利用OMI数据对我国西部城市NO2柱浓度的时空分布特征研究——以天水市为例

王 菁,巨天珍,谢顺涛,卢秀娟,王 爽,赵欣鑫,张斌才,张俊峰

(1.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省测绘地理信息局， 甘肃 兰州 730000；3.天水市环境监测站，甘肃 天水 741000)

氮氧化物(NOx，主要为NO和NO2)在大气对流层化学过程中起重要作用，参与臭氧与气溶胶的生产过程[1-3]。NOx的主要来源包括自然源和人为源两部分：自然源主要有氨的氧化、闪电过程、微生物过程、土壤[4]和海洋排放等；人为源主要指化石燃料和生物质的燃烧、运输及工业生产等。有些地区NO2的污染是以人为源为主，有些地区是以自然源为主，有些地区是由自然源和人为源混合影响造成的。目前，我国环保基层部门对大气中NO2的监测有地面常规监测和污染源监测，而传统地面监测以人工操作为主，具有监测点位少、范围小、时间不连续等缺点，污染源的在线监测虽然保证了时间上的连续性，但是由于设备的数量少，覆盖范围仍然有局限性。卫星遥感观测弥补了传统监测范围小、成本高的缺点，能够大尺度、长时间序列、大范围地捕捉痕量NO2在区域的分布，因而被广泛应用。20世纪90年代以来，欧美国家相继发射了一些卫星，搭载了痕量气体传感器，如COME、SCIAMACHY和OMI等传感器，其中OMI传感器具有有史以来探测空间痕量气体最高的空间分辨率和敏感度的特点。

国内外学者基于OMI卫星数据产品已经从全球、区域、城市的尺度开展了大量的痕量气体研究工作。如闫欢欢等[5]利用遥感卫星监测揭示了2004—2014年全球及中国地区的NO2和SO2的时空变化格局；Russell等[6]基于OMI数据使用BEHR检索算法评估了美国2005—2011年对流层NO2垂直柱密度的观测结果；张兴赢等[7]、李龙等[8]利用卫星遥感数据分析了1997—2006年和2005—2010年中国对流层NO2柱浓度的时空变化和东西部的差异，并探究了其来源以及人类活动对NO2浓度的影响；程苗苗[9]经过研究得到2005—2009年浙江省对流层NO2柱浓度的时空动态分布；周春燕等[10]利用2005—2014年OMI卫星对流层NO2柱浓度产品，研究了10年来山东省NO2时空格局及其影响因素。从学者们的研究[11-13]显示：对我国人类活动频繁和经济发展快速的东部及东南部地区对流层NO2柱浓度的研究较多，而西部地区快速发展区域的关注较少；全球和省域尺度的研究较多，而市域尺度的研究较少。从理论指导实践的角度来看，市域尺度的研究成果更有利于环保和安全部门开展管理工作。我国天水市2009年成为国家级经济开发区后经济发展迅速，导致近几年大气环境质量的波动较大，如不能全面掌握大气污染物的变化规律，仅靠目前市区几个点的地面监测，西部一些主要县区环境污染程度便能很快步其东部污染的后尘。因此，未雨绸缪，本文利用OMI数据研究了天水市对流层NO2柱浓度的时空分布动态变化规律及其管控策略，对西部地区大气环境质量的安全管理和预警控制具有重要的意义。

1 研究区概况与数据来源

1. 1 研究区概况

我国西部城市——天水市位于甘肃省的东南部，处于陕、甘、川三省交界处，现辖秦州、麦积两区和秦安、甘谷、武山、清水、张家川回族自治县五县。天水市境内山脉纵横，地势西北低东南高，处于黄土高原沟壑区与西秦岭山脉的结合地带，属温带大陆性季风气候，年平均气温为10.9℃，年平均降水量为524.1 mm。该市森林资源丰富，覆盖率为26.5%，天然林地主要分布在东部、东南部。截至2015年，全市常住人口331.17万人，其中农村人口占全市人口的65%。全市生产总值达到553.8亿元，三次产业结构为17.6∶33.5∶48.9。天水市被评为“羲皇故里”、“中国最具魅力文化旅游城市”，在“十三五”期间，天水市作为“一带一路”战略节点，已列入国家层面城市群规划和区域中心城市,因此加强环境的管控意义重大。

