长三角地区典型城市臭氧及其前体物时空分布特征

单源源，李莉，刘琼，秦艳，陈勇航*，石颖颖，刘小正，王鸿宇，凌燕

（1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；2.国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室，上海 200233；3.上海市环境科学研究院，上海 200233）

长三角地区典型城市臭氧及其前体物时空分布特征

单源源1，2，3，李莉2，3，刘琼1，秦艳1，陈勇航1*，石颖颖1，2，3，刘小正1，2，3，王鸿宇1，2，3，凌燕1

（1.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；2.国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室，上海 200233；3.上海市环境科学研究院，上海 200233）

基于美国宇航局NASA/AURA卫星臭氧监测仪OMI数据，分析了2005—2014年长三角地区及其典型城市对流层O3、NO2柱浓度和HCHO大气总柱浓度的时空分布特征。结果表明：10 a间，长三角地区对流层O3柱浓度和HCHO总柱浓度呈现增长趋势，O3增量为0.23 ppbv/10 a，HCHO增量为0.07×1016mol/（cm2·10 a），对流层NO2柱浓度呈现降低趋势，减量为0.06×1015mol/（cm2·10 a）；长三角地区对流层O3柱浓度最大值出现在3、4、5月，而对流层NO2柱浓度最大值出现在1、12月，HCHO总柱浓度最大值出现在6、7月；对流层O3柱浓度的高值区分布在长三角中部、北部区域，对流层NO2柱浓度高值区分布于长三角中部，HCHO总柱浓度高值区相对分散，且四季的分布各不相同。O3与NO2和HCHO在时间和空间上呈现一定的相关性。

O3；NO2；HCHO；时间分布；空间分布

臭氧（O3）是光化学烟雾的重要指示物[1]，在合适的气象条件下，O3主要是由NOX、VOCS等前体物生成[2]。虽然仅10%左右的臭氧分布在对流层[3]，但高浓度的对流层臭氧影响人体健康和生态环境的问题已引起社会的广泛关注。

近年来，随着卫星科技的发展，国内外学者利用卫星观测区域和全球臭氧已取得了很多成果。陶玉龙[4]利用2003年1月—2008年10月青藏高原上空SCIAMACHY臭氧廓线数据来分析大气臭氧廓线规律。刘年庆等[5]利用2011年3月1日—4月5日的FY-3B SBUS和NOAA SBUV/2观测资料，分析北极地区臭氧低值情况。由于OMI卫星具有较高的时空分辨率，且覆盖全球只需一天。David等[6]以2007年12月—2008年12月印度大陆和海洋地区OMI卫星遥感数据为基础，分析对流层臭氧和二氧化氮时空分布特征，研究结果表明，对流层二氧化氮、太阳辐射以及季风性气团都是影响对流层臭氧时空变化的主要因素。肖钟湧等[7]利用OMI和扫描成像大气吸收光谱仪（SCIAMACHY）数据与地面观测数据进行验证，并分析亚洲地区臭氧时空分布特征，结果显示，OMI反演结果比SCIAMACHY结果好；在亚洲地区臭氧具有明显的季节变化，臭氧浓度随着纬度的升高而增加。这些研究成果为我国研究臭氧污染时空特征提供了重要的参考。

目前，长三角地区的O3污染日益突出，但基于OMI数据研究长三角地区臭氧及其前体物的资料还很缺乏，本研究采用OMI数据，希望为长三角地区建立大气污染联合防控机制，制订和实施联合防控措施提供科学依据。

1 数据获取及处理

采用的数据来自装载于NASA（NationalAeronautics and Space Administration，美国国家航空航天局）地球观测系统系列卫星Aura的臭氧层监测仪。OMI的空间分辨率为13×24 km，过境时间是13:45。

本研究利用三种OMI二级产品。OMO3PR产品提供O3对流层的数据；OMNO2产品提供NO2对流层浓度；OMHCHO产品提供HCHO总柱浓度。本文为了提高卫星数据的精确度，剔除云量大于50%的数据[8]。

研究区域为长三角地区（27.00°～35.5°N，114.50°～123.50°E），其中合肥市辖区，南京市辖区，杭州市辖区和上海市辖区为典型代表城市（图1））。

