近10年四川省对流层NO2分布及变化趋势

曹 杨， 成 翔， 赵晓莉

(1.四川省气象灾害防御技术中心，成都 610072； 2.中国气象局大气化学重点开放实验室，北京 100081；3.中国气象局大气探测重点开放实验室，成都 610225; 4.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072)

NO2是大气中一种重要的污染物，是臭氧和其他光化学反应的重要前体物之一，也是形成光化学烟雾及硝酸型酸雨、酸雾的主要污染物[1-4]。大气NO2的来源包括自然源和人为源两部分，自然源是指大气中的闪电过程排放、土壤排放、微生物固氮排放及氨的氧化等，人为源包括各种化石燃料燃烧、生物质燃烧、人类活动中的机动车尾气排放、飞机排放、工业废气排放等[5-9]。大气中特别是对流层NO2浓度达到一定程度时，会对大气环境、生态环境造成危害，影响植物、农作物生长，危害人体健康[3,10]。

地面观测资料具有时间短、观测站点有限且集中在城区等缺陷，卫星遥感是大气环境监测的重要手段，能有效监测全球大气NO2浓度，具有覆盖范围广、时间连续等优点[11-12]。1995年开始，搭载于ERS-2卫星上的全球臭氧监测仪(GOME)开始对全球大气NO2浓度进行观测[13]。随后，搭载于环境1号(ENVISAT-1)卫星的大气制图扫描成像吸收光谱仪(SCIAMACHY)、搭载于EOS-AURA卫星的高分辨率臭氧监测仪(OMI)、搭载于MetOp系列卫星上的GOME-2光谱仪等大气环境监测传感器陆续发射升空[14-16]，持续不断地对大气NO2进行监测。国内外众多学者利用这些卫星观测资料，对全球或者区域尺度的NO2浓度时空分布特征进行研究分析[17-20]，发现NO2浓度高值区主要集中在人类活动旺盛、经济快速大发展的地区。随着中国经济的快速发展，中国逐渐成为NO2浓度受关注的区域之一。众多学者利用卫星资料对中国及局部区域对流层NO2柱浓度分布特征及变化趋势进行了研究分析，并结合其他资料对其影响因素和成因等进行了分析[21-25]。如肖钟湧等[26-27]利用OMI反演NO2柱浓度数据，研究分析中国区域和四川盆地大气NO2时空分布特征及影响因素，发现大值中心出现在经济较为发达的城市地区；高晋徽等[28]利用OMI反演资料，分析中国地区对流层NO2柱浓度空间分布和长期变化趋势，并结合NOx排放清单分析发现，NOx人为源的季节性差异是对流层NO2柱浓度季节差异的重要影响因素之一。

众多研究表明，四川盆地人口聚集、经济发达，属于中国区域NO2污染严重的地区之一[26-28]。本文利用OMI传感器反演的对流层NO2柱浓度产品，结合中国环境监测总站提供的近地面ρ(NO2)数据和中国经济社会大数据研究平台提供的各类社会统计数据，分析四川省2010—2019年对流层NO2柱浓度空间分布特征及时间变化规律，并与2015—2019年近地面ρ(NO2)进行比较分析，两种观测数据相互印证，反映NO2分布特征和趋势。2011年开始实施的中国“十二五”规划，限制了我国大气中氮氧化物的排放，对大气中NO2浓度长期变化趋势的关注，可以了解新的节能减排政策产生的影响，有助于为政策的制定和实施,以及大气污染防治等提供参考和科学依据。

1 资料与方法

本文研究所用的卫星观测的对流层NO2柱浓度资料来自http://www.temis.nl网站提供的全球月均值产品，该产品由搭载在Aura卫星上的臭氧层观测仪OMI传感器测量得到。数据版本为QA4ECV version 1.1，经过了质量控制，且开展了很多验证分析工作，可靠性较高[24]。该产品的水平空间分辨率为0.125°×0.125°，单位为1013molecules/cm2。本文所用的时间序列为2010年1月至2019年12月。

本文还用到了中国环境监测总站提供的近地面ρ(NO2)小时数据，单位为μg/cm3。四川省共有93个国控环境监测站点，采用剔除缺测和异常数据等方法进行质量控制后，全省有效站点数为81个。本文所用的时间序列为2015年1月1日至2019年12月31日。

