薛文博，武衛(wèi)玲，雷 宇，付 飛

環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012

NO2是影響城市空氣質(zhì)量的重要污染物之一，也是引起區(qū)域復(fù)合型大氣污染的主要因素，為此“十二五”期間中國將氮氧化物(NOx)納入總量減排約束性指標(biāo)，要求2015年全國NOx排放總量相比2010年下降10%。在總量減排工作的實踐中，如何定量評價NOx減排的環(huán)境效果，為總量減排工作提供輔助性監(jiān)督管理顯得非常必要。目前評價空氣中NO2濃度高低的主要方法有地面監(jiān)測和衛(wèi)星遙感2種手段，傳統(tǒng)的地面監(jiān)測手段具有準(zhǔn)確、實時性好等優(yōu)點，但監(jiān)測點位密度小、空間覆蓋性較差、探測成本大，監(jiān)測結(jié)果存在“以點代面”的缺陷;衛(wèi)星觀測手段作為一種新的觀測方法，具有時間連續(xù)性強、空間覆蓋面廣等優(yōu)點，能夠為監(jiān)測大尺度、長時間的空氣質(zhì)量狀況提供有效途徑。

衛(wèi)星遙感NO2柱濃度產(chǎn)品的反演算法較為成熟且應(yīng)用廣泛，Richter等利用 GOME和SCIAMACHY產(chǎn)品獲取了全球?qū)α鲗覰O2垂直柱濃度［1-2］，著重分析了美國、日本、西歐、中國等7個區(qū)域的NO2變化趨勢;Boersma等利用OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)提出實時反演對流層NO2濃度的新算法［3］;張強等利用衛(wèi)星遙感手段分析了中國1996—2010年 NOx排放的變化趨勢［4］，衛(wèi)星遙感技術(shù)在監(jiān)測大氣污染時空演變趨勢方面發(fā)揮著越來越重要的作用［5-8］。衛(wèi)星遙感獲取的NO2柱濃度代表整個對流層在垂直方向上的總濃度，已經(jīng)有大量研究直接建立NO2“遙感柱濃度”與“地面監(jiān)測濃度”間的相關(guān)模型。大量的地面或航空實驗顯示，NO2遙感解譯結(jié)果與地基及航空實測數(shù)據(jù)具有較強的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大都在0.8以上，很好地反映了大氣NO2垂直濃度特征［9］。

通過分析2010年全國333個縣級以上城市衛(wèi)星遙感NO2對流層年均柱濃度與地面監(jiān)測濃度之間的相關(guān)性，建立NO2“遙感柱濃度”與“地面監(jiān)測濃度”之間的關(guān)聯(lián)方程，通過該方程反演了中國0.125°分辨率近地面NO2污染分布特征，并計算NO2人口加權(quán)濃度及健康暴露水平。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

目前，衛(wèi)星遙感監(jiān)測NO2的星載傳感器主要包括 GOME、SCIAMACHY以及臭氧觀測儀(OMI)，相對于 GOME和 SCIAMACHY，OMI不僅具有高光譜分辨率，且天底空間分辨率達(dá)(13×24)km2，能夠?qū)崿F(xiàn)每天對 NO2濃度的全球觀測，為研究地球氣候變化與大氣環(huán)境提供重要依據(jù)。OMI是裝載在Aura衛(wèi)星上的臭氧觀測儀，于2004年7月升入太陽同步極地軌道。該傳感器通過觀測地球大氣和表面的后向散射輻射獲取信息，波譜范圍270～500 nm，波譜分辨率為0.5 nm，星下點空間分辨率(13×24)km2，掃描幅寬為2 600 km。

NO2遙感數(shù)據(jù)來源于 OMI傳感器，選用DOMINO柱濃度觀測產(chǎn)品，通過 IDL程序?qū)MI每日數(shù)據(jù)取平均值處理，獲取2010年全國空間分辨率為0.125°的對流層NO2垂直柱濃度年均值，見圖1。2010年全國333個縣級以上城市的NO2地面監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于中國環(huán)境監(jiān)測總站;人口數(shù)據(jù)采用1 km分辨率網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心。其他配套數(shù)據(jù)有1∶400萬中國行政邊界圖，底圖源自國家測繪地理信息局網(wǎng)站(http://map．sbsm．gov．cn/mcp/index．a(chǎn)sp)下載的1∶400 萬行政區(qū)版中華人民共和國底圖。

圖1 2010年OMI NO2垂直柱年均濃度結(jié)果

1.2 研究方法

分析2010年全國333個縣級以上城市的NO2對流層柱濃度年均值與NO2地面監(jiān)測年均濃度之間的相關(guān)性，建立線性回歸方程，進而反演出全國0.125°分辨率NO2近地面濃度;將全國1 km人口柵格數(shù)據(jù)重采樣到0.125°空間分辨率，使得與遙感NO2濃度反演結(jié)果空間分辨率一致，進行柵格疊加，計算出全國0.125°分辨率NO2人口加權(quán)濃度;基于上述人口數(shù)據(jù)和NO2濃度分布特征，分析了全國不同地區(qū)不同NO2濃度水平下的人口暴露狀況。