图1 研究区域分布

2 结果与分析

2.1 长三角地区O3及其前体物的时间变化

2.1.1 长三角地区对流层O3时间变化

由图2可以看出，长三角地区及4大典型城市的对流层O3垂直柱浓度变化趋势基本一致，均稍有增长，长三角地区平均变化趋势的增率为0.23 ppbv/10 a。10 a间，长三角及4大典型城市对流层O3垂直柱浓度均出现两次波峰，三次波谷。长三角地区四大典型城市对流层O3垂直柱浓度10 a的平均值大小排序依次为：南京>合肥>上海>杭州，南京、合肥、上海地区的O3浓度高于长三角地区平均水平，而杭州地区O3垂直柱浓度明显低于长三角地区平均水平，而北半球O3垂直柱浓度随着纬度的增加而上升，故杭州市纬度偏低造成O3垂直柱浓度低。

由图3可知，长三角地区对流层O3垂直柱浓度月均值变化具有显著的周期性，以1 a为一个周期，每个周期内对流层O3垂直柱浓度最大值出现在3、4、5月，最小值出现在9、10、11月，与王跃启等人基于OMI分析中国地区O3时间变化结果一致[9]。 2005—2014年间，长三角地区对流层O3垂直柱浓度月均值最大值出现在2007年4月，为353.31 ppbv，最低值出现在2005年9月，为219.86 ppbv。2.1.2长三角地区对流层NO2浓度的时间变化

图2 2005—2014年长三角地区及其典型城市的对流层O3柱浓度年际变化

图3 2005—2014年长三角地区对流层O3柱浓度月均值

从图4可以看出：2005—2014年，长三角及其4大典型城市对流层NO2柱浓度总体呈现下降趋势，这与高诚等研究结果类似[10]。从2011年开始，长三角各地区NO2呈现下降趋势，这可能与《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见》中指出要把长三角地区作为大气污染联防联控的重点区域有关，在长三角区域内实施减排措施，控制长三角地区NO2浓度。长三角地区4大典型城市对流层NO2浓度10 a的平均值大小排序为：南京>上海>合肥>杭州，4大典型城市浓度平均值均大于长三角地区浓度均值，这4个城市是长三角地区的中心城市，城市化水平较高，人口密集，经济发达，机动车保有量高，工业生产等人为源排放可能是这些地区NO2浓度偏高的原因。

图4 2005—2014年长三角地区及其典型城市的对流层NO2柱浓度年际变化

从图5可以看出，长三角地区对流层NO2柱浓度月均值具有周期性变化趋势，以1 a为一个周期，最大值出现在1、12月，最小值出现在7、8月，与姜杰等研究成果一致[11]，NO2浓度高低变化原因可归结为以下两方面：（1）1、12月光化学辐射较弱，光化学反应时间较长，与夏季相比，NO2具有较长的寿命；（2）在人为源排放为主导的地区，1、12月能源消耗大幅增加。NO2最高值出现在2011年1月，为17.62×1015mol/cm2，NO2最低值出现在2014年8月，为3.08×1015mol/cm2。

图5 2005—2014年长三角地区对流层NO2柱浓度月平均值

2.1.3 长三角地区对流层HCHO总柱浓度年际变化

由图6可以看出，2005—2014年，长三角地区及其4大典型城市HCHO总柱浓度总体呈上升趋势，平均变化趋势的增率为0.07×1016mol/（cm2·10 a），上海 、杭州、合肥及南京地区在2005—2010年呈上升趋势，2010—2014年呈现下降趋势。Witte等[12]利用OMI数据分析北京地区2005—2008年 HCHO总柱浓度，指出HCHO总柱浓度呈上升趋势，这与相同时期长三角各大城市HCHO总柱变化趋势相一致，而长三角地区HCHO总柱浓度在2009年出现第一个波峰，随后下降，在2012年出现第二个波峰，之后一直下降，结果是长三角地区的最大值出现在2012年，为1.99×1016mol/cm2。2005—2010年，4大典型城市HCHO总柱浓度的排序为：杭州>合肥>南京>上海，而2010—2014年，HCHO总柱浓度10 a间均值大小的4大典型城市的排序为：合肥>杭州>南京>上海，从2011年起，长三角HCHO总柱浓度平均值,远远高于4大典型城市地区浓度，具体原因有待进一步探究。

图6 2005—2014年长三角地区及其典型城市的HCHO总柱浓度年际变化

从图7可见，长三角地区HCHO总柱月均值呈现周期性变化，每个周期的最大值出现在6、7月，最小值出现在11、12月。6、7月HCHO浓度最高，可能与合适气象条件下发生二次光化学反应有关。2005—2008年变化幅度较小，2010—2014年变化幅度增大，2009年变化幅度最大，10 a间，整体上呈现随着时间变化而不断上升的趋势。