1. 2 数据来源

本研究借助美国国家航天航空局(NASA)提供的AURA卫星搭载的臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument，OMI)数据产品。OMI是搭载在EOS-AURA 卫星上用于臭氧监测的紫外光纤光谱仪，由荷兰和芬兰与NASA合作制造[14]。该传感器通过观测地球大气及表面在 270～500 nm 波谱范围内的后向散射获取信息，其波谱分辨率为 0.5 nm，空间分辨率范围为13 km×24 km(星下点)至40 km×160 km，时间分辨率为1 d，主要监测大气层中的痕量气体、云量、辐射等基本参数，提供全球天际O3、SO2、NO2、BrO、HCHO等痕量气体数据[15]。OMI数据产品等级分为Level 1B、 Level 2、 Level 2G、 Level 3[16]，本研究所用的为Level 2数据产品，该数据产品的数据格式为HDF-EOS5,下载得到的数据扩展名为he5。经过大量航空以及地面实验表明，NO2的解译结果与地面监测实测数据的相关系数多在0.8以上，具有显著的相关性，一定程度上验证了卫星反演的可信度，能够真实地反映大气层中NO2的垂直浓度特征[17-18]。

1. 3 数据处理

本研究所用的OMI NO2数据的时间尺度为2007—2015年每天的NO2柱浓度均值，空间尺度上覆盖整个地球表层，数据空间分辨率为26 km×48 km，数据单位为1015molec/cm2。研究区域天水市的范围为104.58°～106.72°E、34.08°～35.19°N。首先利用VISAN软件进行过滤和提取，剔除云量影响，得到研究区内NO2柱量值；然后为了减小研究中区域边界插值精度的影响，将提取边界向外扩大0.5°～1°，即lat_min=33°、lat_max=36°、lon_min=104°、lon_max=108°；最后运用ArcGIS 10.2软件进行克里金空间插值获得栅格图像，并进行掩膜提取，绘制研究区2007—2015年对流层NO2柱浓度的时空分布及其变化趋势图，解译NO2柱浓度的时空分布及其变化趋势。

2 结果与分析

2. 1 天水市对流层NO2柱浓度的空间分布特征

图1为天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度均值的空间分布图。

图1 天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度均值空间分布图(单位：×1015 molec/cm2)Fig.1 Spatial distribution of multi-year averages of the tropospheric NO2 column concentration of Tianshui City during 2007—2015 (unit:×1015 molec/cm2)

由图1可见，整体上看，天水市对流层NO2柱浓度的空间分布梯度明显，从东向西依次递减，呈现“东高西低”的空间分布格局;其中回族自治县7个县(区)中，张家川回族自治县、清水县和麦积区的东部地区呈现NO2柱浓度高值区，甘谷县和秦安县次之，秦州区和武山县的西部和南部地区呈现NO2柱浓度低值区；天水市9年来对流层NO2柱浓度均值约为4.497×1015molec/cm2，最大值为5.34×1015molec/cm2，最小值为4.07×1015molec/cm2，平均值远低于我国东部地区的平均值(20×1015molec/cm2)[19],约是京津冀地区[20]对流层NO2柱浓度平均值的一半；在天水市各县区，NO2柱浓度增长幅度最大的区域为张家川回族自治区和清水县，增长率均达14%，秦安县增长幅度最小，仅为10%。

