量空間分布

4 結(jié)論

建立了基于大氣衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)域酸沉降通量估算方法，并對(duì)青島市酸沉降通量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：2005—2010年，青島市硫元素沉降總通量平均值為4 818.24 kg/（km2·a），氮元素沉降總通量平均值為1 425.10 kg/（km2·a）。硫元素和氮元素沉降均以濕沉降為主，濕沉降對(duì)總通量貢獻(xiàn)率平均值分別為55.14%和96.39%。硫元素和氮元素沉降總通量均以東北、東南和西南部沿海區(qū)域數(shù)值較高，內(nèi)陸區(qū)域相對(duì)較低，與降水分布情況呈現(xiàn)大體相似趨勢(shì)。

[1]馬勝，楊曉峰，李紫薇.基于GOME-2衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)估算近海海域氮沉降通量的方法研究[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2012，31（2）：272-276.

[2]常運(yùn)華，劉學(xué)軍，李凱輝，等.大氣氮沉降研究進(jìn)展[J].干旱區(qū)研究，2012，29（6）：972-979.

[3]王耀庭，王橋，楊一鵬，等.利用Landsat/TM影像監(jiān)測(cè)北京地區(qū)氣溶膠的空間分布[J].地理與地理信息科學(xué)，2005，21（3）：19-22.

[4]趙軍，樊潔平，張斌才，等.大氣SO2衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，12（4）：166-169.

[5]肖鐘湧，江洪，程苗苗.利用OMI遙感數(shù)據(jù)研究中國(guó)區(qū)域大氣NO2[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（10）：2080-2090.

[6]姜杰.基于OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的中國(guó)大氣SO2濃度監(jiān)測(cè)與排放量估算[D].南京：南京師范大學(xué)，2012.

[7]田曉萍，陳優(yōu)寬，劉欣，等.對(duì)山東省2003年以來(lái)的酸雨分布的分析[C]//中國(guó)氣象學(xué)會(huì)2007年年會(huì)大氣成分觀測(cè)、研究與預(yù)報(bào)分會(huì)場(chǎng)論文集，2007：705-709.

[8]慕金波，馬春元，郎詠梅，等.山東省城市酸沉降及控制研究[M].濟(jì)南：山東大學(xué)出版社，2005：62-76.

[9]張艷，王體健，胡正義，等.典型大氣污染物在不同下墊面上干沉積速率的動(dòng)態(tài)變化及空間分布[J].氣候與環(huán)境研究，2004，9（4）：591-604.

[10]王躍啟，江洪，張秀英，等.基于OMI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的中國(guó)對(duì)流層NO2時(shí)空分布[J].環(huán)境科學(xué)研究，2009，22（8）：932-937.

[11]趙其昌，楊勇，李葉飛，等.大氣痕量氣體遙感探測(cè)儀發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J].中國(guó)光學(xué)，2013，6（2）：156-162.

[12]CARN S A，KRUEGER A J，KROTKOV N A，et al.Sulfur dioxide emis-sions from Peruvian copper smelters detected by the Ozone Monitoring Instrument[J].Geophysical Research Letters，2007，34（9）：L09801.

[13]趙軍，張斌才，樊潔平，等.基于OMI數(shù)據(jù)的蘭州及附近地區(qū)大氣邊界層SO2量值變化初步分析[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26（6）：808-813.

（編輯：周利海）

Estimation of the Acid Deposition Fluxes in Qingdao City based on OMI Satellite Remote Sensing Data

Du Jinhui1,Kuang Kaiyu2,Mu Jinbo1*
（1.Shandong Academy of Environmental Science,Jinan Shandong 250013,China；2.Shandong Provincial Nuclear and Radiation Safety Monitoring Center,Jinan Shandong 250013,China）

To solve the problem that the lack of ground monitoring data could not meet the spatial needs for the study of atmospheric acid deposition fluxes,a method for estimating regional acid deposition fluxes based on the OMI atmospheric satellite remote sensing data and the ground observation data was proposed.With the proposed method,the sulphur and nitrogen deposition fluxes of Qingdao City were estimated.The results showed that the acid deposition on soils on a regional scale could be evaluated with the proposed method.Compared to the traditional methods, the proposed method provided the study of atmospheric acid deposition with the supplementary basis and reference.

OMI data；dry deposition flux；wet deposition flux；total deposition flux；Qingdao City

X87

A

1008-813X（2015）02-0001-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2015.02.01

2014-12-23

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目《山東省土壤環(huán)境容量及酸沉降臨界負(fù)荷研究》（2006GG3206002）

杜金輝（1979-），男，山東蘭陵人，畢業(yè)于山東大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事環(huán)境管理與規(guī)劃的研究工作。

*通訊作者：慕金波（1964-），男，山東榮成人，畢業(yè)于華東工學(xué)院環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)，博士，研究員，主要從事環(huán)境系統(tǒng)工程的研究工作。