图7 2005—2014年长三角地区HCHO总柱浓度月均值

2.2 长三角地区O3及其前体物空间变化

2.2.1 长三角地区对流层O3季节空间变化

从图8可以明显看出，长三角地区对流层O3浓度呈现显著的纬度地带性差异，O3浓度随着纬度的升高而增加，长三角南部处于O3低值区，最低值出现在浙江省南部温州、丽水、衢州三市，长三角北部处于O3高值区，相对而言，杭州处于相对低值区，上海 次之，合肥与南京处于相对高值区，这与图2中对流层O3浓度10年的平均值大小排序相符合。由图8可以看出，长三角地区对流层O3浓度呈现显著的季节变化，春季浓度最高，最高浓度值达到390 ppbv，秋季浓度最低，这与赵玉成等对西宁地区臭氧的研究结果相似[13]。长三角地区对流层O3浓度呈现季节变化与对流层的光化学反应以及平流层臭氧对对流层臭氧的输送有关。

图8 2005—2014年长三角地区对流层O3柱浓度季节分布

2.2.2 长三角地区对流层NO2季节空间变化

由图9可知，长三角地区NO2分布不均衡，NO2的低值区分布在浙江省南部及安徽省西南部，而NO2的高值区相对集中，出现在苏南及浙北地区，这些地区人口密集，城市分布集中，汽车使用量高，人类活动频繁，汽车尾气排放、工业排放、飞机和轮船排放以及农业烧荒都增加对流层NO2的含量。同样地对流层NO2呈现显著的季节变化，冬季浓度最高，夏季浓度最低，这与辛名威等研究结果相类似[14]，气象因素是影响NO2季节分布的主要原因，冬季的气象因子不利于大气扩散，污染物长时间停留在对流层中导致冬季NO2浓度较高，春、夏季节太阳辐射较强，光化学反应较强，对流层中的NO2很快被氧化，并以干湿沉降的方式回到地面，所以夏季浓度比较低。

2.2.3 长三角地区HCHO季节空间变化

长三角地区HCHO四季空间分布见图10，4个季节的空间分布有很大差异，春季总柱浓度的高值区分布于浙江省北部和安徽省东南部以及安庆市、六安市，低值区分布在沿海城市，夏季高值区分布于浙江省北部和安徽省东南部，低值区也分布在沿海地区，秋季总柱浓度高值区范围较小，出现在安徽省安庆市及六安市，低值区分布与春夏两季相同，而冬季总柱浓度呈现纬度地带差异，高值区范围比较大，出现在安徽省西北部和江苏省大部分区域，低值区出现在上海及浙江省大部分区域。HCHO呈现明显的季节变化趋势，夏季HCHO总柱浓度最高，春秋次之，冬季总柱浓度最低[15]。

图9 2005—2014年长三角地区对流层NO2柱浓度季节分布

2.2.4 长三角地区O3与其前体物的关系

NO2和VOCs是O3生成的前体物，甲醛是VOCs的代表性物质。若大气中只存在NOx，那么下列反应将会产生：

该反应过程中不会产生O3，若环境中存在氧化性更强的自由基与NO反应，该循环就被终止，从而导致O3的积累。

长三角地区对流层O3可能来自于NO2与HCHO的共同作用。

2012—2014年，对流层O3柱浓度逐年上升，而对流层NO2柱浓度及HCHO总柱浓度均呈下降趋势，可见，并不是NO2及HCHO浓度越高，O3浓度也越高。在对流层的光化学反应过程中，NO2是对O3生成起主要作用的气体。NO2的高值区主要集中在浙江北部，上海地区及江苏南部地区，这里的人口密度大，经济和工业生产活动强度高，能源和电力消费量大，汽车拥有量大，相应的原煤和油品消耗量也高。这些地区消耗了巨量的化石能源，向大气中排放了大量的NO2气体，对比图8夏季与图9夏季，发现NO2高值区与O3高值区部分对应，可以看出高浓度NO2对高浓度O3有一定贡献。HCHO也是对O3生成起主要作用的气体，由图10夏季可知，HCHO的高值区处于长三角中部地区，这与人口分布相一致，HCHO主要来源是工业污染燃烧排放、建筑家居涂料使用、日用品溶剂挥发、油气逸散排放等过程，对比图8和图10的夏季，发现HCHO高值区与O3高值区部分吻合。