2.2 天水市对流层NO2柱浓度的空间动态变化特征

图2为天水市2007─2015年9年间对流层NO2柱浓度均值的空间分布动态变化情况。

由图2可见，天水市9年间对流层NO2柱浓度呈现自东向西逐渐递减的空间动态变化特征，分布规律明显为“东高西低”，且其空间变化分为5个阶段：第一阶段为2007—2008年，高值区和次高值区约占全市一半地区，其中高值区分布较少，仅分布在张家川回族自治县和麦积区的东部地区，而次高值区和中值区分布广泛，几乎没有低值区；第二阶段为2009年，高值区基本消失，次高值区也大幅度减少，中值区占全市大部分地区，并在西部地区的武山县和秦州区开始出现低值区；第三阶段从2011年开始，高值区和次高值区再次扩散，占全市面积逐渐超过50%，并延伸至中部及西部地区，低值区再次减少至消失；第四阶段从2014年开始，高值区几乎消失，次高值区也大幅度减少，仅分布于东部县(区)的少数地区，中值区占全市大部分地区；截至2015年，高值区再次出现，分布于麦积区和清水县的东部少数地区，次高值区遍布市内全部县(区)，中值区仅分布在秦安县、甘谷县和秦州区的少部分地区以及武山县大部分地区。

2.3 天水市对流层NO2柱浓度的时间变化特征

(1) 年变化：图3为天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度的年际变化趋势。由图3可见，9年来天水市对流层NO2柱浓度年际变化总体呈现小幅增长的趋势，主要有三升三降的变化。其中，三个阶段的增长：第一阶段为2009—2011年，NO2柱浓度年均值由4.214×1015molec/cm2增至4.587×1015molec/cm2，年均增长率为2.96%；第二阶段为2012—2013年，NO2柱浓度年均值由4.443×1015molec/cm2快速增至9年中最大值4.756×1015molec/cm2，年均增长率为3.52%；第三阶段为2014—2015年，NO2柱浓度年均值由4.376×1015molec/cm2增至4.700×1015molec/cm2，年均增长率为3.70%；三次的增长率呈现逐次增大的趋势。三个阶段的下降：第一阶段为2007—2009年，NO2柱浓度年均值从4.532×1015molec/cm2降至4.214×1015molec/cm2,年均下降率为2.34%；第二阶段为2010—2011年，NO2柱浓度年均值从4.587×1015molec/cm2降至4.443×1015molec/cm2,年均下降率为1.57%；第三阶段为2013—2014年，NO2柱浓度年均值从4.456×1015molec/cm2降至4.376×1015molec/cm2，年均下降率为3.99%；三次的下降率呈现中期减小、后期增大的趋势。天水市2007—2015年9年间对流层NO2柱浓度的年均增长率为0.41%，低于我国东部地区近几年的增幅(京津冀2005—2013年NO2柱浓度的年均增长率为5.69%[20]，长江三角洲2005—2014年NO2柱浓度的年均复合增长率为2.10%[21]，山东省2005—2014年NO2柱浓度的年均增幅为28.5%[22])。天水市9年间对流层NO2柱浓度的最大增长率是8.87%，出现在2009—2011年；NO2柱浓度的最大下降率是7.97%，出现在2013—2014年；天水市区县对流层NO2柱浓度的最大增长率是10%～14%和最大下降率是10%，变化幅度较大。天水市对流层NO2柱浓度在2008—2009年出现下降，然后在2013年之前急剧增加，在2013年之后开始减少，2015年又出现回升，这与我国其他地区的研究结果存在时间上的一致性[23]。2008年全球金融危机致使天水市许多企业停产停工，成为天水市9年来对流层NO2柱浓度最低的年份，可见天水地区工业的发展对环境存在一定的影响；到2009年年底，连霍高速公路宝天段的通车，加之关中-天水经济发展规划，使该地区的NO2柱浓度逐年上升；2012年国家的新空气质量标准推出，天水市政府出台了一系列政策，其中对“国家重点污染源”实行在线监测，企业内部实行优化改革，对限期完不成整改任务、超标排放的锅炉以及零散小型常压锅炉依法进行关闭，削弱了NO2柱浓度的增加幅度，但仍然有部分未安装在线监测设备的企业管理松懈，导致排放得不到控制的情况存在，致使2013年NO2柱浓度再次提高；同年9月国务院下发“大气污染防治行动计划”，当地大型电厂、水泥厂安装和改进了脱硝设施，故2014年实现了NO2柱浓度的大幅度降低；2015年，NO2柱浓度又有抬升，与经济快速发展有关。根据本研究的实地调查与比较，天水市大型企业都有在线监测设备，且环保人员加强监督以提高达标率，但小型企业缺少在线监测设备，环保人员较少且任务重，因此建议该地区环保部门今后应逐步加大环保人力、监测设备和物联网投入，以提高综合管理效率。