对流层NO2柱浓度分布与人类活动和城市经济水平密切相关。国内生产总值(GDP)是衡量一个地区整体经济水平的重要指标，而对NO2浓度贡献最大的是第二产业，因此需要收集与之相关的一些社会统计数据，如人口密度、GDP、第二产业占GDP比重等，数据从中国统计年鉴和省、市级统计年鉴中获得，可从中国经济社会大数据研究平台(https://data.cnki.net/ValueSearch/)下载得到。

对于卫星数据，月平均和年平均浓度的计算是基于网站提供的逐月数据，季节平均浓度根据季节计算，3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月秋季，12月-次年2月为冬季。对于地面观测数据，月平均和多年平均浓度的计算采用环境监测站提供的逐小时数据平均得到。比较成都市近地面ρ(NO2)与对流层NO2柱浓度时，近地面ρ(NO2)由成都市内有效国控站数据平均得到，卫星观测的对流层NO2柱浓度根据经纬度选择与环境监测站点靠近的周围4个格点值求平均计算得到。四川省21个市州地形分布如图1所示。其中，阿坝州和甘孜州合称为川西高原，凉山州和攀枝花市合称为攀西地区，其余17个市合称为四川盆地。

图1 四川省地形分布图

2 结果与讨论

2.1 四川省对流层NO2柱浓度空间分布

图2为2010—2019年四川省对流层NO2柱浓度累计年均值空间分布图，大值区主要分布在成都市及其周边城市。成都市多年累计平均值为8.61×1015molecules/cm2，最大值可达16.85×1015molecules/cm2;其次是德阳市，多年累计平均值为6.52×1015molecules/cm2，最大值为12.85×1015molecules/cm2。此外，四川盆地内大部分靠近成都和重庆周边城市的对流层NO2柱浓度明显比川西高原(平均值为0.81×1015molecules/cm2)和攀西地区(平均值为1.53×1015molecules/cm2)的大。主要是因为对流层NO2柱浓度，特别是工业生产和交通排放造成的对流层NO2柱浓度，受人为活动影响显著，一般高值区都是出现在人口密度较大及工农业活动水平较高的区域。成都市作为四川省的省会城市，是全省人口密度最大、经济最发达的城市。根据中国经济社会大数据研究平台发布的统计结果，2010-2018年成都市人口密度介于1110～1209人每平方千米，平均值为1163.56人每平方千米，是四川人口密度第二大城市(绵阳的人口密度平均值为472.94人每平方千米)的2.5倍左右；2019年成都市的GDP为17012.65亿元，是绵阳(2308.82亿元)的7.37倍。川西高原和攀西地区经济不发达，人口稀少，对流层NO2柱浓度主要受自然源排放影响。

图2 2010-2019年四川省对流层NO2柱浓度多年平均值空间分布图

2.2 四川省对流层NO2柱浓度长期变化趋势

为了研究四川省对流层NO2柱浓度长期变化的特征，图3分别给出了2010—2019年四川省、盆地地区、川西高原、攀西地区的对流层NO2柱浓度逐月均值时间序列图。四川省对流层NO2柱浓度逐月均值呈现为显著的周期性年际变化，具有明显的季节特征，峰值出现在冬季，谷值出现在夏季。近10年四川省对流层NO2柱浓度长期变化表现为下降趋势，且各区域的长期变化趋势比较一致。10年来NO2柱浓度最大值出现在2010年12月，为4.00×1015molecules/cm2;最小值出现在2019年8月，为1.50×1015molecules/cm2。2010年全省和盆地地区NO2柱浓度的年平均值分别为2.44×1015molecules/cm2和4.86×1015molecules/cm2。2019年全省和盆地地区NO2柱浓度相对于2010年的分别降低了15.57%和21.40%。利用F检验进行相关显著性检验的结果表明，全省、盆地地区、川西高原、攀西地区均通过了0.01的显著水平统计检验，P的取值均为P<0.001。这种下降趋势与2011—2017年四川省工业氮氧化物排放量的降低趋势一致(表1)，可能与近年来政府实施的治理和减排管控措施有关。2014年开始，对流层NO2柱浓度下降显著，盆地地区2014年的与2013年的相比下降了4.72%，2015年的进一步下降，与2013年的相比下降了17.55%。这可能与2013年9月国务院发布的“大气污染防治行动计划”十条措施促进空气质量改善有关。

