薛文博，武衛(wèi)玲，雷 宇，付 飛

環(huán)境保護(hù)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(guó)將氮氧化物(NOx)納入總量減排約束性指標(biāo)，要求2015年全國(guó)NOx排放總量相比2010年下降10%。在總量減排工作的實(shí)踐中，如何定量評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)空氣中NO2濃度高低的主要方法有地面監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感2種手段，傳統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)手段具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)位密度小、空間覆蓋性較差、探測(cè)成本大，監(jiān)測(cè)結(jié)果存在“以點(diǎn)代面”的缺陷;衛(wèi)星觀測(cè)手段作為一種新的觀測(cè)方法，具有時(shí)間連續(xù)性強(qiáng)、空間覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)楸O(jiān)測(cè)大尺度、長(zhǎng)時(shí)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(guó)、日本、西歐、中國(guó)等7個(gè)區(qū)域的NO2變化趨勢(shì);Boersma等利用OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)提出實(shí)時(shí)反演對(duì)流層NO2濃度的新算法［3］;張強(qiáng)等利用衛(wèi)星遙感手段分析了中國(guó)1996—2010年 NOx排放的變化趨勢(shì)［4］，衛(wèi)星遙感技術(shù)在監(jiān)測(cè)大氣污染時(shí)空演變趨勢(shì)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［5-8］。衛(wèi)星遙感獲取的NO2柱濃度代表整個(gè)對(duì)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(cè)濃度”間的相關(guān)模型。大量的地面或航空實(shí)驗(yàn)顯示，NO2遙感解譯結(jié)果與地基及航空實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)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(guò)分析2010年全國(guó)333個(gè)縣級(jí)以上城市衛(wèi)星遙感NO2對(duì)流層年均柱濃度與地面監(jiān)測(cè)濃度之間的相關(guān)性，建立NO2“遙感柱濃度”與“地面監(jiān)測(cè)濃度”之間的關(guān)聯(lián)方程，通過(guò)該方程反演了中國(guó)0.125°分辨率近地面NO2污染分布特征，并計(jì)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(lái)源

目前，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)NO2的星載傳感器主要包括 GOME、SCIAMACHY以及臭氧觀測(cè)儀(OMI)，相對(duì)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(duì) NO2濃度的全球觀測(cè)，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(cè)儀，于2004年7月升入太陽(yáng)同步極地軌道。該傳感器通過(guò)觀測(cè)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(diǎn)空間分辨率(13×24)km2，掃描幅寬為2 600 km。

NO2遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于 OMI傳感器，選用DOMINO柱濃度觀測(cè)產(chǎn)品，通過(guò) IDL程序?qū)MI每日數(shù)據(jù)取平均值處理，獲取2010年全國(guó)空間分辨率為0.125°的對(duì)流層NO2垂直柱濃度年均值，見(jiàn)圖1。2010年全國(guó)333個(gè)縣級(jí)以上城市的NO2地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站;人口數(shù)據(jù)采用1 km分辨率網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)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(wàn)中國(guó)行政邊界圖，底圖源自國(guó)家測(cè)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(wàn)行政區(qū)版中華人民共和國(guó)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(guó)333個(gè)縣級(jí)以上城市的NO2對(duì)流層柱濃度年均值與NO2地面監(jiān)測(cè)年均濃度之間的相關(guān)性，建立線性回歸方程，進(jìn)而反演出全國(guó)0.125°分辨率NO2近地面濃度;將全國(guó)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(jìn)行柵格疊加，計(jì)算出全國(guó)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(guó)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(guó)對(duì)流層NO2柱濃度年均值和333個(gè)縣級(jí)以上城市的NO2地面監(jiān)測(cè)濃度，分析了遙感柱濃度數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)性，遙感柱濃度和地面監(jiān)測(cè)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(yàn))，估計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)差為0.60，統(tǒng)計(jì)參數(shù)表明兩者有一定相關(guān)性。通過(guò)線性回歸建立遙感柱濃度數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的回歸模型，見(jiàn)式(1)。

式中:NO2ground表示 NO2地面站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)濃度，mg/m3;NO2column表示NO2柱濃度，1016mol/cm2。兩者相關(guān)性見(jiàn)圖2。

圖2 地面監(jiān)測(cè)濃度和遙感柱濃度間的線性模型

2.2 NO2反演結(jié)果

通過(guò)式(1)反演2010年全國(guó)0.125°分辨率近地面NO2濃度分布，見(jiàn)圖3。

圖3 遙感柱濃度反演的全國(guó)地面NO2濃度

由圖3可見(jiàn)，全國(guó)NO2濃度高值區(qū)主要集中在華北平原、長(zhǎng)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(jí)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(zhǎng)春、沈陽(yáng)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(guó)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(guó)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(duì)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(zhǎng)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(jiàn)圖4。

圖4 全國(guó)NO2人口加權(quán)濃度分布圖

上海、天津2個(gè)城市人口加權(quán)濃度值超過(guò)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(wú)錫、常州、鹽城、淮陰、宿遷等長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的城市，見(jiàn)圖5。這些城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量大，煤炭等能源消費(fèi)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(jī)動(dòng)車(chē)保有量對(duì)空氣中NO2濃度有明顯影響［10］。

圖5 華北地區(qū)和長(zhǎng)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(jì)不同NO2濃度下的人口暴露水平對(duì)研究公共健康狀況具有重要意義。利用GIS統(tǒng)計(jì)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(guó)土面積約5.95萬(wàn)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(duì)小的地區(qū)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過(guò)分析2010年全國(guó)333個(gè)縣級(jí)以上城市NO2對(duì)流層柱濃度年均值與地面實(shí)際監(jiān)測(cè)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(guó)NO2近地面濃度。結(jié)合全國(guó)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(jì)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(guó)NO2近地面濃度超過(guò)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級(jí)濃度限值(0.04 mg/m3)的區(qū)域約為5.95萬(wàn)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(zhǎng)三角地區(qū)。

2)全國(guó)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(wú)錫、常州、鹽城、淮陰、宿遷等城市化水平高、人口眾多、機(jī)動(dòng)車(chē)保有量大的地區(qū)。

3.2 討論

全國(guó)333個(gè)城市對(duì)流層NO2柱濃度與近地面NO2監(jiān)測(cè)濃度之間相關(guān)性相對(duì)較低，相關(guān)系數(shù)為0.54。原因可能是地基觀測(cè)為近地表NO2濃度，而遙感柱濃度監(jiān)測(cè)為對(duì)流層整層NO2柱濃度，且遙感觀測(cè)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(duì)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(cè)儀器MAX-DOAS對(duì)OMI對(duì)流層NO2產(chǎn)品進(jìn)一步校驗(yàn)。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(cè)濃度之間的相關(guān)性。

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