利用卫星观测HCHO柱密度研究中国NMVOC时空分布

尉 鹏，苏福庆，程水源，陈良富，高庆先

1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100022

2.中国环境科学研究院，北京 100012

3.中国科学院遥感应用研究所，遥感科学国家重点实验室，北京 100101

利用卫星观测HCHO柱密度研究中国NMVOC时空分布

尉 鹏1，苏福庆2，程水源1，陈良富3，高庆先2

1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100022

2.中国环境科学研究院，北京 100012

3.中国科学院遥感应用研究所，遥感科学国家重点实验室，北京 100101

利用SCIAMACHY和GOME-2卫星观测的对流层HCHO数据以及INTEX-B(The Intercontinental Chemical Transport Experiment Phase B)污染源清单，探讨了2003—2009年中国非甲烷挥发性有机化合物(NMVOC)的分布特征和变化趋势及其成因.结果表明，中国NMVOC区域分布与其污染源分布不具一致性，具有明显汇聚特征，主要集中在盆地、河谷和山前地区的汇聚带区.中国各区域的NMVOC浓度具有明显的周期性月际变化，华中、华北、华东分别在5月，6月和7月达到各自NMVOC浓度的峰值，该现象同MODIS观测的地面燃烧火点分布具有相关性，生物源的燃烧是造成NMVOC浓度上升并达到峰值的主要原因.

大气遥感;NMVOC;汇聚带;趋势分析

非甲烷可挥发性有机化合物(Non-methane Volatile Organic Compounds，NMVOC)是指除甲烷外的可挥发性有机化合物.NMVOC是大气中一种重要污染物，主要通过与OH自由基的反应影响大气中O3和NOx等主要污染物的浓度变化，是臭氧、温室气体和光化学烟雾的前体物［1-3］;同时，NMVOC也是气溶胶的成分之一，影响大气辐射和空气质量［4］.NMVOC 中包含烃、醛、醇、酯、苯及其衍生物等有害气体，对人体的内脏器官、大脑和神经系统造成伤害，甚至引发癌症，诱导基因变化.

对NMVOC分布和组成已进行了大量分析研究［5-7］，但缺少中国NMVOC的空间分布特征和时间变化趋势.甲醛(HCHO)是NMVOC氧化反应的最主要中间产物［8］，其浓度可近似反映 NMVOC的分布［9］.随着空间技术的发展，目前全球对流层HCHO的浓度可通过多个搭载在不同卫星上的传感器测量得到.如ERS-2卫星上的全球臭氧监测仪(Global Ozone Monitoring Experiment，GOME) 在1995—2003年观测了全球 HCHO的浓度;自2002年至今的ENVISAT-1卫星上搭载的大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCanning Imaging Absorption Spectro Meterfor Atmospheric CHartographY，SCIAMACHY)也监测了对流层的HCHO浓度;2004年上天的AURA卫星上搭载的高分辨率的 (Ozone Monitoring Instrument，OMI)传感器也开始观测HCHO的浓度变化和分布情况;最近于2006年上天的MetOp卫星首次在气象卫星上搭载了GOME-2和IASI传感器，用于观测对流层微量气体，其中也包括了HCHO.

国外学者根据HCHO的卫星观测结果对NMVOC排放源的分布进行了大量研究.ABBOT等［8］首先利用 GOME卫星观测的 HCHO分布研究了1995—2001年美国异戊二烯的时空变化，并指出温度对异戊二烯年际变化的影响.PALMER等［10］利用GOME卫星观测数据，根据HCHO转化总量，研究了北美地区HCHO柱密度和NMVOC排放源之间的定量关系，并分析了北美地区异戊二烯的季节变化规律.由于空间分辨率的限制，以上研究大多在误差允许的范围内，利用卫星观测的HCHO柱密度对中国NMVOC浓度时空分布的报道较少.有研究［11-15］指出，中国污染物的分布有特定的环境背景场和环境过程，在特定区域形成的汇聚带是特定地区污染物高浓度带，它随时间的生成和清除以及在空间尺度上的变化影响着中国重污染的分布.该研究利用高分辨率的 GOME-2传感器和SCIAMACHY传感器观测的HCHO浓度数据，研究我国2002—2009年NMVOC空间分布的汇聚特征以及时间变化规律，并结合MODIS秸秆火点分析了我国NMVOC月际分布的原因.