2 結(jié)果分析

2.1 地面濃度反演方程建立

基于2010年全國對流層NO2柱濃度年均值和333個縣級以上城市的NO2地面監(jiān)測濃度，分析了遙感柱濃度數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)性，遙感柱濃度和地面監(jiān)測濃度的Pearson相關(guān)性分析表明，在樣本數(shù)為333的情況下，兩者線性相關(guān)系數(shù)為0.54，在0.01置信水平上顯著相關(guān)(雙側(cè)檢驗)，估計值標(biāo)準(zhǔn)差為0.60，統(tǒng)計參數(shù)表明兩者有一定相關(guān)性。通過線性回歸建立遙感柱濃度數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的回歸模型，見式(1)。

式中:NO2ground表示 NO2地面站點的監(jiān)測濃度，mg/m3;NO2column表示NO2柱濃度，1016mol/cm2。兩者相關(guān)性見圖2。

圖2 地面監(jiān)測濃度和遙感柱濃度間的線性模型

2.2 NO2反演結(jié)果

通過式(1)反演2010年全國0.125°分辨率近地面NO2濃度分布，見圖3。

圖3 遙感柱濃度反演的全國地面NO2濃度

由圖3可見，全國NO2濃度高值區(qū)主要集中在華北平原、長三角和珠三角地區(qū)，尤其是太行山東麓河北南部至河南北部、山東中部、北京、天津、唐山和上海周邊地區(qū)，NO2污染嚴(yán)重。以特大城市為中心的區(qū)域污染特征顯著，其中北京、天津、上海、成都、石家莊、鄭州等城市NO2濃度值均高于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)要求的年均濃度二級標(biāo)準(zhǔn)(0.04 mg/m3)，西安、重慶、武漢等城市均出現(xiàn)高值，逼近0.04 mg/m3，并由城市中心向周邊遞減。相比之下，烏魯木齊、哈爾濱、長春、沈陽等城市NO2污染較輕，濃度均低于0.03 mg/m3。

2.3 NO2人口加權(quán)濃度分布

由全國1km人口數(shù)據(jù)和遙感反演得到近地面NO2分布空間疊加得到全國NO2人口加權(quán)濃度分布。人口加權(quán)濃度值越大，反映NO2污染對人的危害程度越嚴(yán)重。高值區(qū)集中在中東部發(fā)達(dá)地區(qū)，尤其是華北地區(qū)和長三角地區(qū)大中型城市高值顯著，呈現(xiàn)連片分布的特征，見圖4。

圖4 全國NO2人口加權(quán)濃度分布圖

上海、天津2個城市人口加權(quán)濃度值超過1 300人·毫克/千米2，人口加權(quán)濃度值達(dá)到1 000人·毫克/千米2的有蘇州、無錫、常州、鹽城、淮陰、宿遷等長三角地區(qū)經(jīng)濟高速發(fā)展的城市，見圖5。這些城市機動車保有量大，煤炭等能源消費量大，導(dǎo)致人為源NO2排放量大，加上人口密集使得NO2人口加權(quán)濃度較高。已有研究表明，機動車保有量對空氣中NO2濃度有明顯影響［10］。

圖5 華北地區(qū)和長三角地區(qū)NO2人口加權(quán)濃度分布圖

2.4 不同濃度水平下的人口暴露

NO2污染嚴(yán)重影響居民公共健康，統(tǒng)計不同NO2濃度下的人口暴露水平對研究公共健康狀況具有重要意義。利用GIS統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，5.7%的人口生活在NO2濃度大于0.04 mg/m3的重污染地區(qū)，國土面積約5.95萬平方千米。29.4%的人口居住在濃度介于0.03、0.04 mg/m3之間的地區(qū)，濃度在 0.025、0.03 mg/m3之間的地區(qū)有21.5%的人口居住，其余人口均生活在NO2污染相對小的地區(qū)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過分析2010年全國333個縣級以上城市NO2對流層柱濃度年均值與地面實際監(jiān)測NO2年均濃度之間的相關(guān)性，建立相關(guān)性方程，反演得到全國NO2近地面濃度。結(jié)合全國1 km人口數(shù)據(jù)，得到NO2人口加權(quán)濃度分布圖，經(jīng)統(tǒng)計分析，得到不同濃度水平下的人口暴露。主要結(jié)論為

1)遙感數(shù)據(jù)反演的全國NO2近地面濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級濃度限值(0.04 mg/m3)的區(qū)域約為5.95萬平方千米，超標(biāo)地區(qū)主要集中在太行山脈東側(cè)、山東半島、河南北部以及以上海為中心的長三角地區(qū)。

2)全國約5.7%的人口生活在NO2不達(dá)標(biāo)地區(qū)，健康暴露水平高。

3)NO2人口加權(quán)濃度高值區(qū)主要集中在上海、重慶、蘇州、無錫、常州、鹽城、淮陰、宿遷等城市化水平高、人口眾多、機動車保有量大的地區(qū)。

3.2 討論

全國333個城市對流層NO2柱濃度與近地面NO2監(jiān)測濃度之間相關(guān)性相對較低，相關(guān)系數(shù)為0.54。原因可能是地基觀測為近地表NO2濃度，而遙感柱濃度監(jiān)測為對流層整層NO2柱濃度，且遙感觀測值受云量等因素的影響，存在一定的不確定性。此外，由于目前反演算法的局限性導(dǎo)致OMI對流層NO2柱濃度存在一定的反演誤差。因此，需要利用地基觀測儀器MAX-DOAS對OMI對流層NO2產(chǎn)品進一步校驗。以后的研究中也可以采用區(qū)域氣候模式和空氣質(zhì)量模型提高衛(wèi)星遙感NO2柱濃度和近地面監(jiān)測濃度之間的相關(guān)性。

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