四川省对流层NO2柱浓度变化规律主要受高值区影响。根据前面的分析，高值区主要集中在成都市和周边的德阳市。图4为近10年对流层NO2柱浓度高值区年均值相对变化趋势及第二产业占GDP比重。年均值相对变化趋势是指将2010年城市对流层NO2柱浓度作为各自的基准值，之后每年的年均值与之相比得到各自的相对变化情况。2010-2019年成都市和德阳市对流层NO2柱浓度的长期变化呈下降趋势，2019年对流层NO2柱浓度平均值分别降低到各自的最小值，相对于2010年分别下降了20.45%和33.83%。由表1可以看出，2011-2017年成都市工业氮氧化物排放量的变化趋势，与成都市对流层NO2柱浓度平均值的降低趋势一致。中国经济社会大数据研究平台发布的成都市和德阳市近10年第二产业占GDP比重变化趋势，与对流层NO2柱浓度的变化趋势基本一致，整体呈降低趋势。其中，2011-2012年成都市和德阳市对流层NO2柱浓度的上升与第二产业占GDP比重上升有关，2017年成都对流层NO2柱浓度的波动与第二产业占GDP比重的波动有关。将第二产业占GDP比重与对流层NO2柱浓度年均值进行相关性分析，成都市和德阳市的相关系数分别为0.66和0.81，利用F检验进行相关显著性检验，均通过了0.01的显著水平统计检验，P的取值均为P<0.001，表明德阳市对流层NO2柱浓度中工业排放比重比成都市的大。

表1 2011-2017年四川省和成都市工业氮氧化物排放量统计 万t

图4 2010-2019年对流层NO2柱浓度高值区年均值相对变化趋势及第二产业占GDP比重

2.3 四川省对流层NO2柱浓度季节变化

图5为2010-2019年四川省对流层NO2柱浓度多年季节均值空间分布图，高值区在四季均出现在成都市及其周边。由于高值区受人为活动影响较大，因而对流层NO2柱浓度具有明显的季节变化特征，表现为冬季的>秋季的>春季的>夏季的。冬季的平均值最高，全省平均值为2.53×1015molecules/cm2，成都市平均值为12.14×1015molecules/cm2;夏季的最低，全省和成都市平均值分别为1.84×1015molecules/cm2和5.15×1015molecules/cm2，秋季和春季的NO2柱浓度相对接近。

图6给出了2010—2019年四川省和成都市对流层NO2柱浓度多年月均值变化趋势。由图6可以更清楚地看到NO2柱浓度冬季高、夏季低的周期性季节变化特征。成都市的月季平均值明显高于四川省的，且季节变化特征更显著，呈“V”型分布，最高值出现在12月，为13.88×1015molecules/cm2，最低值出现在8月，为4.49×1015molecules/cm2。这种季节变化特征可能与NOx人为源排放、气象条件、

图5 2010-2019年四川省对流层NO2柱浓度多年季节均值空间分布图

太阳辐射等因素的季节性变化有关。根据高晋徽等[28]的分析研究，NOx人为源具有明显的季节性差异，且主要集中在大中型城市，也是表现为冬季氮氧化物排放最高、夏季的最低，与对流层NO2柱浓度的季节变化特征相同。此外，降水主要集中在夏季，降水对NO2具有冲刷和稀释作用；大气中NO2的存在也受温度的影响，夏季的高温和强辐射条件导致大气光化学活动增强，有利于NO2作为臭氧前体物被消耗掉。这些都是造成对流层NO2柱浓度夏季低值的原因。

图6 2010-2019年四川省(a)和成都市(b)对流层NO2柱浓度多年月均值变化趋势

图7为2010-2019年四川省和成都市对流层NO2柱浓度四季的年际变化。冬季始终是四季中对流层NO2柱浓度最高的季节，年际变化波动较大。全省在2010-2013年冬季NO2柱浓度均超过了3.00×1015molecules/cm2，最高值出现在2011年，为3.52×1015molecules/cm2；成都市在2010-2013年冬季NO2柱浓度均超过了12.00×1015molecules/cm2，最高值出现在2013年，为14.00×1015molecules/cm2。四川2010-2013年冬季NO2污染比较严重，2014年NO2柱浓度开始出现大幅下降趋势，相对2013年，全省NO2柱浓度降低了12.66%，成都市的降低了19.88%，这与2013年国家出台的治理和限排政策有关。其他三季NO2柱浓度的年际变化幅度相对较小，整体呈降低趋势。