1 数据来源

HCHO浓度数据来源于荷兰皇家气象研究所(KNMI)提供的对流层垂直柱密度产品，涉及仪器包括欧洲航天局(ESA)发射的 MetOp卫星上的全球臭氧监测仪(GOME-2)和 ENVISAT卫星上的大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)，其中GOME-2空间分辨率为40 km×80 km，3 d覆盖一次全球;SCIAMACHY空间分辨率为30 km×60 km，6 d覆盖一次全球.关于HCHO垂直柱密度的算法和反演技术以及地面验证工作和误差分析，目前已有大量报道［14-17］.该研究所使用数据的分辨率为0.25°×0.25°(GOME-2)和 0.5°×0.5°(SCIAMACHY)月均值数据.

2 结果讨论与分析

2.1 NMVOC空间分布及汇聚特征

图1为2007年1月—2009年12月GOME-2观测的中国对流层HCHO柱密度平均值分布.研究［10］指出，在忽略水平输送条件下，GOME卫星观测的HCHO柱密度和NMVOC产率与其排放量的乘积呈正比.笔者利用该结论并假定HCHO近似反映了NMVOC浓度的分布.由图1可见，中国NMVOC的主要中间产物HCHO的高柱密度区域主要集中在华北、两湖平原、珠江三角洲和四川盆地地区，柱密度在10×1015～15×1015molec/cm2.此外，长江三角洲、台湾西部、云南大部、东北平原以及新疆塔里木盆地、准格尔盆地等地区，HCHO柱密度约为5×1015～10×1015molec/cm2.其他地区如青海、西藏、内蒙古东部和四川山区等地区的HCHO柱密度较小，在4×1015molec/cm2以下.可见，中国 NMVOC主要集中在东部地区，西部地区主要集中在天山南北麓和四川盆地，特别是集中在盆地、河谷的山前地区.该结果同文献［18-20］指出的中国污染物的汇聚特征和中国大气环境背景场研究结论相一致.

图1 GOME－2观测全国2007—2009年HCHO平均柱密度Fig.1 China average HCHO column density on 2007-2009 observed by GOME-2

图2 是根据 INTEX-B试验［20］统计得到的中国NMVOC污染源分布，格距为0.5°×0.5°.由图2可知，中国NMVOC污染源东部排放较重，分布在东部沿海岸线;辽河平原、京津唐、山东、江苏、长江三角洲、广东大部排放量均在2.5×104t/a以上.四川盆地、两湖平原、渭河平原、汾河河谷和河南大部污染源排放量在1.5×104～2.5×104t/a.其他地区NMVOC排放量较小.对比图 1，从图 2可见，NMVOC排放源的分布和其中间产物的分布区域存在明显差异.研究［14］表明，污染物汇聚带是由中小尺度以及大中尺度风场汇聚而成，多形成于山谷、山前以及盆地地区.图1表明高浓度NMVOC主要集中在太行山前、沂蒙山前、汾河河谷、四川盆地和两湖盆地，其分布的位置以及成因同文献［14］研究结论相符，因此，NMVOC分布具有显著汇聚的特征.

2.2 NMVOC成因分析及季节演变

图3是利用各月卫星观测数据进行区域平均之后的HCHO柱密度随时间变化.图4为HCHO柱密度和MODIS火点分布.

图2 全国NMVOC污染源分布Fig.2 NMVOC emission in China

图3 2003—2009年全国及各区域HCHO柱密度演变Fig.3 HCHO column density in each aera of China from 2003 to 2009 observed by GOME-2

图4 GMOE－2观测HCHO柱密度和MODIS火点分布Fig.4 HCHO column density observed by GOME-2 and fire-point observed by MODIS

根据图1 HCHO污染全国分布，将全国分为华北地区(32°～42°N，110°～122°E)，长江三角洲(28°～32°N，119°～122°E)、珠江三角洲(22°～24°N，111°～117°E)、四川盆地(27°～35°N，103°～110°E)、华中地区(27°～32°N，111°～117°E)、东北地区(40°～55°N，120°～135°E)和新疆地区(35°～50°N，72°～95°E)等 7 个区域，分别研究其时间演变趋势.