图2 天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度的空间分布动态变化情况(单位：×1015 molec/cm2)Fig.2 Spatial distribution of annual means of annual means of tropospheric NO2 column concentration during 2007—2015 in Tianshui City(unit:×1015 molec/cm2)注：NO2柱浓度均值高值区为5×1015 molec/cm2以上,次高值区为4.5×1015～5×1015 molec/cm2,中值区为4×1015～4.5×1015 molec/cm2,低值区为4×1015 molec/cm2以下

图3 天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度的年际变化Fig.3 Interannual variation of the tropospheric NO2 column concentrations of Tianshui during 2007—2015

(2) 季节变化：对每年相关月份NO2柱浓度进行栅格计算求取平均值，得到天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度四季的空间分布，见图4(春季为3、4、5月，夏季为6、7、8月，秋季为9、10、11月，冬季为12、1、2月)，结合天水市不同年份对流层NO2柱浓度年均值的季节变化折线图(见图5)、四季风向玫瑰花图(见图6)、数字高程模型图(见图7)进行分析,结果表明：天水市对流层NO2柱浓度的四季多年均值排序为：春季>夏季>冬季>秋季;对流层NO2柱浓度的四季变化折线的规律表现出春夏趋势相似、秋冬趋势相似，且有“春夏高、秋冬低”的特征，这与Zhou等[24]对阿尔卑斯地区农村和郊区的研究结果相吻合，与我国东部地区“冬高夏低”的研究结果相反；天水市春季和夏季对流层NO2柱浓度分布以河谷为分界线，呈现“北高南低”的空间分布格局，秋冬两季河谷的分界线消失，秋季高值分布在天水东部、中部地区以及武山县西北部地区，冬季高值范围缩小至天水东部地区。天水市对流层NO2柱浓度四季的分布格局与当地气流的运动有密切的关联。进一步分析天水市东部两县一区对流层NO2柱浓度的四季变化还可以发现，张家川回族自治县、清水县和麦积区的秋冬季NO2柱浓度高于春夏季。根据本研究会同当地环保部门在天水市全境的实地调研，天水市四季NO2柱浓度的分布格局，一方面，由当地NO2源在四季风的推送下形成，如春夏季农业用地中土壤微型生物释放大量的NO2、冬季燃煤生物质燃烧以及四季的运输业和较弱的工业排放有关；另一方面，天水市东部持续NO2高浓度的聚集与东北部相邻的甘肃省平凉市、东部陕西省等输送有密切关系。综上所述，天水市对流层NO2柱浓度四季的空间分布是起于东部并逐步向中部和西部扩展，这种分布除了与当地地理条件(如张家川回族自治区、清水县、麦积区森林覆盖率高，草甸层厚，微生物活动频繁，自然排放导致NO2柱浓度的增加)、产业因素(采矿业、发电厂、水泥厂等)有关以外，与常年盛行的东风、东南风的输送也有密切的关系。

图4 天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度四季的空间分布图Fig.4 Seasonal variation of spatial distribution of the tropospheric NO2 column concentration of Tianshui City during 2007—2015