图7 2010-2019年四川省(a)和成都市(b)对流层NO2柱浓度季节均值时间序列

2.4 四川省近地面ρ(NO2)与对流层NO2柱浓度的对比

图8为2015-2019年四川省近地面ρ(NO2)累计年均值空间分布图。由图8可见，其区域分布趋势与卫星观测的对流层NO2柱浓度分布比较一致，高值区也是主要分布在盆地地区人口密集、经济发达的城市，特别是成都市，最大值为55.48 μg/cm3。以ρ(NO2)高值区(成都市)为研究区域，对比分析地面环境监测站观测的近地面ρ(NO2)和卫星观测的对流层NO2柱浓度。图9为2015-2019年成都市对流层NO2柱浓度与近地面ρ(NO2)月均值时间序列和散点图，共60个样本。由图9可知，成都市近5年的近地面ρ(NO2)月均值长时间变化趋势与对流层NO2柱浓度基本一致，呈周期性年际变化，表现为下降趋势。散点分布表现为线性关系，相关系数为0.71，利用F检验进行相关显著性检验，通过了0.01的显著水平统计检验，P<0.0001。采用最小二乘法线性拟合建立近地面ρ(NO2)与对流层NO2柱浓度的线性关系，关系式为

y=1.02x+33.39

(1)

式中x为对流层NO2柱浓度，y为近地面ρ(NO2)。由上述关系式可看出，卫星观测的对流层NO2柱浓度的空间分布及时间变化趋势可以反映近地面ρ(NO2)的分布。因此在科学研究和实际应用过程中，可以用卫星观测资料来弥补地面观测资料时间短、观测站点有限且集中在城区等缺陷。这一结果与其他研究的结论比较一致[29]。

图8 2015-2019年四川省近地面ρ(NO2)多年平均值空间分布

图9 2015-2019年成都市对流层NO2柱浓度和近地面ρ(NO2)月均值时间序列(a)和散点图(b)

3 结 论

本文利用Aura卫星上的OMI传感器观测得到的2010—2019年对流层NO2柱浓度月均值产品，分析四川省近10年对流层NO2柱浓度空间分布特征及时间变化规律，并与近5年中国环境监测总站提供的近地面ρ(NO2)月均值比较，得出以下结论：

(1)对流层NO2柱浓度受人为活动影响显著，四川省高值区主要分布在人口密度较大及工农业活动水平较高的成都市，多年累计平均值为8.61×1015molecules/cm2，最大值可达16.85×1015molecules/cm2。此外，川西高原和攀西地区经济不发达,人口稀少，对流层NO2柱浓度主要受自然源排放影响。盆地内大部分靠近成都和重庆周边城市的对流层NO2柱浓度明显比川西高原和攀西地区的大。

(2)近10年四川省和成都市对流层NO2柱浓度逐月均值呈现为显著的周期性年际变化，长期变化呈下降趋势，与2011-2017年工业氮氧化物排放量的降低趋势一致。2014年开始，对流层NO2柱浓度下降显著。盆地地区2014年的NO2柱浓度与2013年的相比，下降了4.72%，2015年的再进一步下降，与2013年的相比下降了17.55%，这可能与2013年9月国务院发布的“大气污染防治行动计划”十条措施促进空气质量改善有关。

(3)近10年四川省和成都市对流层NO2柱浓度具有明显季节变化特征，冬季的最高，秋季和春季的次之，夏季的最低；NO2柱浓度月变化呈“V”型分布，最高值出现在12月，最低值出现在8月。NO2柱浓度这种季节变化特征与NOx人为源排放、气象条件、太阳辐射等因素的季节性变化有关。从对流层NO2柱浓度四季的年际变化趋势看，冬季始终是四季中对流层NO2柱浓度最高的季节，其他三季的年际变化幅度相对较小。

2015—2019年近地面ρ(NO2)高值区为成都市，其年际下降趋势与卫星观测的对流层NO2柱浓度的一致，二者线性相关系数为0.71，通过了0.01的显著水平统计检验，表明卫星观测对流层NO2柱浓度的空间分布和时间变化趋势可以反映近地面ρ(NO2)的分布及变化规律。因此在科学研究和实际应用过程中，可以用卫星观测资料来弥补地面观测资料时间短、观测站点有限且集中在城区等缺陷。

致谢感谢http://www.temis.nl网站提供对流层NO2柱浓度产品，中国环境监测总站提供近地面NO2质量浓度数据，中国经济社会大数据研究平台(https://data.cnki.net/ValueSearch/)提供中国统计年鉴和省、市级统计年鉴数据。