总之，工业活动、汽车尾气排放以及生物质燃烧等都是造成对流层O3高值区分布的主要原因。对流层O3浓度在时间与空间的变化是NO2和HCHO浓度等综合影响的结果。

3 结论

基于2005—2014年OMI数据分析了长三角及其4大典型城市的对流层O3柱浓度、对流层NO2柱浓度及HCHO总柱浓度的时空分布特征。

（1）2005—2014年，长三角地区对流层O3柱浓度略有上升，增量为0.23 ppbv/10 a，其中南京地区对流层O3柱浓度最高，杭州地区最低；对流层NO2柱浓度略有下降，减量为0.06×1015mol/（cm2·10 a），其中南京地区对流层NO2柱浓度最高，杭州地区最低；HCHO总柱浓度呈现较大的增长趋势，增量为0.07×1016mol/（cm2·10 a），其中合肥地区HCHO总柱浓度最高，上海 地区最低。

图10 2005—2014年长三角地区HCHO柱浓度季节分布

（2）对流层O3柱浓度、对流层NO2柱浓度及HCHO总柱浓度均呈现明显的季节变化。对流层O3春季浓度最高，夏冬季次之，秋季浓度最低，对流层NO2冬季浓度最高，春秋次之，夏季浓度最低，HCHO夏季总柱浓度最高，春秋次之，冬季总柱浓度最低。

（3）O3柱浓度的高值区分布在江苏省及安徽省中部、北部地区，NO2柱浓度的高值区主要集中浙江北部，上海 地区及江苏南部地区，HCHO总柱浓度的春夏秋三个季节的高值区分布于江省北部和安徽省东南部以及安庆市、六安市，而冬季的高值区分布于安徽省西北部和江苏省大部分区域。

（4）对流层O3浓度在时间与空间的变化是NO2和HCHO浓度等综合影响的结果。

致谢：感谢美国国家航空航天局网站http://daac.gsfc. nasa.gov/Aura/data-holdings/OMI/提供OMI产品资料。

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Spatial-Temporal Distribution of Ozone and Its Precursors in the Typical Cities in the Yangtze River Delta

SHAN Yuanyuan1，2，3，LILi2，3，LIU Qiong1，QIN Yan1，CHEN Yonghang1*，SHIYingying1，2，3，LIU Xiaozheng1，2，3，WANG Hongyu1，2，3，LING Yan1
（1.School of Environmental Science and Engineering,Donghua University，Shanghai201620，China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of the Cause and Prevention of Urban Complex Air Pollution，Shanghai200233，China；3.Shanghai Academy of Environmental Sciences，Shanghai 200233，China）

Based on the data collected from the NASA/AURA satellite ozonemonitoring instrument OMI,we analyzed the column concentration of tropospheric O3and NO2,and the temporal and spatial distribution of the atmospheric total column concentration of HCHO in the Yangtze River Delta and its typical cities.The results indicated that during the last ten years,the concentration of O3column and HCHO total column have an increasing trend with 0.23 ppbv/10 a and 0.07×1016mol/（cm-2·10 a）respectively,while the concentration of NO2column shows a decreasing trend,the reduction is 0.57×1015mol/（cm-2·10 a）.In the Yangtze River Delta,the maximum O3column concentration happened in March,April and May,that of NO2column concentration appeared in January and December,and that of the HCHO total column appeared in June and July.The highvalue sector of O3concentration located in themiddle and northern part of the Yangtze River Delta and that of the NO2located only in themiddle part of the Yangtze River Delta.However,the highvalue sector of HCHO total column concentration is relatively decentralized and varies with the season.Generally,the spatiotemporal change of O3，NO2and HCHO showed some correlation from the aspects of time and space.

O3；NO2；HCHO；temporal variation；spatial distribution

X87

B

1002-0799（2016）05-0072-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.05.011

2016-04-29；

2016-06-26

上海市环境保护局重大课题研究项目（沪环科（2014-01））；国家自然科学基金项目（41575002）；上海市气象与健康重点实验室开放基金；上海市大气颗粒物污染防治重点实验室开放课题共同资助。

单源源（1991-），女，硕士研究生，主要从事大气环境遥感。E-mail:yuan_yuan_shan@sina.com

陈勇航（1965-），女，教授，从事大气环境研究。E-mail：yonghangchen@dhu.edu.cn

单源源，李莉，刘琼，等.长三角地区典型城市臭氧及其前体物时空分布特征[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（5）：72-78.