图5 天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度年均值的 季节变化折线图Fig.5 Time series of seasonal means of the tropospheric NO2 column concentrations of Tianshui City during 2007—2015

图6 天水市全年四季风向玫瑰图Fig.6 Seasonal wind roses of Tianshui City

图7 天水市数字高程模型图Fig.7 Digital Elevation Model of Tianshui City

(3) 月变化：图8为天水市2007年1月至2015年12月期间对流层NO2柱浓度月均值柱状图及趋势线图。

图8 天水市2007年1月至2015年12月对流层NO2柱浓度月均值的变化趋势图Fig.8 Variation of the multi-year monthly means of the tropospheric NO2 column concentration of Tianshui City during 2007—2015

由图8可见，天水市对流层NO2柱浓度月均值中部高两端低，呈现倒“U”型；本研究4月、5月和6月分别是天水市NO2柱浓度月均值出现高浓度前三位的月份，与前文“春夏高秋冬低”的规律一致。图9为天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度逐月月均值时间序列图。

图9 天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度逐月 月均值时间序列图Fig.9 Time series of monthly means of tropospheric NO2 column concentration of Tianshui City during 2007—2015

由图9可见，天水市对流层NO2柱浓度逐月月均值的极端最高值出现在2013年5月，次高值出现在2008年5月，极端最低值出现在2012年1月和2010年1月；9年间天水市对流层NO2柱浓度月均值为4.520×1015molec/cm2，月际变化趋势没有明显的周期性，从而验证了天水地区NO2柱浓度的自然影响大于人为干预。了解这些规律可为天水市大气环境质量的管理提供参考。

3 结 论

本文通过分析天水市2007—2015年对流层NO2柱浓度的时空动态变化，结合本研究的实地调研与当地环保人员的意见，并与我国东部地区进行比较，总结出天水市大气对流层NO2柱浓度的时空分布规律如下：

(1) 从空间分布上来看，9年来天水市对流层NO2柱浓度的区域空间分布梯度明显，始终表现为东高西低的特点，其中东高是指张家川回族自治县、清水县和麦积区(两县一区)东部地区的高值区，西低是指秦州区和武山县(一县一区)中南大部分地区的中低值区；区域空间分布格局波动较大，9年间出现了5次高值区与低值区的交替扩张；在空间分布的动态上，具有从东部向西部逐渐扩展并降低的规律。

(2) 从时间分布上来看，9年来天水市对流层NO2柱浓度年际变化总体呈现小幅上升趋势，年均值为4.497×1015molec/cm2，年均增长率为0.41%，期间出现三升三降，其中三升具有增长率逐次增大的规律，三降具有中期降低后期增大的规律；季节变化的周期性明显，整体表现为“春夏高秋冬低”，与我国东部地区季节变化规律相反；对流层NO2柱浓度月均值为4.520×1015molec/cm2，一年中的4月份的月均值最高，一年中极端最高值出现在5月份。

(3) 与我国东部城市比较，天水地区对流层NO2柱浓度较低，但是9年来县(区)域的增长率(10%～14%)和下降率(10%)以及市域年度变化幅度都比较大，如2009—2011年达到天水市9年来的最大增长率8.87%，2013—2014年达到最大下降率7.97%。

卫星遥感监测能够大尺度、长时间序列、大范围地捕捉痕量气体在区域的分布及变化规律，本文利用OMI数据对天水市对流层NO2柱浓度的时空分布特征进行研究，得出对流层NO2柱浓度时空分布格局与当地地理条件、污染物来源和汇以及上风向污染的输送有密切的关系的结论，该研究结果很好地弥补了地面监测只限于市区几个点的局限性，使得城市大气污染的控制建立在掌握全市污染物时空动态格局的基础上，这对县(区)域环保工作因地制宜强化环境管理措施，有效地保障环境质量朝着健康的目标发展，意义重大。

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