由图3可见，中国HCHO平均柱密度在5×1015molec/cm2附近波动，并呈现季节变化，每年6月左右达到峰值，10月降低至谷值，如2009年10月出现谷值(为3.4×1015molec/cm2)，峰值出现在6月(为8.07×1015molec/cm2)，约为谷值的2.5倍.由此可见，夏季NMVOC浓度明显增高，6月为峰值月份.其他区域HCHO平均柱密度的演变具有相似特征，如华中地区、华北地区、长江三角洲和新疆地区分别在每年的5，6和7月达到峰值，各区域季节变化明显，出现峰值的月份不同.

为分析NMVOC重污染月出现的原因，该研究将2007年5—7月 HCHO柱密度和相同月份MODIS卫星观测地面异常火点分布进行了比较(见图4)，其中地面火点分布图由国家环境保护部应用卫星中心提供.由图4可知，2007年5月地面火点集中在华中地区，该地区HCHO柱密度在15×1015molec/cm2以上，明显高于周边地区并达到峰值.6月HCHO平均柱密度相对高值区域集中在华北地区，特别是太行山东麓以及渭河河谷地区，对比MODIS观测火点分布图发现，华北地区在6月地面火点非常密集，因此，华北地区HCHO平均柱密度在6月达到峰值.7月异常火点集中在长江三角洲地区，该地区的HCHO平均柱密度上升至峰值，而华北地区、华中地区火点较为分散，其值开始下降.显然，各区域HCHO平均柱密度随时间的演变与地面异常火点相关，生物源的燃烧是造成中国NMVOC浓度上升并达到峰值的主要原因之一.

3 结论

a.利用 GMOE-2观测的 2007—2009年HCHO平均柱密度，初步研究了我国NMVOC的分布，结果表明中国NMVOC主要分布在华北地区、华中地区、四川盆地和珠江三角洲地区.

b.通过对比ITEXB试验期间的 NMVOC污染源和HCHO柱密度分布发现，中国NMVOC空间分布具有明显的汇聚特征，盆地、山前汇聚特征明显.

c.分析2003年1月—2009年12月全国各区域HCHO平均柱密度逐月演变，发现全国各区域NMVOC呈现明显月际变化，各区域在固定月份达到峰值和谷值，峰值月份出现的时间和地面火点分布明显相关.

感谢：该研究得到中国环境科学研究院孟伟院士的指导，在此谨致以衷心的感谢!

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Spatial and Temporal Distribution of NMVOCs in China as Determined by Formaldehyde Column Density Measurements from Satellite Observation

WEI Peng1，SU Fu-qing2，CHENG Shui-yuan1，CHEN Liang-fu3，GAO Qing-xian2
1.College of Environmental＆ Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China
2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
3.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，Institute of Remote Sensing Application，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China

Tropospheric formaldehyde column data derived from SCIAMACHY and GOME-2 observations and emission inventory data during the INTEX-B mission were used to evaluate the distribution characteristics，variation trends and other causes of non-methane volatile organic compounds(NMVOC)in China during 2003-2009.The results showed that the distribution of NMVOC was not consistent with the emissions data，and centralized in collection regions such as basins，valleys and in front of mountains.The density of NMVOC had significant periodic monthly changes.Central China，northern China and eastern China showed peaks in May，June and July，respectively，which is interrelated with the distribution of burning areas observed by MODIS.It can inferred that biomass burning is the main cause of NMVOC pollution peaks in China.

atmospheric remote sensing;NMVOC;collection region;trend analysis

X511

A

1001-6929(2010)12-1475-06

2010-09-15

2010-09-28

中央级公益性科研院所基本科研业务专项(2010KYYW08)

尉鹏(1981-)，男，北京人，weipeng_1981@hotmail.com.

*责任作者，苏福庆(1932-)，男，北京人，研究员，主要从事气象环

境与大气边界层物理学研究，fenglihua99@sina.com